復(fù)合工藝制備半固態(tài)A390合金漿料

合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 （安徽 230009） 周運(yùn)海 黃 韋 陳文珂

A390合金（相當(dāng)于YL117）具有耐磨性好，線脹系數(shù)小，以及耐蝕性和鑄造性能好等優(yōu)點(diǎn)，是汽車發(fā)動機(jī)活塞的理想材料，但是常規(guī)澆注獲得的A390合金組織中的初生硅主要呈粗大多邊形塊狀或長板條狀且偏聚比較嚴(yán)重，這嚴(yán)重影響了A390合金的使用性能和加工性能。在半固態(tài)成形技術(shù)中，半固態(tài)漿料的制備是整個成形過程的基礎(chǔ)，而制備半固態(tài)合金漿料最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是獲得晶粒細(xì)小、圓整的近球狀組織。因此在制備A390合金半固態(tài)漿料時，首先解決的就是要細(xì)化和球化初生硅。

目前，主要用于制備過共晶半固態(tài)漿料的方法主要有：機(jī)械攪拌法、電磁攪拌法、超聲波處理法、低過熱度澆注和弱電磁攪拌結(jié)合法及熔體混合法等。其中，比較成熟的方法是機(jī)械攪拌法和電磁攪拌法，其他方法都還處于試驗階段。機(jī)械攪拌法裝置結(jié)構(gòu)簡單，造價低，操作方便，各種工藝參數(shù)易于控制。但是機(jī)械攪拌法的生產(chǎn)效率低，產(chǎn)量小，易卷入氣體，攪拌棒和攪拌室壽命短，并且半固態(tài)漿料易受到攪拌棒的污染，因此機(jī)械攪拌法無法滿足大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。在電磁攪拌過程中，由于交變電流的趨膚效應(yīng)，使電磁力從鑄棒四周到中心逐漸減弱，所以電磁攪拌法不宜生產(chǎn)較大直徑的鑄棒，并且這種方法能源消耗量大，設(shè)備結(jié)構(gòu)及工藝都比較復(fù)雜， 成本和效率也有待提高?；谝陨显颍驹囼炦x擇A390合金為研究對象，采用近液相線法和變質(zhì)處理相結(jié)合來制備A390合金半固態(tài)漿料，研究不同工藝因素對A390合金組織的影響。

1.試驗方法

本試驗用A390合金化學(xué)成分見附表。用純度大于99.1%的結(jié)晶硅、純銅、金屬鎂和ZL102為原料在坩堝電阻爐內(nèi)配制而成，先將石墨坩堝預(yù)熱至500℃，接著加入ZL102并升溫至690℃，待其完全熔化后加入結(jié)晶硅，對其進(jìn)行保溫、攪拌直至完全熔解，然后加入純銅并進(jìn)行間斷攪拌直至完全熔解，最后加入純鎂，待鎂完全熔解后將溫度升至810℃并保溫15min，之后將溫度降至740℃保溫5min后壓入C2Cl6（總質(zhì)量的0.5%）并不斷攪拌直至其熔解完畢，接著對熔體進(jìn)行扒渣。將經(jīng)過精煉和扒渣的合金在電阻坩堝爐中進(jìn)行保溫，用計算機(jī)控溫儀精確控制溫度，溫度偏差為±1℃。

試驗用A390合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

A390合金在液相線附近不同溫度下的近液相線法處理過程為：先將試驗合金加熱到700℃熔化，然后隨爐冷卻至620～695℃，在爐內(nèi)保溫40min后澆入金屬型獲得φ80mm×30mm的鑄錠。在近液相線法各因素一定的情況下，即澆注溫度為650℃，保溫時間為40min，不改變冷卻速度，變質(zhì)處理過程為：一元變質(zhì)，將合金加熱到700℃熔化后升溫至800℃，然后將磷鹽PM（占總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的1%）壓入合金液中，待其完全反應(yīng)后保溫30min，接著將合金液冷卻至650℃保溫40min，最后澆入金屬型；二元變質(zhì)，將合金加熱到700℃熔化后升溫至800℃，然后將PM（占總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的1%）壓入合金液中，待其完全反應(yīng)后保溫30min，接著將合金液冷卻至750℃，將稀土RE（占總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的1%）壓入合金液中，待其完全反應(yīng)后保溫10min，接著將合金液冷卻至650℃保溫40min，最后澆入金屬型；三元變質(zhì)，將合金加熱到700℃熔化后升溫至800℃，然后將PM（占總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的1%）壓入合金液中，待其完全反應(yīng)后保溫30min，接著將合金液冷卻至750℃，依次將RE和Al-5Ti-B（Ti和B占總質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.8%）壓入合金液中，待其完全反應(yīng)后保溫10min，接著將合金液冷卻至650℃保溫40min，最后澆入金屬型。

在上述試驗獲得的錠坯垂直橫截面上的相同位置切取試樣，試樣經(jīng)過粗磨、細(xì)磨、精磨和拋光后，用體積分?jǐn)?shù)為0.5%HF腐蝕，采用光學(xué)顯微鏡觀察金相顯微組織，并采用Image-Pro Plus計算晶粒的平均直徑。

2.試驗結(jié)果與討論

（1）保溫溫度對合金鑄造組織的影響 圖1為A390合金常規(guī)澆注下的顯微組織，其中圖中黑色塊狀為初晶硅，淺黑色針狀為共晶組織，白色為α（Al）相。A390合金的液相線溫度為650℃，在740℃澆注時，澆注的溫度較高，過冷度較小，形核的數(shù)量較少，晶粒不會因為生長空間不足而相互抵觸，初生硅可以沿著一定的方向生長，并且由于溫度場和溶質(zhì)場極不均勻，所以導(dǎo)致形成具有尖銳棱角的多邊形和長板條狀初生硅，且可以看到有嚴(yán)重的偏聚現(xiàn)象。

圖2為不同保溫溫度下A390合金的顯微組織。

由圖2a可見，在695℃下澆注，高于液相線45℃，澆注溫度相對較高，但是在保溫過程中，合金液中已有少量的準(zhǔn)固相原子團(tuán)，過冷度相對較大，溫度場和溶質(zhì)場相對均勻，從圖中也可看出初生相較均勻，晶粒尺寸較小，形貌有向圓整轉(zhuǎn)變的趨勢，但仍有偏聚現(xiàn)象。

由圖2b～d可見，隨澆注溫度向液相線靠近，初生相晶粒尺寸逐漸變小，形貌也逐漸變得圓整，但變化并不是非常明顯，當(dāng)澆注溫度降至650℃時，初生硅明顯的細(xì)化了，且形態(tài)較圓整，此時的初生硅平均直徑為40μm左右，這主要是因為當(dāng)澆注溫度為650℃時，合金液中存有大量的準(zhǔn)固相原子團(tuán)簇，在合金液澆注到金屬型時，過冷度較大，大量的準(zhǔn)固相原子團(tuán)簇就會促進(jìn)大量形核，且大量晶核在生長過程中也會受到空間的限制而相互抵制，從而阻礙其長大。Al基也得到一定的細(xì)化，但并不明顯。共晶硅基本沒有多大的變化。

由圖2e、f可見，初晶硅有長大的趨勢，這主要是因為此時澆注溫度已經(jīng)在液相線溫度以下，當(dāng)澆注溫度為635℃時，此時晶粒的粗化還不是很明顯，因為在635℃保溫時，合金液中不僅存在有大量的準(zhǔn)固態(tài)原子團(tuán)，還有一定量的游離態(tài)的固相顆粒存在，所以在合金液澆入金屬型時，過冷度較大，一方面已存在的固相顆粒繼續(xù)長大，另一方面，大量準(zhǔn)固相原子團(tuán)促進(jìn)形核及快速生長，但是同樣由于生長空間的限制，最終得到比較均勻和細(xì)小的組織。而當(dāng)溫度降至620℃時，此時合金液中有大量游離的固相顆粒存在，所以在澆注時，合金熔體主要是向著初生相長大的方向進(jìn)行，從而最終形成較大的初生硅顆粒。

（2）變質(zhì)處理和近液相線法結(jié)合對合金鑄造組織的影響 圖3所示為不同變質(zhì)劑和近液相線法相結(jié)合制得的A390合金鑄態(tài)組織。

由圖3a與圖3c相比可發(fā)現(xiàn)，加入PM后，初生硅的尺寸得到了細(xì)化，而共晶硅和鋁基的變化不大，這主要是因為加入的PM與合金液中的Al反應(yīng)生成大量的AlP，而AlP與Si相的晶體結(jié)構(gòu)相似，晶格常數(shù)相近，所以AlP可作為初生硅的非自發(fā)形核核心，從而細(xì)化初生硅。

由圖3a與圖3b相比可見，初生硅和共晶硅都有明顯的細(xì)化，鋁基仍沒有明顯變化，這主要因為稀土La等在結(jié)晶界面前沿合金液中富集作用而導(dǎo)致成分過冷，從而使Si晶生長易于分枝，初晶硅和共晶硅都得以細(xì)化。

由圖3b與圖3c相比可發(fā)現(xiàn)，初生硅和鋁基都得到明顯地細(xì)化，初生硅的平均直徑為20μm左右，這主要是因為在合金中加入Al-5Ti-B合金在合金液中形成Al3Ti和TiB2等高熔點(diǎn)化合物，它們的結(jié)晶比鋁固溶體晶粒早，尺寸細(xì)小而又彌散分布，具有與鋁相同的晶格類型和相近的晶格常數(shù)，或具有共格對應(yīng)晶面，可作為鋁固溶體的結(jié)晶核心，使鋁固溶體晶粒細(xì)化。而鋁基的均勻細(xì)化也促進(jìn)了初生硅的進(jìn)一步細(xì)化。

3.結(jié)語

（1）在采用近液相線法制備A390合金半固態(tài)漿料中，保溫溫度和冷卻速度一定的情況下，初生硅相隨保溫溫度的降低先減小后增大，在650℃左右時達(dá)到最小值。

（2）近液相線法和變質(zhì)處理相結(jié)合能夠明顯細(xì)化A390合金半固態(tài)漿料組織。

（3）在保溫溫度為650℃，采用三元變質(zhì)能夠獲得最佳的A390合金半固態(tài)組織，其中初晶硅的平均直徑達(dá)20μm。

（20120925）