周運(yùn)海，陳文珂 ，黃 韋

（合肥工業(yè)大學(xué)，安徽合肥 230009）

A390合金近液相線(xiàn)法處理中初生硅形態(tài)的演變

周運(yùn)海，陳文珂 ，黃 韋

（合肥工業(yè)大學(xué)，安徽合肥 230009）

采用A390合金為試驗(yàn)原料，通過(guò)改變、控制澆注溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度，研究了在近液相線(xiàn)區(qū)不同溫度（620℃～695℃）、不同保溫時(shí)間（10min～70min）下獲得半固態(tài)合金坯料組織的演變規(guī)律及變化機(jī)理。結(jié)果表明：在635℃～650℃，保溫40min～55min，能夠得到細(xì)小、均勻、圓整的顆粒狀初生硅組織。因此，僅通過(guò)控制近液相線(xiàn)法鑄造的工藝參數(shù)便可改善A390合金半固態(tài)坯料中初生硅的尺寸和形貌，這是獲得半固態(tài)坯料的一種簡(jiǎn)單、高效和低成本的方法。

A390合金；半固態(tài)成形；近液相線(xiàn)法

半固態(tài)成形技術(shù)（SSM）是美國(guó)麻省理工學(xué)院M.C.Flemings教授等人在20世紀(jì)70年代首先提出的。該技術(shù)綜合了傳統(tǒng)的鑄造和鍛造兩種成型方法的優(yōu)點(diǎn)，可以高效地成型形狀復(fù)雜的零部件，且具有低能耗、高質(zhì)量和近終成型等優(yōu)點(diǎn)。在半固態(tài)成形技術(shù)中，半固態(tài)坯料的制備是整個(gè)成形技術(shù)的基礎(chǔ)，因此國(guó)內(nèi)外有大量的研究人員對(duì)此開(kāi)展深入的研究[1-12]，然而在鋁硅合金半固態(tài)坯料制備方面所研究的對(duì)象主要是亞共晶和共晶鋁硅合金，對(duì)過(guò)共晶半固態(tài)坯料制備工藝方面的研究卻很少。過(guò)共晶鋁合金具有耐磨性好、線(xiàn)膨脹系數(shù)小、抗腐蝕性和鑄造性能好等優(yōu)點(diǎn)，在鋁硅合金應(yīng)用中的比例逐年增加，受到越來(lái)越多人的關(guān)注。但是采用常規(guī)鑄造的過(guò)共晶鋁硅合金組織中通常含有粗大塊狀和板條狀的初生硅，這種初生固相會(huì)嚴(yán)重的影響成形材料的機(jī)械性能和加工性能，制約過(guò)共晶鋁硅合金的廣泛應(yīng)用。因此制備出具有細(xì)小、圓整且分布均勻的初生硅相半固態(tài)漿料進(jìn)行半固態(tài)成形具有重要的應(yīng)用價(jià)值。目前，主要用于制備過(guò)共晶半固態(tài)漿料的方法主要有：機(jī)械攪拌法[1]、電磁攪拌法[2-3]、超聲波處理法[4]、低過(guò)熱度澆注和弱電磁結(jié)合法[5-6]、熔體混合法[7]等。近液相線(xiàn)法是一種新型的半固態(tài)漿料制備技術(shù)，已經(jīng)采用這種方法成功的制備了如A356合金、ZL201合金、和6061變形鋁合金半固態(tài)漿[8-10]近幾年，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者采用近液相線(xiàn)法制備A390合金半固態(tài)坯料，研究在液相線(xiàn)以上10℃至100℃澆注溫度對(duì)A390合金初生硅的影響[11]，然而對(duì)A390合金的研究?jī)H限于保溫時(shí)間一定，澆注溫度在液相線(xiàn)以上一定溫度區(qū)間內(nèi)的條件下初生硅的變化，為了進(jìn)一步了解不同工藝參數(shù)對(duì)A390合金半固態(tài)坯料組織變化的影響 ，本課題以A390合金為研究對(duì)象，研究了在不同澆注溫度和保溫時(shí)間下獲得半固態(tài)坯料組織初生硅的變化規(guī)律和演變機(jī)理。

1 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)用A390合金化學(xué)成分見(jiàn)表1，用純度大于99.1%的結(jié)晶硅、純銅、金屬鎂和ZL102為原料在坩堝電阻爐內(nèi)配制而成，先將石墨坩堝預(yù)熱至500℃，接著加入Al-12Si并升溫至690℃，待其完全熔化后加入結(jié)晶硅，對(duì)其進(jìn)行保溫、攪拌直至完全熔解，然后加入純銅并進(jìn)行間斷地?cái)嚢柚敝镣耆劢?，最后加入純鎂，待鎂完全熔解后將溫度升至810℃并保溫15min，之后將溫度降至740℃保溫5min后壓入C2Cl6（總質(zhì)量的0.5%）并不斷攪拌直至其熔解完畢，接著對(duì)熔體進(jìn)行扒渣。將經(jīng)過(guò)精煉和扒渣后的合金在電阻坩堝爐中進(jìn)行保溫，用計(jì)算機(jī)控溫儀精確控制溫度，溫度偏差為±1℃。

表1 試驗(yàn)用A390合金的化學(xué)成分（wt%）

A390合金在液相線(xiàn)附近不同溫度下的近液相線(xiàn)法處理過(guò)程。先將試驗(yàn)合金加熱到700℃熔化，然后隨爐冷卻至620℃～695℃，在爐內(nèi)保溫40min后澆入金屬型獲得φ80mm×30mm的鑄錠。

在不同保溫時(shí)間下的近液相線(xiàn)法處理過(guò)程為，先將合金升溫至700℃熔化，然后隨爐冷卻至650℃，保溫10min～70min后，澆入金屬型獲得φ80mm×30mm的鑄錠。

在上述試驗(yàn)獲得的錠坯垂直橫截面上的相同位置切取試樣，試樣經(jīng)過(guò)粗磨、細(xì)磨、精磨和拋光后用體積分?jǐn)?shù)為0.5%HF腐蝕，采用光學(xué)顯微鏡觀(guān)察金相顯微組織。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 保溫溫度對(duì)顯微組織的影響

圖 1 740℃常規(guī)澆注

圖1為A390合金常規(guī)澆注下的顯微組織，其中圖中黑色色塊狀為初晶硅，淺黑色針狀為共晶組織，白色為α（Al）相。A390合金的液相線(xiàn)溫度為650℃，在740℃澆注時(shí)，澆注的溫度較高，過(guò)冷度較小，形核的數(shù)量較少，晶粒不會(huì)因?yàn)樯L(zhǎng)空間不足而相互抵觸，初生硅可以沿著一定的方向生長(zhǎng)，并且由于溫度場(chǎng)和溶質(zhì)場(chǎng)極不均勻，所以導(dǎo)致形成具有尖銳棱角的多邊形和長(zhǎng)板條狀初生硅，并且可以看到有嚴(yán)重的偏聚現(xiàn)象；由圖2f可見(jiàn)，在695℃下澆注，高于液相線(xiàn)45℃，澆注溫度相對(duì)較高，但是在保溫的過(guò)程中，在合金液中已有少量的準(zhǔn)固相原子團(tuán)，過(guò)冷度相對(duì)較大，溫度場(chǎng)和溶質(zhì)場(chǎng)相對(duì)均勻，從圖中也可看出初生相較均勻，晶粒尺寸較小，形貌有向圓整轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，但仍有偏聚現(xiàn)象；由圖2e、2c可發(fā)現(xiàn)，隨著澆注溫度向液相線(xiàn)靠近，初生相晶粒尺寸逐漸變小，形貌也逐漸變得圓整，但是變化并不是非常的明顯，當(dāng)澆注溫度降至650℃時(shí)，初生硅得到明顯的細(xì)化作用，并且形態(tài)比較圓整，這主要是因?yàn)楫?dāng)澆注溫度為650℃時(shí)，合金液中存有大量的準(zhǔn)固相原子團(tuán)簇，在合金液澆注到金屬型時(shí)，過(guò)冷度比較大，大量的準(zhǔn)固相原子團(tuán)簇就會(huì)促進(jìn)大量形核，且大量晶核在生長(zhǎng)的過(guò)程中也會(huì)受到空間的限制而相互抵制，從而阻礙其長(zhǎng)大。Al基也得到一定的細(xì)化作用，但是并不明顯。共晶硅基本沒(méi)有多大的變化；由圖2c、2a可見(jiàn)，初晶硅有長(zhǎng)大的趨勢(shì)，這主要是因?yàn)榇藭r(shí)澆注溫度已經(jīng)在液相線(xiàn)溫度以下，當(dāng)澆注溫度為635℃時(shí)，此時(shí)晶粒的粗化還不是很明顯，因?yàn)樵?35℃保溫時(shí)，合金液中不僅存在有大量的準(zhǔn)固態(tài)原子團(tuán)，還有一定量的游離態(tài)的固相顆粒存在，所以在合金液澆入金屬型時(shí)，過(guò)冷度比較大，一方面已存在的固相顆粒繼續(xù)長(zhǎng)大，另一方面，大量準(zhǔn)固相原子團(tuán)促進(jìn)形核及快速生長(zhǎng)，但是同樣由于生長(zhǎng)空間的限制，最終得到比較均勻和細(xì)小的組織。而當(dāng)溫度降至620℃時(shí)，此時(shí)合金液中有大量游離的固相顆粒存在，所以在澆注時(shí)，合金熔體主要是向著初生相長(zhǎng)大的方向進(jìn)行。從而最終形成較大的初生硅顆粒。

圖2 不同保溫溫度下A390合金的顯微組織

2.2 保溫時(shí)間對(duì)顯微組織的影響

由圖3g、3h、2c可見(jiàn)，隨著保溫時(shí)間的增加，初生硅的顆粒逐漸減小，這主要是因?yàn)殡S著保溫時(shí)間的增加，合金液中溫度場(chǎng)和溶質(zhì)場(chǎng)就會(huì)相對(duì)均勻，而這樣就會(huì)使得準(zhǔn)固相原子團(tuán)更加均勻的分布在合金中，但是并不是保溫時(shí)間越長(zhǎng)，初生硅的尺寸就會(huì)越均勻、細(xì)小，由圖2c、3i、3j可見(jiàn)，隨著保溫時(shí)間的繼續(xù)延長(zhǎng)，合金中的初生硅相反而會(huì)逐漸增大。根據(jù)Ostwaldripening的LSW理論，小顆粒的尺寸不斷減小直至完全熔化，大顆粒的尺寸會(huì)不斷增大。所以隨著時(shí)間的繼續(xù)增加，合金溶液中開(kāi)始出現(xiàn)較大的初生硅顆粒，并隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而增多，并在澆注的過(guò)程中直接快速長(zhǎng)大，從而使得獲得的組織中含有粗大晶粒的初生硅。

圖3 不同保溫時(shí)間下A390合金的顯微組織

3 結(jié)論

（1）隨著保溫溫度的降低，初生硅的平均直徑先減小，后增大，在650℃獲得最佳的組織；

（2）隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，初生硅的尺寸先越來(lái)越小，分布越來(lái)越均與，但隨保溫時(shí)間進(jìn)一步增加，初生硅晶粒開(kāi)始逐漸粗化；

（3）在635℃～650℃，保溫40min～55min，能夠得到細(xì)小、均勻、圓整的顆粒狀初生硅;

（4）通過(guò)控制工藝因素，在650℃下保溫40min澆入金屬型可以獲得組織最好的漿料。

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Evolution of primary of A390 Alloy during near-liquidus semi-solid casting

ZHOU YunHai，CHEN WenKe，HUANG Wei

(Hefei University of Technology, Hefei 230009, Anhui China)

The A390 alloy billets have been prepared as experiment material. The evolution and forming mechanism of microstructures of the obtained near-liquidus semi-solid billets have been studied by controlling the holding temperature changing from 620℃ to 695℃, holding time changing from 10 min to 70 min. The results showed that f ne, uniform and round granule primary Si could be created with holding time for 40～55 min at 635～650℃. The dimension and appearance of primary Si of A390 alloy semi-solid billets would be improved by controlling only the processing parameters of near-liquidus semi-solid forming which would be a simple, effective method to prepare semi-solid billet with lower cost.

A390 alloy; Semi-solid forming; Near-liquidus casting

TG146.2+1；

A；

1006-9658（2012）05-0008-3

2012－06－04

稿件編號(hào)：1206－061

周運(yùn)海（1986-），男，在讀碩士，研究方向鑄造材料