ZL114A合金凝固過程應(yīng)力變化

馮義成 張令柱 王麗萍 馬旭梁 姜文勇 郭二軍 劉洪匯 陳冬冬

摘要：以ZL114A合金為研究對象，采用鑄造合金熔體凝固特性分析儀對該合金進(jìn)行動態(tài)凝固應(yīng)力測試，研究了鑄造工藝參數(shù)對ZL114A合金應(yīng)力框鑄件應(yīng)力影響。實驗結(jié)果表明，ZL114A合金凝固過程對應(yīng)力框鑄件的應(yīng)力狀態(tài)及變化有重要影響。隨著澆注溫度的升高，粗桿最小應(yīng)力值和最終應(yīng)力值增加。冷卻速率增加，粗桿最小應(yīng)力值變小，最終應(yīng)力值增加。與未變質(zhì)試樣相比，經(jīng)Sr變質(zhì)處理后，粗桿最小應(yīng)力值減小，最終應(yīng)力值增加。

關(guān)鍵詞：凝固應(yīng)力;ZL114A合金;顯微組織;變質(zhì)處理

DOI：10.15938/j.jhust.2018.05.024

中圖分類號： TG146

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2018）05-0138-05

Solidifying Stress of ZL114A Alloy with Different Process Parameters

FENG Yicheng1，ZHANG Lingzhu1，WANG Liping1，MA Xuliang1，JIANG Wenyong1，GUO Erjun1，LIU Honghui2，CHEN Dongdong1

（1School of Materials Science and Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150040， China;

2AECC Harbin Dong`an Engine Co LTD， Harbin 150066， China）

Abstract：The dynamic solidifying stress of ZL114A alloy was tested by stress testing equipment in this work The effect of casting process parameters on solidifying stress of stressframe specimen was studied The testing results show that the solidifying process has an important effect on the stress state and change of stressframe specimen with ZL114A alloy The minimum stress value and final stress value of coarse bar in stressframe specimen increase with increasing of pouring temperature The minimum stress value decreases and finial stress value increases with increasing of cooling rate Compare to the specimen with unmodified treatment， the minimum stress value decreases and finial stress value increases for the modified ZL114A alloy with Sr

Keywords：Solidifying stress， ZL114A alloy， Microstructure， Modified treatment

0引言

鋁合金具有高的強(qiáng)度、良好的韌性和很好的流動性、氣密性和抗熱裂性，能鑄造復(fù)雜形狀的高強(qiáng)度鑄件，廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、機(jī)械行業(yè)等領(lǐng)域[1-8]。鑄件在凝固過程中會產(chǎn)生收縮，由于鑄型的阻礙作用，從而會在凝固過程中產(chǎn)生熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力[9-10]，這對鑄件的尺寸精度、鑄件性能、鑄件質(zhì)量及鑄件變形或裂紋具有重要的影響。因此，研究鑄件鑄造應(yīng)力的產(chǎn)生及發(fā)展規(guī)律，探索減小鑄造應(yīng)力的工藝方法和措施，對提高鑄件質(zhì)量具有重要的實際意義[11-13]。

本文以ZL114A合金為研究對象，采用哈爾濱理工大學(xué)自主研制的鑄造合金熔體凝固特性分析儀進(jìn)行ZL114A合金凝固過程應(yīng)力測試分析，研究ZL114A合金鑄造工藝參數(shù)對其凝固過程動態(tài)應(yīng)力的影響規(guī)律。

1實驗材料與實驗方法

本實驗采用的ZL114A合金材料為生產(chǎn)航空鑄件的回爐料，化學(xué)成分如表1所示。

本文采用應(yīng)力框試樣進(jìn)行該合金凝固過程動態(tài)應(yīng)力測試，在測試過程中實時記錄凝固過程中的溫度變化和力變化，動態(tài)應(yīng)力測試示意圖如圖1所示。為考察澆注溫度對ZL114A合金凝固過程動態(tài)應(yīng)力的影響，固定試樣砂型為樹脂硅砂砂型，本研究進(jìn)行了澆注溫度為710℃、730℃、750℃和770℃ 4組試驗。為考察冷卻速度對ZL114A合金凝固過程動態(tài)應(yīng)力的影響，固定澆注溫度為730℃，進(jìn)行了試樣砂型為樹脂硅砂砂型和鉻鐵礦砂砂型兩組對比試驗。為考察合金熔體處理對ZL114A合金凝固過程動態(tài)應(yīng)力的影響，固定澆注溫度為730℃，試樣砂型為樹脂硅砂砂型，進(jìn)行了ZL114A合金Sr變質(zhì)處理及ZL114A合金重熔未變質(zhì)兩組對比試驗。具體試驗方案如表2所示。

2試驗結(jié)果

21動態(tài)凝固應(yīng)力分析

應(yīng)力框試樣典型的凝固過程中溫度、凝固動態(tài)應(yīng)力隨時間變化曲線如圖2所示。從圖中可以看出，無論是凝固溫度變化曲線還是動態(tài)應(yīng)力變化曲線，兩個細(xì)桿的變化曲線基本重合。粗桿的凝固冷卻速率明顯低于細(xì)桿的凝固冷卻速率。由于細(xì)桿的冷卻速率較快，先于粗桿凝固，細(xì)桿由于凝固收縮產(chǎn)生拉應(yīng)力，而粗桿產(chǎn)生壓應(yīng)力[14]。隨著凝固時間延長，粗桿開始凝固，產(chǎn)生收縮，使得粗桿由壓應(yīng)力向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變，應(yīng)力并持續(xù)增加;而細(xì)桿所受應(yīng)力開始下降，直至趨于穩(wěn)定。

下面以應(yīng)力框粗桿為例，對ZL114A合金凝固工程進(jìn)行分析。粗桿冷卻曲線及一階求導(dǎo)函數(shù)如圖3所示。從圖中可以看出，隨著凝固時間變化，按冷卻曲線斜率大小， ZL114A合金冷卻曲線可分四部分。第一部分為從鋁液澆入型腔熱電偶顯示最高溫度到αAl開始形核階段，冷卻曲線斜率最大，冷卻速度最快。第二部分為αAl開始形核階段到AlSi共晶凝固開始階段，該階段冷卻曲線斜率變小。第三部分為AlSi共晶凝固開始階段到AlMg2Si共晶凝固階段，該階段冷卻曲線斜率最小，冷卻速度最小。第四部分為ZL114A合金全部凝固后冷卻階段。根據(jù)圖3中冷卻曲線一階求導(dǎo)函數(shù)[15，16]，可確定αAl形核溫度、AlSi共晶凝固開始和AlMg2Si共晶凝固開始溫度分別為621℃、572℃和541℃，如圖3中標(biāo)注所示。

粗桿應(yīng)力曲線及粗桿與細(xì)桿溫度差隨時間變化曲線如圖4所示。從圖中可以看出，隨著凝固時間變化，粗桿和細(xì)桿溫度差先增大然后減小趨勢變化。由于細(xì)桿尺寸較小，在凝固開始時，冷卻速度較大，而粗桿尺寸較大，冷卻速度較小，造成粗細(xì)桿之間存在溫度差。細(xì)桿完全凝固前，粗桿還未處于共晶凝固階段，粗細(xì)桿溫度差先升高然后再降低;當(dāng)細(xì)桿完全凝固后，粗桿還處于共晶凝固階段，隨著時間的變化，粗細(xì)桿溫度差逐漸變大，當(dāng)粗桿共晶凝固結(jié)束時，粗細(xì)桿溫度差最大。當(dāng)粗桿完全凝固后，粗細(xì)桿溫度差越來越小。液態(tài)鋁合金在凝固過程中會釋放結(jié)晶潛熱，液態(tài)金屬比固態(tài)金屬導(dǎo)熱慢，另外合金在共晶反應(yīng)時也會釋放熱量。當(dāng)細(xì)桿完全凝固前，進(jìn)行共晶反應(yīng)時會放出熱量，使細(xì)桿冷卻速率降低，而粗桿處于液態(tài)和αAl形核凝固階段，粗細(xì)桿溫度差表現(xiàn)為先升高然后再降低。當(dāng)細(xì)桿完全凝固，而粗桿處于共晶凝固階段，細(xì)桿的冷卻速率高，而粗桿的冷卻速率低，所以 粗細(xì)桿溫度差增大。當(dāng)粗細(xì)桿都完全凝固后，粗桿溫度高，而細(xì)桿溫度低，由于兩桿溫度差別造成其冷卻速率差別，即粗桿溫度高，冷卻速率大，細(xì)桿溫度低，冷卻速率小，所以粗細(xì)桿溫度差越來越小。

根據(jù)粗細(xì)桿溫度差變化和粗桿凝固應(yīng)力變化，從圖中還可以看出，當(dāng)細(xì)桿完全凝固后，粗桿共晶凝固開始時，也即粗桿凝固形成固體骨架時，粗桿應(yīng)力處于最小值。隨著凝固時間延長，粗細(xì)桿溫差最大時，凝固應(yīng)力增加，但增加幅度不大。當(dāng)粗桿完全凝固，粗細(xì)桿都處于固態(tài)收縮階段，粗桿應(yīng)力持續(xù)增加，并呈線性增長趨勢。因此，從應(yīng)力框試樣動態(tài)凝固應(yīng)力與試樣的凝固過程密切相關(guān)，粗桿和細(xì)桿凝固進(jìn)程不同，造成不同部位應(yīng)力狀態(tài)不同。也即，對于壁厚不同的鑄件，其冷卻速度不同，勢必會造成不同壁厚部位產(chǎn)生凝固應(yīng)力，容易造成鑄件產(chǎn)生熱裂或變形等缺陷。因此，降低鑄件不同壁厚部位冷卻速率差，實現(xiàn)同時凝固，是降低鑄件凝固應(yīng)力的一個措施。

22工藝條件對ZL114A合金凝固動態(tài)應(yīng)力的影響

不同澆注溫度的粗桿動態(tài)凝固應(yīng)力如圖5所示。從圖中可以看出，澆注溫度對動態(tài)凝固應(yīng)力變化趨勢沒有影響，與圖2表現(xiàn)趨勢一致。隨著澆注溫度變化，對最終應(yīng)力值大小以及凝固過程中最小應(yīng)力值有所影響。澆注溫度越低，其最小應(yīng)力值也越小;澆注溫度越高，最終應(yīng)力值越大。澆注溫度越高，導(dǎo)致鑄型升溫越高，會影響粗細(xì)桿凝固速率，減小粗細(xì)桿溫度差，可降低凝固最小應(yīng)力;另外澆注溫度越高，使得金屬收縮率越大，從而使得最終應(yīng)力增高。當(dāng)澆注溫度為730℃時，動態(tài)凝固應(yīng)力變化趨勢稍有差別，需進(jìn)一步深入研究。

樹脂硅砂砂型和鉻鐵礦砂砂型的粗桿動態(tài)凝固應(yīng)力如圖6所示。從圖中可以看出，樹脂鉻鐵礦砂砂型的凝固應(yīng)力最小值比樹脂硅砂砂型的值低，而最終凝固應(yīng)力值高于樹脂硅砂砂型的值。鉻鐵礦砂導(dǎo)熱效果比硅砂好，鉻鐵礦砂的蓄熱系數(shù)比硅砂大，因此，鉻鐵礦砂型的冷卻速率大于樹脂硅砂砂型的冷卻速率，造成粗細(xì)桿溫差更大，粗桿的凝固速率更高，相同時間收縮更大。從而動態(tài)凝固應(yīng)力最小值更小，最終應(yīng)力值更高。

回爐料重熔和回爐料重熔+Sr變質(zhì)的粗桿動態(tài)凝固應(yīng)力如圖7所示。從圖7可以看出，經(jīng)Sr變質(zhì)處理后，粗桿的凝固應(yīng)力最小值比未經(jīng)變質(zhì)處理的要低，最終凝固應(yīng)力比未經(jīng)變質(zhì)處理的要高。Sr變質(zhì)處理對ZL114A合金的凝固過程產(chǎn)生影響，降低了αAl形核溫度和AlSi共晶凝固開始溫度，提高了AlMg2Si共晶凝固開始溫度。Sr變質(zhì)處理ZL114A合金的αAl形核溫度、AlSi共晶凝固開始和AlMg2Si共晶凝固開始溫度分別為617℃、564℃和548℃（與圖3的計算方法相同）。這同時說明合金的凝固過程 對其動態(tài)凝固應(yīng)力有重要影響。

23顯微組織

不同條件ZL114A合金的鑄態(tài)金相組織如圖8所示。

從圖中可以看出，生產(chǎn)航空鑄件的ZL114A合金回爐料經(jīng)730℃重熔后，由于組織遺傳效應(yīng)[17]及回爐料中殘留Sr元素，共晶硅為棒狀或纖維狀，仍為變質(zhì)組織特征，如圖8（a）所示。當(dāng)澆注溫度升到770℃，ZL114A合金中的共晶硅轉(zhuǎn)變?yōu)榇执筢樒瑺?，如圖8（b）所示。這是因為高的熔煉溫度可以消除組織遺傳效應(yīng)，另外，溫度較高時可造成變質(zhì)元素Sr的嚴(yán)重?zé)龘p，Sr含量減少，變質(zhì)效果消失。與樹脂硅砂砂型相比，鉻鐵礦砂砂型試樣中的共晶硅更加細(xì)小、均勻。高的冷卻速度可以抑制共晶硅長大，提高變質(zhì)效果。經(jīng)Sr變質(zhì)處理后，共晶硅全部變?yōu)槔w維狀。從初生αAl相形貌、尺寸來看，冷卻速度影響最大，其次是澆注溫度，變質(zhì)處理影響效果最小。李建峰等人[18]研究結(jié)果認(rèn)為，變質(zhì)處理只影響Si的形態(tài)，αAl相尺寸及枝晶搭接點的固相分?jǐn)?shù)沒有影響。結(jié)合上述動態(tài)凝固應(yīng)力分析，不同工藝條件對共晶硅尺寸和形貌影響較大，也即對共晶凝固階段有較大影響，從本研究結(jié)果來看，共晶凝固過程對ZL114A合金的凝固應(yīng)力有較大影響。

3結(jié)論

1）應(yīng)力框粗桿試樣動態(tài)凝固應(yīng)力受粗桿和細(xì)桿凝固過程的影響，與粗細(xì)桿溫度差有一定關(guān)系。

2）澆注溫度對試樣凝固應(yīng)力影響較大，但對粗桿最小應(yīng)力值和最終應(yīng)力值影響不同。

3）砂型冷卻速率大和Sr變質(zhì)處理均使粗桿最小應(yīng)力值降低和最終應(yīng)力值升高。

參 考 文 獻(xiàn)：

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（編輯：關(guān)毅）