半固態(tài)鍛造A356鋁合金輪轂的組織與性能*

戚文軍，王順成，蔡 暢，王海艷

廣東省工業(yè)技術(shù)研究院（廣州有色金屬研究院）金屬加工與成型技術(shù)研究所，廣東 廣州 510650

半固態(tài)鍛造A356鋁合金輪轂的組織與性能*

戚文軍，王順成，蔡 暢，王海艷

廣東省工業(yè)技術(shù)研究院（廣州有色金屬研究院）金屬加工與成型技術(shù)研究所，廣東 廣州 510650

對(duì)低溫澆注A356鋁合金的組織和二次加熱組織轉(zhuǎn)變規(guī)律及半固態(tài)鍛造鋁合金輪轂的組織與力學(xué)性能進(jìn)行了研究.結(jié)果表明:在635～655℃下澆注，可獲得具有細(xì)小均勻、近球形晶粒的A356鋁合金圓棒坯，圓棒坯在600℃下加熱60 min，晶粒進(jìn)一步球化；在750 kN鍛壓力下可鍛造成鋁合金輪轂，經(jīng)T6熱處理后，輪轂的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為327.6 MPa，228.3 MPa和7.8%.表明，低溫澆注法制備半固態(tài)坯料與半固態(tài)鍛造工藝相結(jié)合，可生產(chǎn)出高性能的鋁合金輪轂.

鋁合金輪轂；半固態(tài)金屬；鍛造；低溫澆注

鋁合金輪轂有質(zhì)量輕、減震性強(qiáng)和外形美觀等優(yōu)點(diǎn)，使用鋁合金輪轂是汽車實(shí)現(xiàn)輕量化和節(jié)能減排的重要措施之一.目前鑄造鋁合金輪轂已廣泛應(yīng)用于轎車上，但其性能尚不能滿足載貨車和大客車的要求.雖然塑性鍛造鋁合金輪轂的性能更好、重量更輕，但鍛造工藝復(fù)雜，需要大型鍛造設(shè)備和大量的機(jī)械加工等，使得塑性鍛造鋁合金輪轂生產(chǎn)成本較高[1].

半固態(tài)鍛造是將具有非枝晶組織的半固態(tài)坯料經(jīng)二次加熱后，在預(yù)熱的模具型腔內(nèi)直接鍛造成形，獲得接近成品尺寸零件的工藝.與鑄造件相比，半固態(tài)鍛造件具有更高的組織致密度及更好的力學(xué)性能.與塑性鍛造工藝相比，半固態(tài)鍛造需要的鍛壓力更低，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零部件的一次近終鍛造成形[2].半固態(tài)鍛造首先需要制備具有非枝晶組織的半固態(tài)坯料，制備方法有機(jī)械攪拌、電磁攪拌、噴射沉積及應(yīng)變誘發(fā)熔化激活法等[3].但這些方法需要特殊的設(shè)備或者復(fù)雜的工藝，使得半固態(tài)鍛造生產(chǎn)成本也較高.

低溫澆注法是通過(guò)控制澆注溫度來(lái)制備半固態(tài)坯料，該法無(wú)需特殊設(shè)備，工藝也相對(duì)簡(jiǎn)單，有利于降低坯料制備成本[4-5].為了獲得高性能的鋁合金輪轂，并降低鋁合金輪轂的生產(chǎn)成本，本文中將低溫澆注法所制備的半固態(tài)坯料應(yīng)用于半固態(tài)鍛造A356鋁合金輪轂，并對(duì)低溫澆注A356鋁合金圓棒坯的組織、二次加熱組織的轉(zhuǎn)變規(guī)律及半固態(tài)鍛造鋁合金輪轂的組織與力學(xué)性能進(jìn)行了研究.

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

原料:實(shí)驗(yàn)材料為A356鋁合金，其由工業(yè)純鋁（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.7%）、速溶硅（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.2%）和純鎂（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.85%）熔煉配制而成，熔煉設(shè)備為7.5 kW井式電阻爐和石墨坩堝.經(jīng)SPECTROMAXx直讀光譜儀測(cè)定，A356鋁合金的成分為w（Si）=7.15% ，w（Mg）=0.45% ，w（Fe）=0.14% ，w（Mn）=0.01%，w（Cu）=0.01%，w（Ni）=0.05%，w（Zn）=0.01%，余量為Al.在NETZSCH STA449C型綜合熱分析儀上對(duì)合金進(jìn)行差示掃描量熱分析（DSC），確定合金的液相線溫度為617.3℃.

方法:在720℃下于電阻坩堝爐內(nèi)熔化A356鋁合金，分別加入0.1%的Al-5Ti-1B和Al-10Sr合金料進(jìn)行細(xì)化變質(zhì)處理[5]，經(jīng)精煉和扒渣后，分別于675，655，635和617℃下澆注到水冷鐵模中，鑄成直徑為100 mm、高為250 mm的圓棒坯．隨后對(duì)圓棒坯取樣，所取試樣經(jīng)磨制、拋光及腐蝕后，在LEICA-DMI3000M型金相顯微鏡下進(jìn)行組織觀察.

圓棒坯二次加熱設(shè)備為15 kW箱式熱處理爐及直徑為100 mm、高為120mm的不銹鋼料杯.圓棒坯經(jīng)鋸切后置于不銹鋼料杯內(nèi)，于600℃下分別等溫二次加熱20，40，60和80 min，然后取樣水淬，水淬試樣經(jīng)磨制、拋光和腐蝕后進(jìn)行組織觀察.

為了檢驗(yàn)低溫澆注A356鋁合金圓棒坯的半固態(tài)鍛造性能，圓棒坯在580～610℃下分別加熱不同時(shí)間后，在200 t四柱立式油壓機(jī)上進(jìn)行半固態(tài)鍛造實(shí)驗(yàn)，模具裝配如圖1所示.輪轂毛坯外徑為165 mm，高80 mm.模具預(yù)熱溫度為200～500℃，鍛壓力為500～1000 kN，保壓時(shí)間為3～5 s.實(shí)驗(yàn)完成后，分別在半固態(tài)鍛造鋁合金輪轂的輪輻、輪輞及輪輻和輪輞的過(guò)渡部位上取樣進(jìn)行組織觀察.鋁合金輪轂經(jīng)T6熱處理（535℃固溶6 h，180℃時(shí)效6 h）后，加工成矩形拉伸試樣，在DNS200電子拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸實(shí)驗(yàn)，拉伸變形速率為2 mm/min.

圖1 模具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the forging die

2 結(jié)果與討論

2.1 澆注溫度對(duì)圓棒坯組織的影響

圖2 不同溫度澆注A356鋁合金圓棒坯的顯微組織(a)675℃；(b)655℃；(c)635℃；(d)617℃Fig.2 Microstructures ofA356 aluminum alloy round billets poured at different temperatures

熔體澆注溫度越低，合金冷卻凝固速率越快，有利于晶粒尺寸的細(xì)化及抑制枝晶的生長(zhǎng)[5].圖2為不同溫度下澆注A356鋁合金圓棒坯的顯微組織.從圖2可見:當(dāng)澆注溫度為675℃時(shí)，圓棒坯組織主要為粗大的α-Al枝晶（圖 2（a））；當(dāng)澆注溫度降至655℃和635℃時(shí)，圓棒坯組織轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小均勻的近球形α-Al晶粒（圖2（b）和圖2（c））；當(dāng)澆注溫度降至合金液相線溫度617℃時(shí)，晶粒更加細(xì)小和圓整（圖2（d））.但實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在617 ℃下澆注，合金熔體流動(dòng)性較差，澆注后凝固速度快，容易導(dǎo)致棒坯卷氣和夾雜，棒坯表面出現(xiàn)冷隔等鑄造缺陷.因此，低溫澆注法制備A356鋁合金圓棒坯的合理澆注溫度為635～655℃，圓棒坯內(nèi)部顯微組織為細(xì)小均勻的近球形α-Al晶粒，表面質(zhì)量良好（圖3）.

2.2 圓棒坯二次加熱組織的演變

半固態(tài)坯料二次加熱的目的，首先是使坯料通過(guò)部分重熔獲得一定體積的液相，其次是使坯料的非枝晶組織晶粒進(jìn)一步得到球化，恢復(fù)坯料的半固態(tài)特性.坯料二次加熱組織轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力是固液界面能降低，由于小晶粒和枝晶具有更大的比表面積，從而具有更高的界面能，在二次加熱過(guò)程中它們會(huì)逐漸長(zhǎng)大和球化，以降低系統(tǒng)界面能[6].晶粒長(zhǎng)大機(jī)制一是相鄰晶粒之間通過(guò)界面遷移發(fā)生合并長(zhǎng)大，另一個(gè)是晶粒的Ostwald熟化，即大晶粒繼續(xù)長(zhǎng)大，而小晶粒則逐漸熔化，同時(shí)晶粒逐漸趨于球化[7].圖4為低溫澆注A356鋁合金圓棒坯在600℃下分別等溫二次加熱20，40，60和80 min后的水淬組織.從圖4可見:加熱20 min時(shí)，由于加熱時(shí)間較短，晶間尚未出現(xiàn)液相（圖4（a））；加熱40 min時(shí)，低熔點(diǎn)共晶相開始發(fā)生部分熔化，晶間出現(xiàn)了少量液相，晶粒開始趨于球形（圖4（b））；加熱60 min時(shí)，晶間已存在大量液相，液相體積分?jǐn)?shù)大約為40%，晶粒明顯球化，晶界清晰光滑，適合于半固態(tài)鍛造成形（圖4（c））.另外，由于晶粒在合并和Ostwald熟化過(guò)程中包裹了部分共晶相于α-Al晶粒內(nèi)，因此隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)，晶內(nèi)共晶組織也發(fā)生了重熔并逐漸長(zhǎng)大及球化，形成晶內(nèi)小液相池[8]．繼續(xù)加熱至80 min時(shí)，液相的體積分?jǐn)?shù)無(wú)明顯變化，但晶粒繼續(xù)長(zhǎng)大（圖4(d)）.由于晶粒過(guò)于粗大，不利于鋁合金輪轂的鍛造成形及力學(xué)性能的提高.因此，低溫澆注A356鋁合金圓棒坯適宜的二次加熱工藝應(yīng)為600℃下加熱60 min.

圖3 低溫澆注A356鋁合金圓棒坯Fig.3 A356 aluminum alloy round billets prepared by pouring at low temperature 635-655℃

圖4 A356鋁合金圓棒坯600℃加熱不同時(shí)間的組織Fig.4 Microstructures ofA356 alloy round billets reheated at 600℃for different time（a）20 min；（b）40 min；（c）60 min；（d）80 min

2.3 半固態(tài)鍛造鋁輪轂的組織與性能

在半固態(tài)鍛造成形中，坯料溫度及模具預(yù)熱溫度對(duì)坯料充填模腔有明顯的影響，溫度太低，坯料無(wú)法完全充滿模腔，而溫度太高，則又難以獲得組織均勻、力學(xué)性能高的半固態(tài)鍛造鋁合金輪轂.經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在600℃下加熱60 min、模具預(yù)熱溫度為350℃及在750 kN鍛壓力條件下，坯料可鍛造成鋁合金輪轂.由于半固態(tài)合金漿料的溫度較低，粘度比合金液高，在鍛造成形過(guò)程中漿料流動(dòng)充型平穩(wěn)，可避免噴濺而卷入氣體；同時(shí)在鍛造成形時(shí)，半固態(tài)漿料中已有部分固相晶粒存在，鍛造后合金凝固收縮率低，對(duì)補(bǔ)縮要求也低，可避免產(chǎn)生縮孔、疏松等缺陷，最終有利于提高半固態(tài)鍛造件的組織致密度和表面尺寸精度[9].圖5為半固態(tài)鍛造A356鋁合金輪轂樣件.從圖5可見，半固態(tài)鍛造A356鋁合金輪轂充型完整，經(jīng)表面機(jī)械加工后，輪轂內(nèi)、外表面光亮，未發(fā)現(xiàn)有縮孔、疏松等缺陷存在.

圖5 半固態(tài)鍛造A356鋁合金輪轂Fig.5 Semisolid forgedA356 aluminum alloy wheels

圓棒坯經(jīng)過(guò)二次加熱后，轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗑Я腋∮谝合嘀械陌牍虘B(tài)漿料，在半固態(tài)鍛造過(guò)程中其變形機(jī)制主要為液相包裹固相晶粒一起流動(dòng)變形[10].圖6為半固態(tài)鍛造A356鋁合金輪轂的顯微組織.從圖6可見，半固態(tài)鍛造A356鋁合金輪轂的組織為球形α-Al晶粒和α＋Si共晶組織組成.在鍛壓變形過(guò)程中，由于漿料內(nèi)部液相和固相的流動(dòng)速度存在差異，其中液相的內(nèi)摩擦力較小，流動(dòng)速度略快，而固相晶粒內(nèi)摩擦力較大，流動(dòng)速度則相對(duì)較慢，從而使半固態(tài)鍛造鋁合金輪轂組織存在輕微的宏觀液相偏析[11].其中，鍛造變形量較大的輪輻部位的組織中共晶相略少些（圖6（a）），而輪輞部位組織中共晶相則略多些（圖6（c））.

圖6 半固態(tài)鍛造A356鋁合金輪轂的顯微組織(a)輪輻部位；(b)輪輻與輪輞過(guò)渡區(qū)；(c)輪輞部位Fig.6 Microstructures of semisolid forged A356 aluminum alloy wheels(a)wheel arm；(b)position between wheel arm and rim；(c)wheel rim

圖7為經(jīng)T6熱處理前后半固態(tài)鍛造A356鋁合金輪轂顯微共晶組織形貌圖.從圖7可見:由于在合金熔煉過(guò)程中添加了Al-10Sr中間合金進(jìn)行細(xì)化變質(zhì)處理，因此未經(jīng)熱處理的輪轂中共晶Si主要呈細(xì)小的短纖維狀（圖7（a））；經(jīng)T6熱處理后的輪轂，其共晶組織中的Mg元素和部分Si元素固溶進(jìn)入α-Al基體中，并在時(shí)效過(guò)程中析出彌散細(xì)小的Mg2Si相，該相起到強(qiáng)化合金的作用[12]，剩余的共晶Si則分解轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小顆粒狀單晶Si（圖7（b））.

圖7 半固態(tài)鍛造A356鋁合金輪轂T6熱處理前后的顯微共晶組織（a）未熱處理；（b）T6熱處理Fig.7 Microstructures of semisolid forgedA356 aluminum alloy wheels（a）without T6 treatment；（b）with T6 treatment

表1為半固態(tài)鍛造A356鋁合金輪轂經(jīng)T6熱處理后的拉伸力學(xué)性能.由表1可知，由于輪輻部分鍛壓變形量較大，因而輪輻的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率均略高于輪輞的.但是半固態(tài)鍛造A356鋁合金輪轂的輪輻和輪輞的拉伸力學(xué)性能，均高于金屬型重力鑄造、低壓鑄造及擠壓鑄造的A356鋁合金輪轂的拉伸力學(xué)性能[1]，這主要?dú)w功于半固態(tài)鍛造A356鋁合金輪轂的組織為球形α-Al晶粒的非枝晶組織，無(wú)縮孔及組織疏松等缺陷，輪轂的組織致密度更高，熱處理強(qiáng)化效果更好.上述研究結(jié)果表明，低溫澆注法制備半固態(tài)坯料與半固態(tài)鍛造工藝相結(jié)合，可生產(chǎn)出高性能鋁合金輪轂，并有利于降低鋁合金輪轂的生產(chǎn)成本.

表1 半固態(tài)鍛造A356鋁合金輪轂的拉伸力學(xué)性能Table 1 Tensile mechanical properties of semisolid forged A356 aluminum alloy wheels

3 結(jié) 論

（1）隨著澆注溫度的降低，棒坯組織從枝晶逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的近球形晶.在635～655℃下澆注，可得到表面質(zhì)量良好及內(nèi)部組織為細(xì)小均勻近球形晶粒的A356鋁合金圓棒坯.

（2）A356鋁合金圓棒坯在600℃下等溫二次加熱60 min，其晶粒進(jìn)一步球化，液相體積分?jǐn)?shù)約為40%，適合于半固態(tài)鍛造成形.

（3）半固態(tài)鍛造鋁合金輪轂的合理工藝參數(shù)為鍛壓力750 kN、模具預(yù)熱溫度350℃、保壓時(shí)間3 s.

（4）輪轂經(jīng)T6熱處理后，輪輞的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為324.2 MPa，225.7 MPa和7.3%，輪輻的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為327.6 MPa，228.3 MPa和7.8%.

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Microstructure and mechanical properties ofA356 aluminum alloy wheel made by semisolid forging

QI Wenjun，WANG Shuncheng，CAI Chang，WANG Haiyan
Institute of Metal Processing and Forming Technology，Guangdong General Research Institute of Industrial Technology，Guangzhou510650，China

The as-cast microstructures，the microstructure evolution during reheating and the mechanical properties of forged wheels of semisolid A356 aluminum alloy prepared by pouring at low temperature were studied.The results show that theA356 aluminum alloy round billet with fine,uniform and near-globular grains can be obtained when the melt is poured in the temperature range of 635-655℃.When the round billet is reheated at 600℃for 60 min,the near-globular grains change into globular ones and the round billet can be easily forged into wheels.The tensile strength,yield strength and elongation of forged wheels with T6 heat treatment are 327.6 MPa,228.3 MPa and 7.8%.The present experimental results indicate that the semisolid forging combining with the pouring at low temperature is an effective technique to produce aluminum alloy wheels with high mechanical properties at low production cost.

aluminum alloy wheel;semisolid metal;forging;low temperature pouring

TG146

A

1673-9981(2012)03-0153-06

2012-07-30

廣州有色金屬研究院科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目資助（2009A010）

戚文軍（1956-），男，上海人，教授級(jí)高工．