充型速度對半固態(tài)A lSi9M g組織及性能的影響

譚建波,劉 冉,郝躍光

(河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,河北石家莊 050018)

充型速度對半固態(tài)A lSi9M g組織及性能的影響

譚建波,劉 冉,郝躍光

(河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,河北石家莊 050018)

采用傾斜冷卻剪切流變法制備半固態(tài)A lSi9M g合金熔體,流變壓鑄標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)性能試樣并進(jìn)行了力學(xué)性能測定,用定量金相技術(shù)對力學(xué)性能試樣的初生固相微觀組織特征參數(shù)(固相率、晶粒尺寸和形狀因子)進(jìn)行了分析,研究了充型速度對半固態(tài)A lSi9M g合金組織及性能的影響。研究結(jié)果表明:隨著充型速度的提高,A lSi9Mg合金組織的初生固相率和形狀因子先增大后減小,晶粒平均直徑先變小后變大,力學(xué)性能也發(fā)生很大變化,布氏硬度隨充型速度的增大而增大,但抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性分別增大到275 MPa和129.8 k J/m2后又開始下降。本實(shí)驗(yàn)條件下合理的充型速度為1.9 m/s左右。

充型速度;A lSi9M g;微觀組織;半固態(tài);力學(xué)性能

壓力鑄造因生產(chǎn)效率高、尺寸精確、適于大批量生產(chǎn)鋁合金、鎂合金鑄件,因此得到了廣泛應(yīng)用。目前,限制壓鑄技術(shù)應(yīng)用的主要問題是壓鑄件的多孔性以及由此帶來的強(qiáng)度問題。多孔性導(dǎo)致壓鑄件力學(xué)性能下降,通常無法進(jìn)行熱處理,從而限制了壓鑄件應(yīng)用范圍的擴(kuò)大[1]。為了提高壓鑄件的致密度,目前主要有兩大技術(shù):以真空壓鑄為代表的直接消除型腔氣體法和以半固態(tài)壓鑄(包括流變壓鑄和觸變壓鑄)為代表的層流壓鑄法[2]。其中半固態(tài)流變壓鑄由于生產(chǎn)成本低,工藝流程短,生產(chǎn)效率高,成形件的性能、質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)性等方面都具有極強(qiáng)的競爭力,受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注[3-5]。盡管人們在半固態(tài)流變壓鑄技術(shù)以及理論方面的研究工作已取得了一些研究成果[6-9],但在成形工藝參數(shù)方面的研究還是不夠深入,因此有必要繼續(xù)深入研究。筆者采用自制的傾斜流變裝置制備半固態(tài)合金熔體并直接進(jìn)行流變壓鑄,研究了充型速度對半固態(tài)A lSi9M g組織及性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)所用材料為 A lSi9Mg合金,成分為9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)Si,0.4%M n,0.25%Mg,余量為A l。實(shí)際測得合金的液相線為595℃,固相線為555℃。

1.2 方法

采用傾斜冷卻剪切流變法制備半固態(tài)合金熔體,實(shí)驗(yàn)設(shè)備為自行設(shè)計(jì)、振動頻率可調(diào)的傾斜冷卻剪切裝置[10],流變壓鑄原理示意圖如圖1所示。

根據(jù)文獻(xiàn)[10]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,實(shí)驗(yàn)條件如下:傾斜板的傾斜角度為30°,預(yù)熱溫度為120℃,澆注溫度為600℃,澆注長度為600mm,振動頻率為50 H z,澆注量為260 g(通過澆注勺容積控制),保壓時(shí)間為5 s。改變充型速度,進(jìn)行流變壓鑄。待試樣凝固后,頂出試樣,測定力學(xué)性能。成形試樣沿長度方向截取,在相同高度上截取相等長度的試樣制成金相試樣,用定量金相技術(shù)測定初生固相的微觀組織特征參數(shù),成形的流變壓鑄試樣如圖2所示。

試樣用4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的NaOH溶液侵蝕。利用圖像分析技術(shù)測定水淬組織中初生固相的平均周長、平均尺寸,計(jì)算初生固相晶粒的尺寸和形狀因子[10]。為了減小誤差,對每個(gè)試樣的6-8個(gè)視場進(jìn)行了測量,然后取其平均值作為該試樣初生固相的組織特征。

2 結(jié)果與討論

2.1 充型速度對半固態(tài)A lSi9M g合金組織的影響

選取壓射比壓力為75 M Pa,模具預(yù)熱溫度為160℃,充型速度分別取1.5,1.9,2.3 m/s。將不同充型速度下的成形試樣沿長度方向截取,在相同高度上截取相等長度的試樣制成金相試樣,觀察其組織,見圖 3。

在充型速度較低(1.5m/s)時(shí),初生相晶粒尺寸相對較大,形貌不圓整,一次枝晶臂較粗大,還有二次枝晶出現(xiàn),如圖3 a)所示。當(dāng)充型速度增加到1.9m/s時(shí),晶粒之間經(jīng)過激烈碰撞和摩擦,初生相被細(xì)化,晶粒較圓整,如圖3 b)所示。當(dāng)充型速度繼續(xù)增大(2.3 m/s)時(shí),又會有二次枝晶出現(xiàn),晶粒圓整度降低,見圖3 c)。利用圖像分析軟件對半固態(tài)A lSi9Mg合金不同充型速度下壓鑄試棒的組織特征進(jìn)行分析,得到組織特征隨充型速度的變化曲線,如圖4所示。

由圖4可以看出,初生固相率(fs)隨充型速度(x)的增大呈線性減小,根據(jù)回歸系數(shù)的點(diǎn)估計(jì)法建立一次線性回歸方程為

圖3 不同充型速度下半固態(tài)A lSi9M g合金組織Fig.3 M ic rostructure of sem i-so lid A lSi9M g alloys in different filling ve locities

隨著充型速度的增加,晶粒大小先減小到64μm后又增大,形狀因子先增加到0.69后又開始減小,對充型速度與晶粒大小(Is)、形狀因子(Fc)進(jìn)行回歸分析,建立非線性回歸方程分別為

當(dāng)半固態(tài)A lSi9M g在較小的充型速度下充型時(shí),合金流動速度較慢,充型過程中晶粒之間的碰撞不激烈,沒有足夠的能量使得晶粒尖角圓鈍,初生相有足夠的時(shí)間長大、集聚,所以晶粒尺寸較大,圓整度較低。隨著充型速度的增加,合金熔體充填能力越大,紊亂程度也就隨之增大,晶粒與晶粒之間碰撞的幾率也大大提高,組織相對較好。當(dāng)充型速度繼續(xù)增大時(shí),與模具型腔接觸先凝固的固相晶粒在高剪切速率的作用下易進(jìn)入合金內(nèi)部,從而在合金熔體中產(chǎn)生新的α相,增加了初生相的數(shù)量,這些新相與原來的相互黏結(jié)在一起,使晶粒的圓整度下降。由此可見,充型速度并非越大越好,本實(shí)驗(yàn)選取的充型速度為1.9m/s。

2.2 充型速度對半固態(tài)A lSi9Mg合金性能的影響

圖4 充型速度與組織特征之間的關(guān)系Fig.4 Relation between filling velocity and structure character

在壓射比壓為75 MPa,充型速度分別為1.5,1.9,2.3m/s時(shí)對流變壓鑄成形的試樣進(jìn)行抗拉強(qiáng)度、布氏硬度及沖擊韌性等力學(xué)性能的測定,結(jié)果見表1。根據(jù)表1可繪制充型速度與力學(xué)性能的關(guān)系曲線,如圖5所示。

由圖5可以看出,半固態(tài)A lSi9M g合金的抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性隨著充型速度的增加先增大后減小,曲線為拋物線;而布氏硬度隨著充型速度的增加是一直增大的,具有線性關(guān)系。

表1 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Experimental results ofmechanical p roperty

根據(jù)表1建立充型速度(x)與抗拉強(qiáng)度(σ)、布氏硬度(y)、沖擊韌性(α)的回歸方程分別為

當(dāng)充型速度比較低時(shí),由于半固態(tài)合金熔體溫度較低,流動很慢,合金以層流的方式充型,導(dǎo)致充型不充分,致使遠(yuǎn)離澆道部位的收縮得不到充分補(bǔ)償,從而形成較多的縮松、澆不足等缺陷。當(dāng)充型速度較大時(shí),縮短了充型時(shí)間,半固態(tài)A lSi9Mg合金將以紊流的方式充型,合金的流動能力增加,能夠很好地補(bǔ)縮晶粒之間的縮孔,使組織更加致密,提高了力學(xué)性能。但是當(dāng)充型速度增加到一定程度時(shí),由于合金流動能力很強(qiáng),合金以高速紊流充型,壓鑄模中的氣體在很短的時(shí)間內(nèi)來不及排出,使鑄件中存在氣孔、夾雜等缺陷,降低了鑄件力學(xué)性能。所以充型速度為1.9 m/s時(shí)比較合適。

3 結(jié) 語

隨著充型速度的提高,A lSi9M g合金組織的初生固相率和形狀因子先增大后減小,晶粒平均直徑先變小后變大;力學(xué)性能也發(fā)生很大變化,布氏硬度隨充型速度的增大而增大;但抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性分別增大到275 MPa和129.8 k J/m2后又開始下降。在本實(shí)驗(yàn)條件下,合理的充型速度為1.9m/s左右。

圖5 充型速度與力學(xué)性能的關(guān)系Fig.5 Relation between filling velocity and mechanical p roperty

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In fluence of filling velocity on semi-solid microstructures and p roperties of A lSi9Mg alloy

TAN Jian-bo,LIU Ran,HAO Yue-guang
(College of Material Science and Engineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang Hebei 050018,China)

Sem i-so lid A lSi9Mg alloy melt and corresponding standard test specimens w ere p repared by rheo-diecasting p rocess on incline cooling and shearing bench.Then the specimens were tested on their mechanical properties.The characteristic parameters of p rimary solid phase(including solid fraction,diameter of grains and shape factor)w ere analyzed th rough quantitativemetallographic techniques.The influence of fulling velocity on the sem i-solid m icrostructures and properties of A lSi9Mg were researched into.The resu lts show that:the p rimary solid fraction and shape factor of A lSi9Mg alloy first increase and then dec rease,and the average diameter of grains becomes smaller at first and then becomes bigger along with the increase of the filling velocity.Simultaneously theirmechanical properties change significantly,the Brinell hardness increases along with the filling velocity,but the tensile strength and im pact toughness increase respectively to 275 MPa and 129.8 k J/m2,and then begin to decline.In this experiment,a reasonab le rate of filling is about 1.9m/s.

filling velocity;A lSi9Mg;m icrostructure;sem i-so lid;mechanica l p roperties

TG146.4

A

book=32,ebook=41

1008-1542(2011)02-0173-04

2010-07-16;

2010-12-31;責(zé)任編輯:張士瑩

河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E2010000880);河北科技大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(10001)

譚建波(1964-),男,河北定州人,教授,博士,主要從事半固態(tài)成形技術(shù)與理論方面的研究。