GB/T40809-2021 鑄造鋁合金 半固態(tài)流變壓鑄成形工藝規(guī)范

1 范圍

本規(guī)范規(guī)定了鑄造鋁合金半固態(tài)流變成形相關(guān)的術(shù)語(yǔ)、半固態(tài)流變成形中合金的熔煉設(shè)備與熔煉工具、熔體制備、除氣與變質(zhì)處理、熔體爐前檢驗(yàn)要求、半固態(tài)漿料制備、流變成形和熱處理、合金的化學(xué)成分、力學(xué)性能、顯微組織和相應(yīng)的檢驗(yàn)規(guī)則。

本標(biāo)準(zhǔn)適用于半固態(tài)流變成形工藝。

2 規(guī)范性引用文件

下列文件對(duì)于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅所注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。

GB/T 228.1 金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫拉伸

GB/T 1173 鑄造鋁合金

GB/T 3246.1 變形鋁及鋁合金制品組織檢驗(yàn)方法第1部分：顯微組織檢驗(yàn)方法

GB/T 5611 鑄造術(shù)語(yǔ)

GB/T 6394 金屬平均晶粒度測(cè)定法

GB/T 7999 鋁及鋁合金光電直讀發(fā)射光譜分析方法

GB/T 8170 數(shù)值修約規(guī)則與極限數(shù)值的表示和判定

GB/T 8733 鑄造鋁合金錠

GB/T 9438 鋁合金鑄件

GB/T 15114 鋁合金壓鑄件

GB/T 20975 鋁及鋁合金化學(xué)分析方法

GB/T 25745 鑄造鋁合金熱處理

GB/T 27677 鋁中間合金

QJ 169 鋁合金鑄件技術(shù)條件

QJ 1182A 鑄造鋁合金熔煉

YS/T 282 鋁中間合金錠

YS/T 600 鋁及鋁合金液態(tài)測(cè)氫方法

YS/T 601 鋁熔體在線除氣凈化工藝規(guī)范

YS/T 1004 熔融態(tài)鋁及鋁合金

3 術(shù)語(yǔ)和定義

GB/T 5611界定的術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。

3.1

半固態(tài)漿料 semi-solid slurry

在金屬液凝固過(guò)程中通過(guò)施加物理或化學(xué)技術(shù)手段進(jìn)行處理制備的一種液態(tài)金屬母液中均勻地懸浮著一定初生固相的固液混合物，初生固相的形貌為非枝晶（主要為球晶或近球晶），這種既非完全液態(tài)、又非完全固態(tài)的固液混合物稱為半固態(tài)漿料。

3.2

流變途徑 rheo-route

在金屬熔體凝固過(guò)程中，在完全凝固之前，通過(guò)施加物理或化學(xué)技術(shù)手段對(duì)熔體進(jìn)行處理，改變初生相的形核和長(zhǎng)大過(guò)程，獲得半固態(tài)漿料的工藝途徑，稱為流變途徑。

3.3

流變成形 rheo-forming

直接將通過(guò)流變途徑制備得到的半固態(tài)漿料轉(zhuǎn)移至成型設(shè)備，進(jìn)行一次加工成型獲得零件的工藝方法稱為流變成形。

3.4

固相分?jǐn)?shù) solid fraction

液相和固相共存的半固態(tài)漿料中，固相體積與漿料體積的百分比。半固態(tài)漿料溫度對(duì)應(yīng)的平衡凝固條件下的固相分?jǐn)?shù)定義為此時(shí)半固態(tài)漿料的固相分?jǐn)?shù)（此固相分?jǐn)?shù)并不是實(shí)際的固相分?jǐn)?shù)，實(shí)際固相分?jǐn)?shù)是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)值，無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定）。實(shí)際固相分?jǐn)?shù)的計(jì)算是基于差熱分析，通過(guò)測(cè)量合金在加熱冷卻過(guò)程中的吸放熱來(lái)計(jì)算固相分?jǐn)?shù)與溫度的關(guān)系，根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

式中fs為固相分?jǐn)?shù)，H為焓（J·kg-1），Cp為比熱容（J·kg-1·°C-1），T為溫度（°C）。

3.5

低固相分?jǐn)?shù)半固態(tài)漿料

low solid fraction semi-solid slurry

固相分?jǐn)?shù)低于40%，此時(shí)半固態(tài)漿料不能形成固定形狀仍然可以自然流動(dòng)，這種半固態(tài)漿料稱為低固相分?jǐn)?shù)半固態(tài)漿料。

3.6

高固相分?jǐn)?shù)半固態(tài)漿料

high solid fraction semi-solid slurry

固相分?jǐn)?shù)高于20%，此時(shí)半固態(tài)漿料已經(jīng)可以形成固定形狀，不能自然流動(dòng)，具有在外力作用下可以流動(dòng)的觸變性，這種半固態(tài)漿料稱為高固相分?jǐn)?shù)半固態(tài)漿料。

4 半固態(tài)流變成形工藝流程

4.1 半固態(tài)流變成形常用合金材料

4.1.1 半固態(tài)流變成形常用用合金的化學(xué)成分范圍應(yīng)符合表1的規(guī)定，不在表格內(nèi)的合金成分范圍按GB/T 1173的規(guī)定執(zhí)行。

4.1.2 對(duì)于Al-Si系需要變質(zhì)處理的合金，應(yīng)在不降低合金使用性能的前提下，允許采用除鈉鹽以外的其他變質(zhì)劑（如Al-Sr中間合金）或變質(zhì)方法。

4.1.3 精煉劑如Ti、B或中間合金中含有形核顆粒如TiB2不能當(dāng)成雜質(zhì)，但其含量范圍應(yīng)該由供需雙方協(xié)商確定。

4.1.4 如不要求進(jìn)行晶粒細(xì)化或者可以用其他方法達(dá)到細(xì)化目的，則Ti的最小含量不作要求。

4.2 熔體制備

4.2.1 配制鑄造鋁合金所用的主要材料和相應(yīng)的輔助材料應(yīng)符合QJ 1182A 中表3和表4的規(guī)定。

4.2.2 配制鑄造鋁合金所用的中間合金，自行制備時(shí)應(yīng)符合QJ 1182A 中第5部分的規(guī)定；若中間合金采用外購(gòu)的形式，鋁中間合金的成分及雜質(zhì)的規(guī)定應(yīng)符合GB/T 27677或YS/T 282的規(guī)定。

4.2.3 回爐料按質(zhì)量情況分為三級(jí)：

一級(jí)為不因化學(xué)成分不合格而報(bào)廢的鑄件、大澆道等；

二級(jí)為排溢系統(tǒng)，如渣包等；

三級(jí)為金屬濺屑、碎小廢料、坩堝底料及被油污等污染的渣包等。

已知化學(xué)成分的一級(jí)回爐料可直接用于配料。

4.2.4 按 QJ 169 要求的Ⅰ類鑄件，只允許使用一級(jí)回爐料；Ⅱ、Ⅲ類鑄件允許使用一、二級(jí)回爐料；三級(jí)回爐料不允許用于航天產(chǎn)品的生產(chǎn)。一級(jí)回爐料用量一般應(yīng)不超過(guò)爐料重量的65%；二級(jí)回爐料一般應(yīng)不超過(guò)爐料重量的35% ；Ⅱ類鑄件回爐料用量應(yīng)不超過(guò)爐料總量的70%。

4.2.5 裝料前，爐料應(yīng)吹砂或用其它方法去除爐料表面上的銹跡、泥沙等污物，在350℃～450℃保溫2h 以上。鎂、鋅、稀土等金屬爐料允許在爐旁預(yù)熱。

4.2.6 在保證鑄件針孔度級(jí)別等內(nèi)在質(zhì)量要求的前提下，爐料允許隨爐預(yù)熱。

4.2.7 根據(jù)坩堝容量，應(yīng)同時(shí)或分批裝入回爐料、新料、以及中間合金（鋁—稀土、鋁—鍶除外），待其全部熔化后，控制合金液溫度至680℃～700℃，按工作合金要求加入鋅、鎂等元素。鋁鈦中間合金可分兩批加入，第一批（約占加入總量的65%～75%）隨其它爐料一起加入；第二批在合金除氣前加入。鎂可在合金除氣后加入。

4.2.8 熔煉過(guò)程中，合金液最高溫度應(yīng)不超過(guò) 780℃。坩堝底部余料高度應(yīng)不小于80 mm。

4.3 熔體除氣處理

4.3.1 爐料全部熔化后，應(yīng)采用氮?dú)饣驓鍤膺M(jìn)行除氣處理。

4.3.2 將鋁合金熔體加熱到700℃～740℃，用純氮?dú)饣驓鍤膺M(jìn)行處理，除氣時(shí)間10～20min，除氣后靜置10～20min。

4.3.3 使用純氮?dú)狻⒓儦鍤獬龤馇?，首先?yīng)檢查除氣機(jī)上各閥門和儀表是否正常工作，檢查干燥劑是否有效，并對(duì)旋轉(zhuǎn)除氣機(jī)的噴頭和轉(zhuǎn)桿清理后進(jìn)行預(yù)熱。除氣時(shí)，先打開(kāi)通氣閥門，將旋轉(zhuǎn)噴頭緩緩地降至適當(dāng)位置（合金液面以下約2/3 處），開(kāi)啟旋轉(zhuǎn)按鈕，調(diào)整轉(zhuǎn)速，然后調(diào)節(jié)氣瓶開(kāi)關(guān)以控制氣體流量，直到整個(gè)液面均勻彌散地冒出細(xì)小的氣泡為止。除氣完畢，先關(guān)閉旋轉(zhuǎn)按鈕，將噴頭升至液面以上，將旋轉(zhuǎn)噴吹機(jī)移到一邊，關(guān)閉通氣閥門，除渣靜置，準(zhǔn)備澆注。

4.3.4 合金液自第一次除氣至澆注結(jié)束的時(shí)間間隔一般不超過(guò)2h。若需進(jìn)行二次除氣時(shí)，第二次除氣至澆注結(jié)束的時(shí)間間隔一般不超過(guò)1h，但總的熔煉時(shí)間應(yīng)符合4.3.9 的規(guī)定。壓鑄合金每次除氣至澆注結(jié)束的時(shí)間間隔一般不超過(guò)4h。

4.3.5 其他除氣細(xì)節(jié)按照 YS/T 601 的要求執(zhí)行。

4.4 變質(zhì)處理

4.4.1 按鑄造鋁合金熔煉工藝要求，合金液一般進(jìn)行變質(zhì)處理。

4.4.2 鑄造鋁合金常用變質(zhì)劑有鋁稀土中間合金和鋁鍶變質(zhì)劑。

4.4.3 一般在澆鑄前30min加入變質(zhì)劑，變質(zhì)劑的加入溫度為720℃～740℃，具體的變質(zhì)工藝與參數(shù)應(yīng)符合QJ 1182A 中6.3部分的規(guī)定。

4.5 半固態(tài)漿料制備

4.5.1 對(duì)于檢驗(yàn)合格的鋁合金熔體，基于合金種類的不同，在不同的溫度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)移至半固態(tài)制漿設(shè)備中，熔體溫度一般在合金液相線溫度至合金液相線溫度以上50℃范圍內(nèi)，通過(guò)相應(yīng)的制漿工藝，制備半固態(tài)流變漿料。

4.5.2 基于3.2所述的不同半固態(tài)流變途徑，制備得到滿足3.1所述的半固態(tài)漿料。半固態(tài)漿料按照3.4計(jì)算半固態(tài)漿料固相分?jǐn)?shù)，按照3.5和3.6定義半固態(tài)漿料種類。

4.5.3 各種合金由于合金性質(zhì)的不同，制漿工藝參數(shù)不同。

4.6 半固態(tài)流變成形

4.6.1 半固態(tài)流變成形工藝是將鋁合金錠熔化到完全液態(tài)熔體狀態(tài)，通過(guò)相應(yīng)的流變途徑，制備得到半固態(tài)漿料，隨后將漿料轉(zhuǎn)移至模具型腔，通過(guò)一次成形的方式，制備得到致密鑄件的成形工藝，具體流程見(jiàn)圖1。

4.6.2 將半固態(tài)漿料，根據(jù)選定的流變成形工藝，通過(guò)一次成形制備高密度鑄件，鑄件相關(guān)的技術(shù)要求應(yīng)符合GB/T 9438或GB/T 15114的規(guī)定。

4.7 熱處理

4.7.1 半固態(tài)流變成形鑄件的熱處理狀態(tài)代號(hào)按 GB/T 1173 的規(guī)定執(zhí)行。

4.7.2 熱處理前對(duì)加熱爐、溫控設(shè)備、固溶冷卻槽等設(shè)備狀況檢查，確保完好。

4.7.3 鑄件表面油污及贓物及時(shí)清理，確保入爐前干凈。

4.7.4 常見(jiàn)半固態(tài)流變成形合金的熱處理制度見(jiàn)附錄A。不在附錄中的熱處理制度應(yīng)符合 GB/T 25745的規(guī)定。

4.7.5 熱處理后的鑄件應(yīng)無(wú)裂紋、表面鼓泡、氧化變黑和變形。外觀檢查時(shí)采用目視或10倍以下放大鏡觀察。

4.7.6 熱處理后的金相組織不允許存在過(guò)燒組織。金相檢查項(xiàng)目及要求由供需雙方確定。

5 試驗(yàn)方法

5.1 化學(xué)成分

5.1.1 合金中的主要元素和主要雜質(zhì)元素（由需方確定）為必檢元素，其余雜質(zhì)元素僅在需方要求時(shí)才進(jìn)行分析，化學(xué)成分應(yīng)按照 GB/T 7999的規(guī)定執(zhí)行。當(dāng)分析結(jié)果有爭(zhēng)議時(shí)，應(yīng)按GB/T 20975進(jìn)行仲裁。鑄件本體化學(xué)成分檢測(cè)頻率為每批次取樣一組。

5.1.2 分析數(shù)值的判定采用修約比較法，數(shù)值修約規(guī)則按 GB/T 8170 的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

5.2 熔體質(zhì)量的爐前檢驗(yàn)

5.2.1 鋁合金熔體澆鑄前需要對(duì)熔體質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，主要包括化學(xué)成分、含氫量和含渣量檢測(cè)。

5.2.2 鋁合金熔體的成分檢測(cè)應(yīng)符合GB/T 8733 的規(guī)定。

5.2.3 鋁合金熔體含氫量檢測(cè)應(yīng)符合YS/T 600 的規(guī)定，且合金熔體含氫量不超過(guò)0.18cm3/100g Al。

5.2.4 需方對(duì)夾渣量有要求時(shí)，由供需雙方協(xié)商確定后再訂貨單（或合同）中注明具體等級(jí)。夾渣量含量檢驗(yàn)應(yīng)符合YS/T 1004 附錄B的規(guī)定。鑄錠夾渣量等級(jí)應(yīng)符合表2的規(guī)定。

5.3 顯微組織

5.3.1 顯微組織檢驗(yàn)應(yīng)符合GB/T 3246.1的規(guī)定

5.3.2 半固態(tài)流變成形工藝制備的鑄態(tài)組織主要由初生α-Al和液態(tài)（主要是共晶）凝固組織組成，包含少量的強(qiáng)化相。初生α-Al形貌為非枝晶（主要為球晶或近球晶），允許少量形貌為薔薇狀或菊花狀。半固態(tài)鋁合金鑄件的典型微觀組織見(jiàn)附錄C。

5.3.3 微觀組織評(píng)價(jià)參數(shù)包括初生α-Al大小、形狀因子和體積分?jǐn)?shù)。

5.3.4 初生α-Al晶粒大小根據(jù) GB/T 6394 中的直線截點(diǎn)法進(jìn)行評(píng)價(jià)。

5.3.5 初生α-Al形狀因子S表征顆粒的圓整度，其中A是顆粒面積，P是周長(zhǎng)：

5.3.6 初生α-Al體積分?jǐn)?shù)f：初生α-Al顆粒的面積比近似為體積分?jǐn)?shù)。

5.4 室溫拉伸力學(xué)性能

5.4.1 室溫拉伸力學(xué)性能檢驗(yàn)根據(jù)GB/T 228.1的規(guī)定執(zhí)行。

5.4.2 半固態(tài)流變成形低固相鋁合金典型力學(xué)性能應(yīng)滿足表3的規(guī)定。

5.4.3 半固態(tài)流變成形高固相鋁合金典型力學(xué)性能應(yīng)滿足表4的規(guī)定。

5.4.4 當(dāng)拉伸試驗(yàn)所需試樣為單鑄試樣時(shí)，應(yīng)保證該試樣與鑄件采用的鑄造工藝相同，并在同一時(shí)間來(lái)自同一爐次。如果需要熱處理，這些試樣應(yīng)該和鑄件一同進(jìn)行熱處理。單鑄試棒的示意圖見(jiàn)附錄B。

5.4.5 如試樣取自鑄件本體，其幾何形狀、位置、檢驗(yàn)頻率和有關(guān)數(shù)據(jù)需供需雙方協(xié)商確定。取自鑄件本體的試樣，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度測(cè)得值不能低于單鑄試棒的80%，伸長(zhǎng)率一般不得低于單鑄試棒的70%（針對(duì)特殊零件需供需雙方協(xié)商決定）。

6 檢驗(yàn)規(guī)則

6.1 任一試樣的化學(xué)成分不合格時(shí)，判定該批產(chǎn)品不合格。

6.2 任一試樣的含氫量檢驗(yàn)結(jié)果不合格時(shí)，應(yīng)對(duì)雙份備樣進(jìn)行檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果全部合格，則判該批產(chǎn)品合格；如其中仍有不合格，判該批產(chǎn)品不合格。

6.3 任一試樣的含渣量檢驗(yàn)結(jié)果不合格時(shí)，應(yīng)對(duì)雙份備樣進(jìn)行檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果全部合格，則判該批產(chǎn)品合格；如其中仍有不合格，判該批產(chǎn)品不合格。

6.4 單鑄試樣的熱處理必須與同一批次鑄件同爐熱處理。

6.5 一個(gè)熔煉爐次合金，首次送檢三根鑄態(tài)或熱處理狀態(tài)的單鑄拉伸試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。任一試樣的室溫拉伸力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果不合格時(shí)，取雙倍數(shù)量的試樣重復(fù)檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果全部合格，則判定該批產(chǎn)品合格；若其中仍有產(chǎn)品不合格，判該批產(chǎn)品不合格。

6.6 當(dāng)拉伸試樣存在鑄造缺陷或由于試驗(yàn)本身故障造成檢驗(yàn)結(jié)果不合格的，不計(jì)入檢驗(yàn)次數(shù)，但是需要更換試樣重新送檢。

附 錄 A （資料性附錄） 推薦的半固態(tài)流變成形鋁合金鑄件熱處理工藝規(guī)范

表A.1 半固態(tài)鋁合金鑄件熱處理工藝參數(shù)

附 錄 B （資料性附錄） 推薦的半固態(tài)鋁合金流變壓鑄單鑄試樣壓鑄圖樣

B.1 低固相半固態(tài)鋁合金流變壓鑄單鑄試樣壓鑄圖樣

附 錄 C （資料性附錄）

鋁合金半固態(tài)流變成形鑄件微觀組織

C.1 鋁合金半固態(tài)流變成形鑄件微觀組織