旋轉(zhuǎn)直管澆注法制備A356鋁合金半固態(tài)漿料

許 明，周杰敏，段聰翀，黃佰成，孟凡紀(jì)

（1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽合肥 230036；2.合肥熠輝輕合金科技有限公司，安徽合肥 230001）

旋轉(zhuǎn)直管澆注法制備A356鋁合金半固態(tài)漿料

許 明1，周杰敏1，段聰翀2，黃佰成1，孟凡紀(jì)2

（1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽合肥 230036；2.合肥熠輝輕合金科技有限公司，安徽合肥 230001）

采用旋轉(zhuǎn)直管澆注法制備A356鋁合金半固態(tài)漿料，在不同澆注溫度和轉(zhuǎn)速下進(jìn)行了系列試驗(yàn)，并與直管法進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，在不同轉(zhuǎn)速條件下，澆注溫度越低，得到的漿料凝固組織晶粒尺寸就越小，顆粒球化程度越高。與直管法相比，同一工藝參數(shù)下，旋轉(zhuǎn)直管法制備的坯料的晶粒更為細(xì)小和圓整，并且隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，可得到理想漿料組織的澆鑄溫度區(qū)間也隨之增大。本實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)轉(zhuǎn)速為300r/mim時(shí)，澆注溫度為670℃也能得到較理想的半固態(tài)凝固組織。

旋轉(zhuǎn)式直管澆注法;A356鋁合金;半固態(tài)漿料

1 引 言

上世紀(jì)70年代美國(guó)MIT研究人員提出半固態(tài)金屬加工技術(shù)，經(jīng)過(guò)40多年各國(guó)研究人員的不斷探索和創(chuàng)新，使半固態(tài)金屬加工技術(shù)在美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家成功用于工業(yè)生產(chǎn)。半固態(tài)成形技術(shù)主要分為流變成形和觸變成形，其核心都是獲得理想的非枝晶組織，因此漿料的制備方法和技術(shù)一直都是半固態(tài)工藝研究和開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)?？刂菩魏朔ǎ?］直接從球狀晶粒形核和長(zhǎng)大的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)條件入手，控制一定的凝固條件，調(diào)節(jié)初生相的形核和生長(zhǎng)，從而獲得球狀初生相的漿料組織，如傾斜板澆注法［2］、波浪形傾斜板澆注法［3］、蛇形通道澆注法［4］、斜（轉(zhuǎn)）管法［5］、阻尼冷卻管法［6］、直管澆注法［7］等，它們都是通過(guò)金屬液體與板面或管壁直接接觸的方式，由于激冷作用而形成大量的晶核，從而得到非枝晶組織。作者根據(jù)上述漿料制備的思想，設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)式直管澆道，并以A356作為實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)，取得了一些成果。

2 試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)選用A356鋁合金作為實(shí)驗(yàn)材料，該鋁合金的理論液相線(xiàn)溫度為615℃，固相線(xiàn)溫度為555℃。將A356鋁合金在電阻爐內(nèi)熔化，待熔液溫度達(dá)到720℃時(shí)，通入氬氣進(jìn)行除氣處理，除氣時(shí)間一般為5～8min，隨后保溫2～3min后扒渣。在澆注前將鋁合金液控制到預(yù)定的溫度，通過(guò)經(jīng)控制旋轉(zhuǎn)速度的直管澆道（石墨）將該鋁合金液澆注到不銹鋼制備的坩堝（Φ76×150× 3mm）中，隨后快速將坩堝和處于半固態(tài)的合金漿料浸入水中冷卻。澆注溫度分別設(shè)定為630，650，670℃，旋轉(zhuǎn)速度分別設(shè)定為0，100，200，300r/min。旋轉(zhuǎn)直管澆注工藝裝置的簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 旋轉(zhuǎn)直管澆注工藝裝置Fig.1 Rotating pipe casting process equipment1.熔料坩堝;2.直管澆道;3.鋁合金漿料;4.旋轉(zhuǎn)裝置; 5.不銹鋼坩堝;6.水槽

對(duì)所獲得的凝固漿料沿其軸線(xiàn)方向從中截取約12mm厚的圓片，從中再取出一扇形塊（經(jīng)過(guò)圓心）作為金相試樣。經(jīng)過(guò)粗磨、細(xì)磨和拋光之后，用混合酸水溶液對(duì)試樣進(jìn)行侵蝕，利用Neuphoto光學(xué)顯微鏡觀(guān)察試樣的組織形貌。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 旋轉(zhuǎn)速度對(duì)半固態(tài)A356鋁合金漿料顯微組織的影響

熔液澆注溫度為630℃時(shí)，直管法（轉(zhuǎn)速為0）和直管轉(zhuǎn)速為100，200，300r/min條件下均能制備出合格的半固態(tài)漿料，如圖2所示，但直管在旋轉(zhuǎn)條件下制備的半固態(tài)漿料凝固組織的晶粒度相對(duì)較小，圓整度也有所提高;在650℃澆注時(shí)，隨著直管旋轉(zhuǎn)速度的增加，可以發(fā)現(xiàn)所得到的半固態(tài)漿料的凝固組織形貌變得越來(lái)越好（如圖3所示），比直管法得到的漿料組織的晶粒尺寸以及圓整度都有明顯的好轉(zhuǎn);在670℃澆注時(shí)，如圖4所示，隨著直管旋轉(zhuǎn)速度的增加，初生相的形態(tài)發(fā)生由樹(shù)枝狀→薔薇狀→顆粒狀的明顯轉(zhuǎn)變，在轉(zhuǎn)速為100，200，300r/min得到的金相組織和直管法對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，晶粒形貌變化程度比650℃澆注條件下得到的金相組織變化更加明顯;而且在澆注溫度為670℃時(shí)，直管法已經(jīng)無(wú)法制備出合格的半固態(tài)漿料了，但本實(shí)驗(yàn)條件下，直管旋轉(zhuǎn)法卻依然能得到較理想的半固態(tài)漿料組織。由此可以說(shuō)明直管的旋轉(zhuǎn)速度對(duì)坯料組織有顯著影響，而且澆注溫度不同時(shí)，旋轉(zhuǎn)速度對(duì)組織的影響程度也不一樣，對(duì)較高澆注溫度組織的影響比較低溫度的大，并且隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，可得到理想漿料組織的澆鑄溫度區(qū)間也隨之增大。

圖2 澆注溫度為630℃時(shí)不同旋轉(zhuǎn)速度直管條件下的A356微觀(guān)組織（a）直管法（0r/min）;（b）100r/min;（c）200r/min;（d）300r/minFig.2 Microstructure of A356 alloys under differentrotating pipe’s speed，pouring temperature of 630℃

圖3 澆注溫度為650℃時(shí)不同旋轉(zhuǎn)速度直管條件下的A356微觀(guān)組織（a）直管法（0r/min）;（b）100r/min;（c）200r/min;（d）300r/minFig.3 Microstructure of A356 alloys under different rotating pipe’s speed，pouring temperature of 650℃

圖4 澆注溫度為670℃時(shí)不同旋轉(zhuǎn)速度直管條件下的A356微觀(guān)組織（a）直管法（0r/min）;（b）100r/min;（c）200r/min;（d）300r/minFig.4 Microstructure of A356 alloys under different rotating pipe’s speed，pouring temperature of 670

3.2 澆注溫度對(duì)半固態(tài)A356鋁合金漿料顯微組織的影響

圖2（a）、圖3（a）、圖4（a）是直管法在630℃、650℃、670℃澆注溫度條件下獲得的A356鋁合金半固態(tài)的微觀(guān)組織。在630℃澆注時(shí)，凝固漿料組織都是由顆粒狀和球狀的細(xì)小初生相均勻地分布在共晶基體中構(gòu)成的，如圖2（a）所示，這是非常理想的半固態(tài)組織;圖3（a）是650℃時(shí)的凝固漿料組織形貌，從圖中可看到，其中大都是球狀或橢球狀的初生相，還有少量的薔薇晶，雖然未出現(xiàn)樹(shù)枝晶，但晶粒尺寸變大;在670℃時(shí)，凝固漿料組織幾乎都是發(fā)達(dá)的樹(shù)枝晶，如圖4（a）所示，該組織與前兩種溫度相比有明顯的惡化，所以，本實(shí)驗(yàn)條件下，670℃澆注時(shí)已經(jīng)無(wú)法制備出合格的半固態(tài)漿料。

在直管旋轉(zhuǎn)速度為100r/min時(shí)，630℃澆注得到的凝固漿料組織都是由顆粒狀和球狀的細(xì)小初生相構(gòu)成;在650℃澆注溫度時(shí)，凝固漿料組織依然由顆粒狀和球狀細(xì)小的初生相為主，同時(shí)出現(xiàn)少量的薔薇晶，但其仍然是較理想的半固態(tài)組織;在670℃澆注時(shí)得到的漿料組織見(jiàn)圖4（b），是由顆粒狀初生相、薔薇晶和小樹(shù)枝晶組成，該形貌與前兩種溫度相比有所惡化，但并未出現(xiàn)粗大的樹(shù)枝晶。

在直管旋轉(zhuǎn)速度為200r/min時(shí)，630℃澆注得到的凝固漿料組織主要由顆粒狀和球狀的細(xì)小初生相構(gòu)成，是較理想的半固態(tài)組織;圖3（c）是650℃澆注時(shí)的金相組織，可看到其初生相大都是顆粒狀和球狀，以及少量的薔薇晶，但組織形貌明顯優(yōu)于圖3（a）所顯示的金相組織;在670℃澆注時(shí)，從圖4（c）中可看到，其是由顆粒狀和球狀初生相、少量細(xì)小薔薇晶和極少小樹(shù)枝晶組成，其組織形貌較圖4（a）有明顯好轉(zhuǎn)。

在直管旋轉(zhuǎn)速度為300r/min時(shí)，在630，650℃澆注時(shí)，凝固漿料組織均由顆粒狀和球狀的細(xì)小初生相構(gòu)成，都是理想的漿料組織;在670℃澆注時(shí)，凝固漿料組織是由顆粒狀和球狀的細(xì)小初生相以及少量細(xì)小薔薇晶組成，其組織形貌較圖4（a）晶粒的尺寸和圓整度有明顯變化，是較理想的半固態(tài)漿料組織。

上述結(jié)果表明，澆注溫度對(duì)于直管靜態(tài)澆鑄制備半固態(tài)漿料的可行性具有顯著影響。譬如在650℃時(shí)凝固漿料組織中就出現(xiàn)了薔薇晶和晶粒尺寸粗大的現(xiàn)象（圖3（a）），由于溫度的苛刻要求，增加了實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)的難度。但是，采用直管旋轉(zhuǎn)方式制備半固態(tài)漿料，可以顯著降低金相組織的合格性對(duì)溫度的依賴(lài)。通過(guò)圖2和圖4的對(duì)比可以看出，即使?jié)沧囟葹?70℃時(shí)，只要直管轉(zhuǎn)速達(dá)到200r/min以上，依然能得到較理想的半固態(tài)漿料組織。與靜態(tài)直管法相比，旋轉(zhuǎn)直管法可得到理想漿料組織的澆鑄溫度區(qū)間顯著增大。

4 討 論

靜態(tài)直管法主要利用型壁結(jié)晶機(jī)理和澆注過(guò)程中的攪拌來(lái)制備細(xì)小的半固態(tài)漿料組織［8］，但當(dāng)溫度升高時(shí)，直管不能及時(shí)地將熱量散發(fā)出去，使管壁附近的過(guò)冷度減小，造成管壁附近形核數(shù)量減少，致使形核密度減小，晶核間距增大，晶核間的相互抑制作用減小，晶?？赡荛L(zhǎng)大。旋轉(zhuǎn)式直管澆注工藝是在靜態(tài)直管法的基礎(chǔ)上增加了旋轉(zhuǎn)裝置，直管的高速旋轉(zhuǎn)使流經(jīng)管壁的熔體在離心力的作用下充分與管壁接觸，由管壁的碰撞、剪切和激冷作用產(chǎn)生大量的非勻質(zhì)晶核。旋轉(zhuǎn)直管內(nèi)的熔體在重力和轉(zhuǎn)管管壁黏附力的雙重作用下向下掉落，這種方式一定程度上增加了熔體與管壁碰撞剪切的時(shí)間;且熔體能夠與管壁充分緊密接觸，從而管壁能夠更加充分地吸收熔體的熱量，同時(shí)旋轉(zhuǎn)的直管提高了散熱速度，當(dāng)熔體溫度較高時(shí)亦能具有較高的形核率。直管旋轉(zhuǎn)的速度越快，熔體與管壁接觸的時(shí)間越長(zhǎng)，異質(zhì)形核越多;同時(shí)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切力隨轉(zhuǎn)速的增加對(duì)熔體進(jìn)行更加充分的攪拌，使正在生長(zhǎng)的枝晶臂熔斷，當(dāng)?shù)袈涞借T型里時(shí)，這些破碎的枝晶臂起到了晶核的增殖作用，熔體中均勻分散的晶核和熔斷的枝晶臂，使熔體熱流梯度相對(duì)較小，且整體趨于一致，因此合金固相晶粒比較容易發(fā)生細(xì)化和球化，因此在較高轉(zhuǎn)速條件下，即使?jié)沧囟容^高也能得到細(xì)小球形的半固態(tài)合金組織。

5 結(jié) 論

1.采用旋轉(zhuǎn)直管澆鑄法有利于晶核的增殖作用，有助于合金固相晶粒的細(xì)化和球化，在一定的轉(zhuǎn)速條件下，溫度較高時(shí)依然能夠獲得較理想的A356鋁合金半固態(tài)坯料。

2.直管的旋轉(zhuǎn)速度對(duì)坯料的組織形態(tài)影響顯著。澆注溫度不同時(shí)，影響程度也不一樣，對(duì)較高溫度的影響要比較低溫度的大，并且隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，可得到理想漿料組織的澆鑄溫度區(qū)間也隨之增大。本實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)直管轉(zhuǎn)速達(dá)到200r/min以上，在670℃依然能得到較理想的半固態(tài)漿料組織。與常規(guī)的靜態(tài)直管法相比，旋轉(zhuǎn)直管法可得到理想漿料組織的澆鑄溫度區(qū)間顯著增大。

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preparation of Semi-solid A356 Aluminum Alloy with Alloy Slurry by Rotary Straight pipe Casting

XU Ming1，ZHOU Jie-min1，DUAN Cong-chong2，HUANG Bai-cheng1，MENG Fan-ji2
（1.Anhui Agriculture University Institute of Technology，Heifei 230001，China; 2.Hefei YiHui Light Alloy Technology Co.，Ltd.，HeFei 230001，China）

Comparing with the straight pipe pouring，the semisolid A356 aluminum alloy slurry manufactured by rotary straight pipe casting was investigated in different pouring temperature and rotation speed.The experimental results show that，with the decrease of the pouring temperature，the grain of the slurry solidification structure is smaller and the rounded degree of the grain ball is increased in different rotational speed.More importantly，all results show that the smaller and more rounded grain can be obtained by rotary straight pipe casting under the same process parameters.It is also demonstrated that there is a visible enlargement of the casting temperature interval to manufacture the ideal slurry when the rotational speed is increase.With the rotating speed reaching 300r/min，ideal structure can be obtained successfully in spite of the pouring temperature increasing to the 670℃.

rotary straight pipe casting;semi-solid A356 aluminum alloy;semi-solid slurry

TG146.2+1

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2016.03.029

1673-2812（2016）03-0478-04

2015-05-29;

2015-07-14

許 明（1988-），男，碩士，主要從事半固態(tài)金屬成形研究。E-mail：945408943@.com。

周杰敏，女，副教授，E-mail：zjmjmh@163.com。