半固態(tài)硼合金鑄造技術(shù)研究

四川材料與工藝研究所（江油 621700）劉 華 余國紅

硼合金具有低成本、高硬度、高耐磨性等優(yōu)點(diǎn)，有望成為繼鎳硬鑄鐵與高鉻鑄鐵之后的新型耐磨材料。但硼合金韌性處于較低的水平，很難應(yīng)用于沖擊載荷較大的工況。本文研究了半固態(tài)加工技術(shù)鑄造硼合金的組織和性能，通過半固態(tài)鑄造顯著提高了硼合金的沖擊韌度。

1.半固態(tài)工藝簡介

半固態(tài)金屬加工技術(shù)，就是金屬在凝固過程中進(jìn)行劇烈攪拌，或控制固-液態(tài)溫度區(qū)間，得到一種液態(tài)金屬母液中均勻地懸浮一定固相組分的固－液混合漿料，這種半固態(tài)金屬漿料具有流變特性，易于通過普通加工方法制成產(chǎn)品，采用這種既非完全液態(tài)又非完全固態(tài)的金屬漿料加工成形的方法，就稱為半固態(tài)金屬加工技術(shù)。凡具有固－液兩相區(qū)的合金均可實(shí)現(xiàn)半固態(tài)加工。半固態(tài)加工的基本方法可分為流變成形和觸變成形兩種，與普通的加工方法相比，半固態(tài)金屬加工方法具有以下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

（1）應(yīng)用范圍十分廣泛，可適用于多種加工工藝。

（2）加工溫度較液態(tài)金屬低，減輕了對(duì)模具的熱沖擊。

（3）可改善晶粒形貌，半固態(tài)漿料流動(dòng)性較好，能以更高的速度成形部件，且可進(jìn)行復(fù)雜件成形，縮短加工周期。

（4）屬于近凈成形，改善了表面粗糙度，提高了材料的利用率，有利于節(jié)能節(jié)材，加工成本低。

目前，鋁鎂合金的半固態(tài)加工技術(shù)已用于工業(yè)生產(chǎn)。

半固態(tài)加工技術(shù)中的一個(gè)關(guān)鍵問題就是如何制備優(yōu)質(zhì)的半固態(tài)金屬漿料或坯料。常用的制備方法包括攪拌法、應(yīng)變誘發(fā)熔化激活法、噴射成形法、傾斜冷卻體法等。

2.試驗(yàn)方法

本文中采用傾斜冷卻體法。該方法是由日本宇部生產(chǎn)株式會(huì)安達(dá)充等根據(jù)大野篤美的晶粒游離理論于1996年提出并獲得專利。將液態(tài)金屬通過澆包傾倒在傾斜冷卻體上，通過冷卻體表面的激冷作用使金屬液產(chǎn)生晶核，在后續(xù)流體的沖刷下晶核從表面游離而形成半固態(tài)漿料。傾斜冷卻體法對(duì)于初生相形核有明顯的促進(jìn)作用，用該方法制備半固態(tài)漿料可實(shí)現(xiàn)漿料的連續(xù)制備，具有裝置簡單、成本低、效率高、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，因而特別適合于熔點(diǎn)較高的黑色金屬。半固態(tài)制備硼合金的成分見下表。

半固態(tài)制備硼合金的成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

3.試驗(yàn)裝置

采用傾斜冷卻體法制備高硼鐵基合金的試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。整個(gè)試驗(yàn)裝置由三部分組成：傾斜冷卻體、砂箱、計(jì)算機(jī)測溫系統(tǒng)。傾斜冷卻體由灰鑄鐵組成，表面采用等離子噴涂方法噴覆上與初生奧氏體相不潤濕的硼化物涂層。傾斜冷卻體板長為400mm，傾斜角30?。試驗(yàn)中控制澆注溫度為1450℃。測溫系統(tǒng)包括鉑銠熱電偶和耐高溫溫度測試儀，能測量約1500℃的高溫。

在半固態(tài)加工技術(shù)中，必須控制一定的初生相體積分?jǐn)?shù)，即固相率。若固相率過低，則達(dá)不到半固態(tài)加工的效果；若固相率過高，一方面不利于得到初生相均勻分布的半固態(tài)漿料，另一方面會(huì)導(dǎo)致漿料流動(dòng)性差，不利于金屬漿料充型。本試驗(yàn)中半固態(tài)漿料固相體積分?jǐn)?shù)控制在10%～20%。

圖1 傾斜冷卻體法制備硼合金的試驗(yàn)裝置

4.試驗(yàn)結(jié)果

圖2為鑄態(tài)下硼合金的金相組織。鑄態(tài)下，不同鑄造工藝下的硼合金都是由鐵素體、珠光體和網(wǎng)狀分布的共晶硼化物所組成。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，半固態(tài)鑄造硼合金的基體相晶粒有一定的細(xì)化，晶界處的共晶硼化物變細(xì)、變薄，大塊團(tuán)簇的魚骨狀硼化物減少。

圖2 硼合金鑄態(tài)組織形貌

硼合金經(jīng)過1000℃保溫4h后水淬，之后在180℃低溫回火4h的熱處理工藝后，組織如圖3所示。從圖中可以看出，半固態(tài)鑄造硼合金經(jīng)過熱處理后，硼化物形態(tài)得到了明顯改善，大塊硼化物減少，對(duì)基體的割裂作用減弱，這有利于硼合金韌性的提高。經(jīng)測試，沖擊韌度由普通鑄造的9.2J/cm2提高到19.6J/cm2。

圖3 硼合金熱處理組織形貌

5.結(jié)語

半固態(tài)鑄造技術(shù)可以細(xì)化硼合金的組織，經(jīng)過熱處理后，硼合金組織中的大塊硼化物減少，合金的沖擊韌度得到顯著提高。