譚建波,李增民,李立新,郭莉軍

(河北科技大學材料科學與工程學院,河北石家莊 050018)

澆注長度對流變壓鑄A lSi9M g組織及性能的影響

譚建波,李增民,李立新,郭莉軍

(河北科技大學材料科學與工程學院,河北石家莊 050018)

采用自制的傾斜流變裝置制備半固態(tài)合金熔體并直接進行流變壓鑄,研究了澆注長度對半固態(tài)A lSi9M g組織及性能的影響。結果表明:澆注長度對抗拉強度和伸長率影響較大,對硬度和沖擊韌性影響較小。澆注長度為500 mm時,抗拉強度為290 M Pa,延伸率為4.1%,硬度為77.9 HBS,沖擊韌性為0.72 kJ/m2。流變壓鑄后A lSi9M g組織晶粒尺寸明顯減小,形狀明顯圓整。澆注長度為500 mm時,流變壓鑄組織中的初生固相平均尺寸為7.1μm,形狀因子為0.73。

澆注長度;流變壓鑄;A lSi9M g;組織;性能

目前,由于傾斜板法具有投資成本低、設備簡單、生產效率高等優(yōu)點[1-3],因此得到了國內外研究人員的普遍關注[4-7]。研究表明,傾斜板的參數(shù)如傾斜板長度[8]、傾斜板角度[9]等對半固態(tài)合金的顯微組織形貌有明顯影響,而壓力鑄造由于生產效率高、尺寸精確而適合于大批量生產,但限制壓鑄技術應用的主要問題是壓鑄件的多孔性以及由此帶來的強度問題。多孔性導致壓鑄件力學性能下降,通常無法進行熱處理,從而限制了壓鑄件應用范圍的擴大[10]。為了提高壓鑄件的致密度,以半固態(tài)流變壓鑄為代表的層流壓鑄法[11]由于生產成本低,工藝流程短,生產效率高,成形件的性能、質量、經濟性等方面都具有極強的競爭力,受到了學術界和工業(yè)界的廣泛關注[12-13]。

筆者采用自制的傾斜流變裝置制備半固態(tài)合金熔體并直接進行流變壓鑄,研究了澆注長度對半固態(tài)A lSi9M g組織及性能的影響。

1 實驗材料及方法

實驗所用材料為A lSi9M g合金,名義成分為9%(質量分數(shù),下同)Si,0.4%M n,0.25%M g,余量為A l。實際測得合金的液相線為595℃,固相線為555℃。

采用傾斜冷卻剪切流變法制備半固態(tài)合金熔體,實驗設備為自行設計、振動頻率可調的傾斜冷卻剪切裝置[14],流變壓鑄原理示意圖如圖1所示。

為了研究澆注長度對A lSi9M g合金組織和性能的影響,需要固定其他參數(shù)。實驗條件如下:傾斜板的傾斜角度為30°,預熱溫度為120℃,澆注溫度為610℃,振動頻率為50 Hz,澆注量為260 g(通過澆注勺容積控制),充型速度為2.1 m/s,壓射比壓為60 M Pa,保壓時間為5 s。澆注長度分別為300,400, 500,600,700 mm并進行流變壓鑄(澆注長度是指在傾斜板上澆注合金液位置到傾斜板下端的距離)。待試樣凝固后,頂出試樣,測定力學性能。成形試樣沿長度方向截取,在相同高度上截取相等長度的試樣制成金相試樣,成形的流變壓鑄試樣如圖2所示。

試樣用4%(質量分數(shù))的NaOH溶液侵蝕。利用圖像分析技術測定水淬組織中初生固相的平均周長、平均尺寸,計算初生固相晶粒的尺寸和形狀因子[14]。為了減小誤差,對每個試樣的6～8個視場進行了測量,然后取其平均值作為該試樣初生固相的組織特征。

2 實驗結果與討論

2.1 澆注長度對流變壓鑄AlSi9Mg組織的影響

圖3為不同澆注長度下的流變壓鑄A lSi9M g組織,圖3 f)為澆注長度500 mm時的水淬組織。對比圖3 c)和圖3 f)可以明顯看出,在相同的澆注長度下,水淬組織初生固相的平均尺寸為50μm,形狀因子為0.57;而流變壓鑄后初生固相的平均尺寸為7.1μm,形狀因子為0.73。因此,流變壓鑄后A lSi9M g組織晶粒尺寸明顯減小,形狀明顯圓整,基體(α+β)共晶組織細小、均勻、致密。

從圖3中可以看出,澆注長度對流變壓鑄后初生固相率影響較大,隨著澆注長度的增加,組織中初生固相率也增加。這是因為初生固相率與合金溫度有很大關系,其關系式為[15]

根據(jù)式(1),初生固相率隨溫度的降低而增加,由于隨著澆注長度的增大,合金熔體在傾斜板上滯留的時間越長,溫度下降越多,即流變壓鑄之前合金熔體中的初生固相率就高,因此表現(xiàn)為流變壓鑄后組織中的初生固相多。

但澆注長度對流變壓鑄后初生固相的平均尺寸和形狀因子影響較小。筆者認為這主要是因為在流變壓鑄過程中,合金熔體由壓室進入模具型腔時,由于內澆口扁平、尺寸較小,合金熔體通過內澆口進入型腔時,受到高速、高壓的作用,初生固相會受到很大的剪切力作用,這樣會使初生固相晶粒破碎、細化,從流變壓鑄后組織明顯細化也可以說明這一點。

圖3 不同澆注長度下的流變壓鑄組織Fig.3 Microstructure of different pouring length by rheo-diecasting process

AlSi9Mg合金在流變壓鑄的過程中,經歷了2次凝固階段,即一次凝固和二次凝固階段,一次凝固階段為半固態(tài)合金熔體的制備階段,二次凝固為流變壓鑄階段。二次凝固主要發(fā)生在模具型腔內,與一次凝固階段不同,二次凝固階段的主要特征是極高的冷卻速度。由于冷卻速度較高,因此出現(xiàn)了α2-Al(圖3中細小的白色顆粒,數(shù)量較少)。從圖3中還可以看出,流變壓鑄后零件的孔洞較少,這是因為半固態(tài)合金熔體中含有一定數(shù)量的固相,黏度較大,充型過程中包裹氣體的可能性大大降低。因此,半固態(tài)流變壓鑄件可以進行熱處理。

2.2 澆注長度對AlSi9Mg合金性能的影響

力學性能與澆注長度的關系如圖4所示,不同澆注長度下的力學性能見表1。

圖4 力學性能與澆注長度的關系Fig.4 Connection of mechanical p roperties and pouring length

表1 不同澆注長度下的力學性能Tab.1 Mechanical p roperties of different pouring length

由圖4可以看出,澆注長度對抗拉強度和延伸率影響較大,對硬度和沖擊韌性影響較小。隨著澆注長度的增加,抗拉強度和延伸率先增加后減小,澆注長度為500 mm時,到達峰值,抗拉強度為290 M Pa,延伸率為4.1%。硬度和沖擊韌性隨著澆注長度的增加先增加,到500 mm后,變化較小,趨于平緩。由于合金的力學性能和金相組織密切相關,進一步分析圖3 a)和圖3 b)可以看出其澆注長度較短,初生固相較少且分布不均勻;在圖3 d)和圖3 e)中,由于澆注長度的增加,初生固相出現(xiàn)了偏聚現(xiàn)象,即初生固相分布不均勻;在圖3 e)中還可以看出,由于流變壓鑄前初生固相偏多,流變壓鑄時晶粒受到的剪切作用較大,晶粒雖然比較細小,但不圓整,澆注長度為500 mm時,組織均勻,晶粒圓整,初生固相的平均尺寸為7.1μm,形狀因子為0.73。

3 結 論

1)相同澆注長度下,水淬組織初生固相的平均尺寸為50μm,形狀因子為0.57;流變壓鑄后初生固相的平均尺寸為7.1μm,形狀因子為0.73。流變壓鑄后A lSi9M g組織晶粒尺寸明顯減小,形狀明顯圓整。

2)澆注長度對抗拉強度和延伸率影響較大,對硬度和沖擊韌性影響較小。澆注長度為500 mm時,抗拉強度為290 M Pa,延伸率為4.1%,硬度為77.9 HBS,沖擊韌性為0.72 kJ/m2。

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Influence of pouring length on rheo-die casting
microstructures and p roperties of A lSi9M g

TAN Jian-bo,L IZeng-m in,L ILi-xin,GUO Li-jun
(College of Materials Science and Engineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang Hebei050018,China)

The influence of pouring length on the rheo-die casting microstructure and p roperties of AlSi9M g have been researched by rheo-die casting method after semi-solid AlSi9M g alloy melt p repared into by incline cooling and shearing device. The results show that the pouring length has great influence on the tensile strength and the elongation percentage,but little on the hardness and the impact toughness.When the pouring length is 500 mm,the tensile strength is 290 MPa,the elongation percentage is 4.1%,the hardness is 77.9 HBS and the impact toughness is 0.72 kJ/m2.After rheo-die casting,the grain size of A lSi9M g becomes smaller significantly and the shape becomesmo re round.When the pouring length is 500 mm,the average diameter of p rimary solid phase is 7.1μm and the shape facto r is 0.73.

pouring length;rheo-die casting;A lSi9M g;microstructure;p roperties

TG146.4

A

1008-1542(2010)06-0568-04

2010-07-25;

2010-09-16;責任編輯:張士瑩

河北省自然科學基金資助項目(E2010000880);河北科技大學博士基金資助項目(QD200901)

譚建波(1964-),男,河北定州人,教授,博士,主要從事半固態(tài)成形技術與理論方面的研究。