半連續(xù)鑄造4032合金組織和硬度分析

王玉鳳，王國(guó)軍，劉科研，林 森，寧志良

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001；2.東北輕合金有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150060）

材料的組織對(duì)其力學(xué)性能具有決定性的作用，為了使材料達(dá)到理想的力學(xué)性能，人們不斷調(diào)整成分、改善工藝以求獲得理想的組織從而達(dá)到使用所需的力學(xué)性能。在Al-Si系合金中，作為基體的α-Al相的細(xì)化[1-3]和作為增強(qiáng)相的Si的變質(zhì)[4-5]一直是研究的重點(diǎn)，而綜合研究大型4032合金鑄錠組織與溫度場(chǎng)分布及其力學(xué)性能兩者之間關(guān)系的文獻(xiàn)尚少。共晶Al-Si合金由于其在非平衡凝固時(shí)偽共晶區(qū)偏向硅一側(cè)，在溫度降低過(guò)程中，共晶成分的液相不會(huì)過(guò)冷到偽共晶區(qū)內(nèi)，只有先結(jié)晶出α-Al相，α-Al相向液體中排出Si溶質(zhì)原子，當(dāng)界面前沿液相中的Si溶質(zhì)原子到達(dá)一定濃度時(shí)才能發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，所以其組織與亞共晶組織相似[6]。α-Al枝晶組織是亞共晶鋁硅合金鑄件中常見(jiàn)組織，枝晶的微觀(guān)偏析程度取決于枝晶間距，而且在鑄件隨后的均勻化熱處理過(guò)程中，微觀(guān)偏析的消除也依賴(lài)于枝晶間距，因此鑄件的機(jī)械性能與枝晶間距密切相關(guān)。

本文以半連續(xù)鑄造大型4032合金鑄錠為研究對(duì)象，結(jié)合Procast溫度場(chǎng)分布模擬，旨在獲得4032合金α-Al枝晶二次枝晶臂間距（SDAS）與冷卻速度及其硬度之間的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為半連續(xù)鑄造4032鋁合金，鑄錠規(guī)格為φ482mm，其實(shí)測(cè)成分如表1所示。

表1 4032 鋁合金成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

1.2 變質(zhì)工藝及鑄造工藝參數(shù)

實(shí)驗(yàn)采用復(fù)合Na鹽（NaF+KCl+NaCl+Na3AlF6）變質(zhì)。變質(zhì)前需先用氬氣對(duì)熔體精煉15 min，靜置10min，在熔體溫度不低于770℃時(shí)加入預(yù)熱好的變質(zhì)劑并進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，靜置30min后打掉表面硬殼進(jìn)行澆鑄。鑄造工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

1.3 溫度場(chǎng)分布模擬

數(shù)值模擬使用的軟件包是PROCAST 2008.0。為了獲得較好的收斂性，對(duì)鑄錠采用均勻網(wǎng)格剖分。網(wǎng)格剖分結(jié)果如圖1所示，最小網(wǎng)格尺寸為10mm，總節(jié)點(diǎn)數(shù)為72855，總剖分網(wǎng)格數(shù)為396085。4032合金的主要熱物性參數(shù)見(jiàn)表3[7]，其中密度、熱導(dǎo)率、比熱等值是隨著溫度變化而變化的，表中只給出了一種溫度室溫（T=20℃）條件下的值。金相分析及部分硬度測(cè)試點(diǎn)如圖1所示。

表2 鑄造工藝參數(shù)

表3 4032鋁合金的熱物性參數(shù)[7]

圖1 1/4鑄錠網(wǎng)格剖分圖

1.4 組織觀(guān)察

組織觀(guān)察試樣的取樣位置為圖1所示節(jié)點(diǎn)位置。將各試樣磨、拋后制成金相試樣，腐蝕劑為0.5%HF，腐蝕時(shí)間10s。利用OLYMPUSPMG3光學(xué)金相顯微鏡進(jìn)行金相分析。

二次枝晶臂間距的測(cè)量在定量金相分析軟件Image Pro6.0上進(jìn)行。首先，在圖1所選節(jié)點(diǎn)附近隨機(jī)選取15個(gè)不同視場(chǎng)，用金相顯微鏡記錄金相組織；隨后，分別在每個(gè)節(jié)點(diǎn)附近15個(gè)不同視場(chǎng)中選取清晰連續(xù)的二次枝晶N個(gè)，測(cè)出其長(zhǎng)度為X，則此枝晶的二次枝晶臂間距為；最后對(duì)每一個(gè)試樣金相的二次枝晶臂間距取平均值

1.5 硬度測(cè)試

采用 HB－3000型布氏硬度計(jì)對(duì) 1、2、6、7、8 號(hào)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的鑄錠實(shí)際位置的布氏硬度（HB）測(cè)量。試驗(yàn)采用5mm直徑鋼球?yàn)閴侯^，載荷2500N，加載后保持30s，每個(gè)樣品測(cè)3個(gè)點(diǎn)，測(cè)量出壓痕直徑，求出平均壓痕直徑，對(duì)應(yīng)查表得到相應(yīng)布氏硬度值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 Procast模擬凝固過(guò)程溫度場(chǎng)分布、溫度梯度及凝固時(shí)間

利用Procast模擬軟件模擬得到連鑄凝固過(guò)程溫度場(chǎng)分布。截取可代表充型階段（step=100）、凝固初期（step=1000）、凝固中期（step=3000）及凝固末期（step=5000）四個(gè)階段的溫度場(chǎng)分布，如圖2所示。

圖2 凝固過(guò)程溫度場(chǎng)分布截圖

圖3為T(mén)=535℃時(shí)經(jīng)計(jì)算得出的凝固溫度梯度（變化范圍約為0℃～15℃）及鑄錠不同部位的凝固時(shí)間（邊緣處的凝固時(shí)間約為4 s，心部的凝固時(shí)間可達(dá) 300s）。

圖3 凝固過(guò)程溫度梯度與凝固時(shí)間

2.2 顯微組織觀(guān)察

圖4為對(duì)應(yīng)模擬測(cè)溫節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)7和節(jié)點(diǎn)8試樣的光學(xué)顯微組織。節(jié)點(diǎn)1為冷卻速度較大的邊緣處，α-Al枝晶較細(xì)，二次枝晶臂間距約為10μm，共晶硅主要呈細(xì)碎的條棒狀，有極少量長(zhǎng)度小于8 μm的初晶硅和小于20μm的多元共晶相出現(xiàn)；節(jié)點(diǎn)7和節(jié)點(diǎn)8處的α-Al枝晶明顯變粗，二次枝晶臂間距約為20μm-40μm，共晶Si仍呈細(xì)碎條棒狀，有少量面積約為300μm2的片狀硅相、長(zhǎng)約20μm～30μm針狀硅鐵相及粗大的多元相。

圖4 鑄錠不同部位顯微組織

在α-Al枝晶與共晶團(tuán)的邊緣富集。冷卻速度從外部到心部逐漸減小的過(guò)程中α-Al枝晶粗化，二次枝晶臂間距依次增大，處于枝晶與鋁硅二元共晶團(tuán)間隙處的硅相和多元共晶相尺寸也呈增大趨勢(shì)。

2.3 硬度

圖5給出了鑄錠不同部位的布氏硬度值。X為所取位置與鑄錠邊緣的距離。所選位置從邊緣到心部變化的過(guò)程中，硬度呈遞減趨勢(shì)。距邊緣約10mm處布什硬度可達(dá)108 HB，應(yīng)為冷凝器對(duì)液態(tài)金屬的激冷作用所致，隨后凝固位置的硬度值下降平緩，從距邊緣20mm處的98 HB降到近中心處的87 HB。

圖5 鑄錠不同部位的硬度值

3 分析與討論

枝晶組織是鑄件中常見(jiàn)的凝固組織，枝晶的微觀(guān)偏析程度取決于枝晶間距。基于Fick定律和Gibbs-Thompson 方 程 ，F(xiàn)urer 和 Wunderlin[8]，Kirkwood[9]和Mortenson[10-11]分別提出了三種二次臂間距理論模型，并分別就三種模型的假設(shè)提出了SDAS與冷卻速度CR、局部凝固時(shí)間tst之間的關(guān)系：

國(guó)內(nèi)科技工作者也通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)得出了以上類(lèi)似的關(guān)系，所選材料涉及鋁合金、鋁硅合金、ZA合金、Cu-Zn 合金、DZ22、Inconel合金、K4169 等等，但不同材料對(duì)應(yīng)的指數(shù)n不同[12-18]。表4列出了本實(shí)驗(yàn)所選測(cè)溫節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的局部凝固時(shí)間、對(duì)應(yīng)鑄錠位置測(cè)得的α-Al二次枝晶臂間距及硬度值。

表4 取樣位置、局部凝固時(shí)間、α-Al二次枝晶臂間距及硬度

模擬所選測(cè)溫節(jié)點(diǎn)位置局部凝固時(shí)間與實(shí)驗(yàn)所測(cè)二次枝晶臂間距的關(guān)系如圖6所示，經(jīng)數(shù)據(jù)擬合后得到。

圖6 局部凝固時(shí)間和二次枝晶臂間距的關(guān)系

4 結(jié) 論

圖7 二次枝晶臂間距與硬度的關(guān)系

半連續(xù)鑄造4032合金錠組織隨凝固時(shí)間的延長(zhǎng)而粗化，且粗化組織對(duì)應(yīng)的硬度降低。具體關(guān)系如下：

1）半連續(xù)鑄造4032合金錠二次枝晶臂間距與局部凝固時(shí)間的關(guān)系為：

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