王玉鳳，王國軍，劉科研，林 森，寧志良

（1.哈爾濱工業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150001；2.東北輕合金有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150060）

材料的組織對其力學性能具有決定性的作用，為了使材料達到理想的力學性能，人們不斷調(diào)整成分、改善工藝以求獲得理想的組織從而達到使用所需的力學性能。在Al-Si系合金中，作為基體的α-Al相的細化[1-3]和作為增強相的Si的變質(zhì)[4-5]一直是研究的重點，而綜合研究大型4032合金鑄錠組織與溫度場分布及其力學性能兩者之間關系的文獻尚少。共晶Al-Si合金由于其在非平衡凝固時偽共晶區(qū)偏向硅一側，在溫度降低過程中，共晶成分的液相不會過冷到偽共晶區(qū)內(nèi)，只有先結晶出α-Al相，α-Al相向液體中排出Si溶質(zhì)原子，當界面前沿液相中的Si溶質(zhì)原子到達一定濃度時才能發(fā)生共晶轉變，所以其組織與亞共晶組織相似[6]。α-Al枝晶組織是亞共晶鋁硅合金鑄件中常見組織，枝晶的微觀偏析程度取決于枝晶間距，而且在鑄件隨后的均勻化熱處理過程中，微觀偏析的消除也依賴于枝晶間距，因此鑄件的機械性能與枝晶間距密切相關。

本文以半連續(xù)鑄造大型4032合金鑄錠為研究對象，結合Procast溫度場分布模擬，旨在獲得4032合金α-Al枝晶二次枝晶臂間距（SDAS）與冷卻速度及其硬度之間的關系。

1 實驗方法

1.1 實驗材料

實驗材料為半連續(xù)鑄造4032鋁合金，鑄錠規(guī)格為φ482mm，其實測成分如表1所示。

表1 4032 鋁合金成分（質(zhì)量分數(shù)，%）

1.2 變質(zhì)工藝及鑄造工藝參數(shù)

實驗采用復合Na鹽（NaF+KCl+NaCl+Na3AlF6）變質(zhì)。變質(zhì)前需先用氬氣對熔體精煉15 min，靜置10min，在熔體溫度不低于770℃時加入預熱好的變質(zhì)劑并進行充分攪拌，靜置30min后打掉表面硬殼進行澆鑄。鑄造工藝參數(shù)見表2。

1.3 溫度場分布模擬

數(shù)值模擬使用的軟件包是PROCAST 2008.0。為了獲得較好的收斂性，對鑄錠采用均勻網(wǎng)格剖分。網(wǎng)格剖分結果如圖1所示，最小網(wǎng)格尺寸為10mm，總節(jié)點數(shù)為72855，總剖分網(wǎng)格數(shù)為396085。4032合金的主要熱物性參數(shù)見表3[7]，其中密度、熱導率、比熱等值是隨著溫度變化而變化的，表中只給出了一種溫度室溫（T=20℃）條件下的值。金相分析及部分硬度測試點如圖1所示。

表2 鑄造工藝參數(shù)

表3 4032鋁合金的熱物性參數(shù)[7]

圖1 1/4鑄錠網(wǎng)格剖分圖

1.4 組織觀察

組織觀察試樣的取樣位置為圖1所示節(jié)點位置。將各試樣磨、拋后制成金相試樣，腐蝕劑為0.5%HF，腐蝕時間10s。利用OLYMPUSPMG3光學金相顯微鏡進行金相分析。

二次枝晶臂間距的測量在定量金相分析軟件Image Pro6.0上進行。首先，在圖1所選節(jié)點附近隨機選取15個不同視場，用金相顯微鏡記錄金相組織；隨后，分別在每個節(jié)點附近15個不同視場中選取清晰連續(xù)的二次枝晶N個，測出其長度為X，則此枝晶的二次枝晶臂間距為；最后對每一個試樣金相的二次枝晶臂間距取平均值

1.5 硬度測試

采用 HB－3000型布氏硬度計對 1、2、6、7、8 號節(jié)點對應的鑄錠實際位置的布氏硬度（HB）測量。試驗采用5mm直徑鋼球為壓頭，載荷2500N，加載后保持30s，每個樣品測3個點，測量出壓痕直徑，求出平均壓痕直徑，對應查表得到相應布氏硬度值。

2 實驗結果

2.1 Procast模擬凝固過程溫度場分布、溫度梯度及凝固時間

利用Procast模擬軟件模擬得到連鑄凝固過程溫度場分布。截取可代表充型階段（step=100）、凝固初期（step=1000）、凝固中期（step=3000）及凝固末期（step=5000）四個階段的溫度場分布，如圖2所示。

圖2 凝固過程溫度場分布截圖

圖3為T=535℃時經(jīng)計算得出的凝固溫度梯度（變化范圍約為0℃～15℃）及鑄錠不同部位的凝固時間（邊緣處的凝固時間約為4 s，心部的凝固時間可達 300s）。

圖3 凝固過程溫度梯度與凝固時間

2.2 顯微組織觀察

圖4為對應模擬測溫節(jié)點1、節(jié)點7和節(jié)點8試樣的光學顯微組織。節(jié)點1為冷卻速度較大的邊緣處，α-Al枝晶較細，二次枝晶臂間距約為10μm，共晶硅主要呈細碎的條棒狀，有極少量長度小于8 μm的初晶硅和小于20μm的多元共晶相出現(xiàn)；節(jié)點7和節(jié)點8處的α-Al枝晶明顯變粗，二次枝晶臂間距約為20μm-40μm，共晶Si仍呈細碎條棒狀，有少量面積約為300μm2的片狀硅相、長約20μm～30μm針狀硅鐵相及粗大的多元相。

圖4 鑄錠不同部位顯微組織

在α-Al枝晶與共晶團的邊緣富集。冷卻速度從外部到心部逐漸減小的過程中α-Al枝晶粗化，二次枝晶臂間距依次增大，處于枝晶與鋁硅二元共晶團間隙處的硅相和多元共晶相尺寸也呈增大趨勢。

2.3 硬度

圖5給出了鑄錠不同部位的布氏硬度值。X為所取位置與鑄錠邊緣的距離。所選位置從邊緣到心部變化的過程中，硬度呈遞減趨勢。距邊緣約10mm處布什硬度可達108 HB，應為冷凝器對液態(tài)金屬的激冷作用所致，隨后凝固位置的硬度值下降平緩，從距邊緣20mm處的98 HB降到近中心處的87 HB。

圖5 鑄錠不同部位的硬度值

3 分析與討論

枝晶組織是鑄件中常見的凝固組織，枝晶的微觀偏析程度取決于枝晶間距。基于Fick定律和Gibbs-Thompson 方 程 ，F(xiàn)urer 和 Wunderlin[8]，Kirkwood[9]和Mortenson[10-11]分別提出了三種二次臂間距理論模型，并分別就三種模型的假設提出了SDAS與冷卻速度CR、局部凝固時間tst之間的關系：

國內(nèi)科技工作者也通過大量實驗得出了以上類似的關系，所選材料涉及鋁合金、鋁硅合金、ZA合金、Cu-Zn 合金、DZ22、Inconel合金、K4169 等等，但不同材料對應的指數(shù)n不同[12-18]。表4列出了本實驗所選測溫節(jié)點對應的局部凝固時間、對應鑄錠位置測得的α-Al二次枝晶臂間距及硬度值。

表4 取樣位置、局部凝固時間、α-Al二次枝晶臂間距及硬度

模擬所選測溫節(jié)點位置局部凝固時間與實驗所測二次枝晶臂間距的關系如圖6所示，經(jīng)數(shù)據(jù)擬合后得到。

圖6 局部凝固時間和二次枝晶臂間距的關系

4 結 論

圖7 二次枝晶臂間距與硬度的關系

半連續(xù)鑄造4032合金錠組織隨凝固時間的延長而粗化，且粗化組織對應的硬度降低。具體關系如下：

1）半連續(xù)鑄造4032合金錠二次枝晶臂間距與局部凝固時間的關系為：

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