半固態(tài)壓鑄對(duì)復(fù)合變質(zhì)Al-20Si合金組織和性能的影響

周鵬飛，閻峰云

（蘭州理工大學(xué)，甘肅 蘭州 730050）

半固態(tài)壓鑄對(duì)復(fù)合變質(zhì)Al-20Si合金組織和性能的影響

周鵬飛，閻峰云

（蘭州理工大學(xué)，甘肅 蘭州 730050）

簡(jiǎn)要分析了壓鑄速度對(duì)復(fù)合變質(zhì)的Al－20Si組織和性能的影響。在半固態(tài)觸變壓鑄時(shí)，隨著壓射速度的增加，抗拉強(qiáng)度不斷提高；當(dāng)壓射速度為5m/s時(shí)，抗拉強(qiáng)度達(dá)218MPa。但壓射速度進(jìn)一步提高時(shí)，抗拉強(qiáng)度又呈遞減趨勢(shì)。隨著壓射速度的增大硬度有先下降后增大的趨勢(shì)。

Al－20Si；半固態(tài)；觸變壓鑄；壓射速度

過共晶Al－Si合金是一種重要的鑄造合金，在性能上雖有很多優(yōu)越之處，但是隨著硅含量提高，初晶硅變得十分粗大，通常長成粗大的板塊狀，且當(dāng)含硅量超過18%時(shí)，流動(dòng)性也會(huì)有所下降[1－11]。含硅量的增加使得凝固溫度范圍增大，引起顯微組織中出現(xiàn)粗大的板條狀初生硅，這種初生硅的存在會(huì)嚴(yán)重割裂基體，同時(shí)該合金中的共晶硅相呈現(xiàn)長針狀同樣會(huì)割裂基體，影響合金使用性能，限制了其在工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用。因此，細(xì)化過共晶鋁硅合金中的硅相尤顯重要。本文主要分析了半固態(tài)壓鑄對(duì)復(fù)合變質(zhì)Al－20Si合金組織和性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)過程與方案

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

（1）等溫?zé)崽幚頎t：箱式電阻爐，功率為4.5kW，PID控溫，誤差為±1℃。

（2）壓鑄機(jī)：實(shí)驗(yàn)采用DAK450－54型臥式冷室實(shí)時(shí)控制壓鑄機(jī)。壓鑄機(jī)模具如圖1,試棒尺寸見圖2。主要參數(shù)如下：

鎖模力 5000kN

合模行程 675mm

頂出力 241kN

模具高度 300mm～800mm

模板尺寸 1060mm×1060mm

大杠間距 675mm

大杠直經(jīng) 135mm

壓射位置標(biāo)準(zhǔn) 0～280mm

最大壓射力 548kN

壓射行程 500mm

壓射頭直徑 60mm～100mm

壓射體積 942cm3～2617cm3

比壓 （1936～697）×105Pa/cm2

工作壓力 300×105Pa

（3）模溫機(jī)及模具加熱：實(shí)驗(yàn)中使用ROBAMAT公司的5212型模溫機(jī)對(duì)模具進(jìn)行預(yù)熱，該模溫機(jī)通過高溫載熱油的方式對(duì)模具進(jìn)行加熱，其最高加熱溫度為350℃。

1.2 觸變壓鑄實(shí)驗(yàn)

Al－20Si中間合金經(jīng)過重熔、精煉和變質(zhì)（4%CuP10+1%AlSr13+15%Al－RE10），澆注成 ?75mm×120mm圓柱形坯料。使用前加工成?70mm×100mm的錠料。二次重熔在4.5kW箱式電阻爐中進(jìn)行。

在半固態(tài)壓鑄試驗(yàn)中，保溫溫度630℃，保溫時(shí)間45min，主要調(diào)整壓射速度，分析不同壓射速度對(duì)合金組織和性能的影響。壓射速度分別為1m/s、2m/s、3m/s、4m/s、5m/s、6m/s、7m/s。其他壓鑄工藝都固定不變。增壓壓力300MPa，增壓時(shí)間30ms，壓鑄模具溫度260℃，壓室溫度360℃。

1.3 力學(xué)性能檢測(cè)

拉伸試驗(yàn)使用WDW－100D型號(hào)微機(jī)控制電子式萬能材料試驗(yàn)機(jī)，精度等級(jí)0.5，拉伸速度為0.5mm/min。同一工藝條件下做3個(gè)拉伸試樣，測(cè)定試樣的室溫拉伸性能，取其平均值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同壓射速度對(duì)組織形貌和性能的影響

圖3是不同壓射速度對(duì)復(fù)合變質(zhì)Al－20Si合金顯微組織的影響。從圖中可以看出，α相都比較圓整但尺寸不一樣，隨著壓射速度的增大，α相顆粒的尺寸先增大后減小再增大。壓射速度較小時(shí)，初晶硅比較粗大，棱角比較鈍，共晶硅顯示出長針狀，如圖3a。繼續(xù)增大速度時(shí)，初晶硅顯著變小，共晶硅也隨著變細(xì)小，如圖3b～d。當(dāng)壓射速度達(dá)到5m/s時(shí)，初晶硅非常圓整，共晶硅也呈蠕絮狀分布，在圖3e中可以看出。繼續(xù)增大壓射速度時(shí)，初晶硅變化不大，但共晶硅相開始長大，如圖3f、g。

圖4顯示了壓射速度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系，從圖中可以看出抗拉強(qiáng)度隨壓射速度有先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)壓射速度為1m/s時(shí)，抗拉強(qiáng)度為155MPa;隨著壓射速度的增加，抗拉強(qiáng)度不斷提高；當(dāng)壓射速度為5m/s時(shí)，抗拉強(qiáng)度達(dá)218MPa。但壓射速度進(jìn)一步提高時(shí)，抗拉強(qiáng)度又呈遞減趨勢(shì)。

圖5是硬度大小隨壓射速度變化的柱狀圖。從圖中可以直觀的看出隨著壓射速度的增大硬度有先下降后增大的趨勢(shì)，當(dāng)速度從1m/s上升到3m/s時(shí)，試樣的硬度變化不大，總體顯示下降趨勢(shì)；當(dāng)速度從3m/s上升到7m/s時(shí)，硬度值快速上升。經(jīng)分析在高速充型時(shí)，由于冷卻速度快導(dǎo)致壓鑄件表面層組織十分細(xì)小，在鑄件表面形成致密的金屬殼，導(dǎo)致了硬度值的上升。壓鑄成形件存在表面細(xì)晶區(qū)和內(nèi)部粗晶區(qū)，壓射速度增加使金屬表層晶粒細(xì)小而硬度上升。

2.2 不同壓射速度對(duì)合金斷口形貌的影響

從圖6合金斷口形貌中可以大致看出，無論壓射速度多大，基本沒有韌窩的存在，所以對(duì)于高硅鋁硅合金而言可以說是脆性斷裂。從圖中還可以看出斷口基本都是沿晶斷裂，也有穿晶斷裂的跡象（圖6h），但主要還是以沿晶斷裂為主。從圖6中a～g可以看出當(dāng)壓射速度為5m/s時(shí)硅相的尺寸最小，即圖e中的凹坑直徑最小，也最圓整，這在很大程度上表明初晶硅相的形貌和尺寸是影響合金抗拉強(qiáng)度的關(guān)鍵性因素。所以在制備半固態(tài)漿料時(shí)還應(yīng)該把重點(diǎn)放在初晶硅的細(xì)化上，同時(shí)還應(yīng)該考慮硅相和鋁基體的結(jié)合強(qiáng)度，這從圖中的沿晶斷裂可以看出，說明Al-Si原子的結(jié)合遠(yuǎn)不如Al-Al、Si-Si的結(jié)合力。同時(shí)當(dāng)壓射速度超過5m/s時(shí)，從圖6中f、g可以看出有明顯的氣孔存在，這表明當(dāng)壓射速度過大，成型零件中會(huì)存在氣孔，這將嚴(yán)重影響材料的力學(xué)性能；在壓射速度較低的情況下，從圖6中a～c也可以看到有氣孔的存在，因此在壓鑄成型中應(yīng)該調(diào)整好壓射速度。

2.3 壓鑄成型機(jī)理分析

從以上的數(shù)據(jù)分析來看，經(jīng)過4%CuP10+1%AlSr13+15%AlRE10變質(zhì)的Al-20Si合金半固態(tài)壓鑄試樣，其力學(xué)性能的影響規(guī)律為壓鑄件的抗拉強(qiáng)度隨著壓鑄速度的提高先提高后下降；當(dāng)達(dá)到一定的壓鑄速度時(shí)(5m/s)，其抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到最大值。然后隨著壓鑄速度的繼續(xù)提高，其抗拉強(qiáng)度又開始下降。綜上分析表明，在大約5m/s的壓鑄速度下,半固態(tài)壓鑄件具有最佳的綜合力學(xué)性能。根據(jù)粘性流體流動(dòng)形式的雷諾公式判據(jù)：

式中:η和ρ分別為料漿的粘度和密度；d為內(nèi)澆道的直徑；v為壓鑄速度。當(dāng)R e≤2300，流體為層狀流動(dòng)；當(dāng)R e>2300，流體為紊流流動(dòng)。

在本試驗(yàn)中，d內(nèi)澆道=37.5mm，ρ=2700kg/m3，η=0.95Pa·s，V內(nèi)澆道臨界=21.5m/s。

由 π×（d內(nèi)澆道/2）2×V內(nèi)澆道臨界=π×（d料缸直徑/2）2×V壓頭

得V壓頭=4.74m/s

計(jì)算結(jié)果與實(shí)際最佳壓頭速度5m/s幾乎一樣，因此從理論上同樣也可以近似的推算出最佳的壓射速度。

金屬半固態(tài)料漿也具有粘性流體的一般特性，為此本文嘗試應(yīng)用雷諾公式對(duì)鋁合金半固態(tài)壓鑄過程流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行判斷。

從式（1）可知，在低速下，其料漿流動(dòng)時(shí)的雷諾數(shù)值就較小，有可能就低于臨界值（2300），因此料漿將以層流的方式進(jìn)行充型，但由于速度過低，會(huì)造成充型不充分，成形件的致密度較差，相應(yīng)性能也較差。在高速下，雖然其充型很充分、壓鑄件外觀質(zhì)量也很好，但由于壓鑄速度過大，則料漿的雷諾數(shù)可能會(huì)超過臨界值（2300），坯料將以紊流的方式進(jìn)行充型，這樣會(huì)在成形件內(nèi)部形成卷氣、疏松等缺陷，因此力學(xué)性能必然會(huì)下降。而當(dāng)壓鑄速度比較適中時(shí)，料漿的充型不僅比較充分，而且料漿的雷諾數(shù)值可能接近臨界值2300，這樣就以層流的流動(dòng)形式進(jìn)行充型，因此成形件外觀光潔，微觀組織致密，綜合力學(xué)性能表現(xiàn)較好。有研究者認(rèn)為速度過快時(shí)，形成的金屬殼非常薄，冷卻凝固過程中產(chǎn)生的收縮應(yīng)力全部由極薄的金屬殼層承擔(dān)，在應(yīng)力超過金屬殼層的極限強(qiáng)度后，金屬殼層發(fā)生撕裂。同時(shí)，后續(xù)填充的高溫金屬液從金屬殼層的表面流過時(shí)，雖然裂紋深處被焊合，但在表面已形成許多顯微裂紋。這樣可能導(dǎo)致硬度在速度提高時(shí)會(huì)下降；同時(shí)壓鑄成形件存在表面細(xì)晶區(qū)和內(nèi)部粗晶區(qū)，壓射速度增加使金屬表層晶粒細(xì)小，同時(shí)也使內(nèi)部晶粒變小，從而提高拉伸性能。在拉伸試驗(yàn)時(shí)，整個(gè)截面承受載荷，裂紋由內(nèi)部萌生而擴(kuò)展到表面，這個(gè)過程內(nèi)部粗晶粒區(qū)起主要作用。

3 結(jié)語

（1）隨著壓射速度的增加，抗拉強(qiáng)度不斷提高；當(dāng)壓射速度為5m/s時(shí)，抗拉強(qiáng)度達(dá)218MPa。但壓射速度進(jìn)一步提高時(shí)，抗拉強(qiáng)度又呈遞減趨勢(shì)。

（2）隨著壓射速度的增大，硬度有先下降后增大的趨勢(shì)。經(jīng)分析，在高速充型時(shí)，由于冷卻速度快導(dǎo)致壓鑄件表面層組織十分細(xì)小，在鑄件表面形成致密的金屬殼，導(dǎo)致了硬度值的上升。壓鑄成形件存在表面細(xì)晶區(qū)和內(nèi)部粗晶區(qū)，壓射速度增加使金屬表層晶粒細(xì)小而硬度上升。

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The Effection on M icrostructural and Performance of Al-20Si w ith Com posite M etam orphic by Sem i-Solid Form ing

ZHOU PengFei，YAN FengYun
（Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,Gansu China）

The influence of the injection speed on microstructure and performance of semi-solid formed Al-20Si has been briefly analyzed.In semi-solid thixotropic pressure casting,along with the increase of the injection speed,tensile strength was improved;When injection speed was 5 m/s,tensile strength reached 218 MPa.But with further higher speed,tensile strength decreased.Along with the increase of injection speed,hardness has the tendency of decreasing first then increasing.

Al-20Si;Semi-solid;Thixotropic casting;Injection speed

TG146.2+1;

A；

1006－9658（2012）03－0019-4

2011－12－27

稿件編號(hào)：11－172

周鵬飛（1988－），男，碩士在讀，主要研究方向：半固態(tài)鋁合金成形