劉洪軍，王揚虎，李亞敏

（蘭州理工大學 有色金屬新材料省部共建國家重點實驗室，蘭州730050）

0 引 言

隨著金屬產(chǎn)品向輕量化、高性能和低成本方向的發(fā)展，對于半固態(tài)成形技術(shù)的研究越來越深入，應(yīng)用范圍不斷擴大。半固態(tài)坯料或漿料的制備技術(shù)是金屬產(chǎn)品半固態(tài)成形的前提和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，作為一種短流程、高效率、低成本和工藝簡單的半固態(tài)漿料制備工藝，傾斜板法得到了廣泛的關(guān)注，尤其適合在半固態(tài)流變鑄造中應(yīng)用［1-4］。

傾斜板法是將略高于液相線溫度的金屬液倒在傾斜的冷卻板上，在重力的作用下金屬液流入漿料收集容器中或者直接進入流變成形裝置中成形。在流經(jīng)冷卻板的過程中，晶粒大量形核并被沖擊、攪拌和脫落，有利于得到球晶或者薔薇狀晶粒的初生相組織，從而可以獲得晶粒細小、無明顯枝晶的半固態(tài)組織。在傾斜板法的原理基礎(chǔ)上，很多研究者進行了一些改進，如采用水冷和氣冷的混合冷卻方式、波浪形板面和振動復(fù)合［5-6］、冷卻傾斜管［7］、蛇形通道［8］和阻尼冷卻管［9］等，取得了更好的半固態(tài)漿料制備效果。

在傾斜板法制備半固態(tài)漿料時，金屬液流動過程影響了結(jié)晶初始狀態(tài)和形核長大條件，最終決定了所形成的半固態(tài)合金組織。在各種影響因素中，金屬液在傾斜板上的流動距離和速度決定了傾斜板的冷卻條件和沖擊攪拌效果，而金屬液的澆注溫度對形核和結(jié)晶條件影響非常大?；趦A斜板法原理開發(fā)的半固態(tài)漿料制備工藝研究中，幾乎都涉及這三個關(guān)鍵因素，但大多集中于工藝參數(shù)對組織和性能的影響趨勢和優(yōu)化等方面。傾斜板法之所以能夠獲得非枝晶化的半固態(tài)漿料組織，主要源于促進形核和流動沖擊兩方面的作用。從這兩方面的作用分析這三個關(guān)鍵因素對凝固組織的影響，將更有利于認識金屬液在傾斜板上流動過程中復(fù)雜的動態(tài)結(jié)晶形核和凝固。因此，作者以A356鋁合金為研究對象，采用傾斜板法制備了半固態(tài)漿料，考察了澆注溫度、金屬液流動距離和冷卻板傾斜角度對其凝固后顯微組織的影響。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為商用A356鋁合金，其化學成分（質(zhì)量分數(shù)/%）為7.0Si，0.35Mg，＜0.20Fe，＜0.20Cu，＜0.10Mn，0.20Zn，＜0.20Ti，＜0.05Pb，余 Al。A356鋁合金液相線和固相線的溫度分別為615℃和577℃，半固態(tài)溫度區(qū)間為38℃。

傾斜板的結(jié)構(gòu)如圖1所示，板由5mm厚的45號鋼板焊接而成，總長為1 200mm，傾斜角度由支架調(diào)整。半固態(tài)漿料收集容器是由厚3mm鋼板焊接的底面為150mm×60mm的楔形槽，放置在水冷槽中。所有試驗均在約22℃下進行。

圖1 制備A356半固態(tài)漿料的傾斜板結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic drawing of inclined cooling plate for preparing semi-solid A356alloy slurry

首先在坩堝電阻爐中熔化A356合金，熔化溫度控制在700℃，在此溫度下精煉，當金屬液溫度降低到預(yù)定澆注溫度（620，630，640，650 ℃）后，在預(yù)設(shè)位置將金屬液倒出，沿冷卻板流入水冷槽中的漿料收集容器中，冷卻后取樣。每次試驗合金澆注量約為800g，在楔形槽收集容器中形成約120mm×50mm×5mm的薄片，在薄片中心位置取樣，試樣經(jīng)預(yù)磨（粗磨、細磨）、拋光后，用體積分數(shù)為0.5%的HF溶液進行腐蝕，然后在MeF3型光學顯微鏡下觀察顯微組織。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 澆注溫度對顯微組織的影響

澆注溫度對半固態(tài)組織的形成有著非常重要的影響，在理想的澆注溫度下既能獲得良好的半固態(tài)組織形態(tài)又能保證其在冷卻板上的流動速度。澆注溫度過高，冷卻板促進形核的激冷作用大大降低，甚至不能起到應(yīng)有的作用；澆注溫度過低，金屬液流動性能惡化，在冷卻板上流動速度太低，甚至部分凝固的金屬液會粘附在冷卻板上，金屬液流動沖擊和攪拌的作用將減弱或者不存在，也不能得到半固態(tài)的漿料。

試驗結(jié)果表明，當金屬液在冷卻板上流動距離（800mm）和冷卻板傾斜角度（60°）保持不變，澆注溫度為620℃時，由于過熱度太小，合金澆注到冷卻板上因激冷形成較大的過冷度，初生晶形核長大迅速，過高的固相率阻礙了金屬液的流動，在冷卻板末端形成凝固的金屬殼，收集容器中未能得到完整的凝固試樣；在其他三種澆注溫度下，金屬液的過熱度可以保證熔融合金在冷卻板上流動順暢，在收集容器中均可獲得較完整的凝固試樣。

由圖2可見，當澆注溫度為620℃（即過熱度為5℃）時，得到的凝固組織由初生α相和共晶相組成，大部分初生相以近球團形、薔薇狀晶粒及獨立塊狀存在，符合半固態(tài)組織特征。雖然，在此溫度下金屬液流動不暢，但是激冷效果好，與冷卻板接觸時大量形核，即使流動沖擊作用較弱，得到的試樣組織仍然細小，初生晶粒呈現(xiàn)良好的半固態(tài)特征，這是由于大量晶核間相互抑制長大，細小等軸晶凝固長大形成。當澆注溫度為630℃（即過熱度提高到15℃）時，組織中大部分初生α相呈近球狀和塊狀，晶粒尺寸多在50～200μm間，分布很均勻，共晶組織均勻分布在初生晶粒之間，表明在過熱度低時，冷卻板對金屬液的激冷效果好，金屬液與冷卻板接觸時大量形核，大量初生α相晶核間相互抑制長大，以細小等軸晶凝固，同時將共晶成分的金屬液均勻分散在初生α相晶粒間，也使得凝固后的共晶組織均勻細小。當澆注溫度為640℃（即過熱度為25℃）時，初生α相的薔薇狀組織特征明顯，晶粒多以簇團狀連接在一起，單獨塊狀形貌的晶粒變少，二次枝晶開始出現(xiàn)，晶粒的縱橫比逐漸變大，初生相的晶粒尺寸多在100～400μm間，尺寸有所長大，而初生晶粒間的共晶組織更大且相互連接趨向更明顯，表明過熱度的提高使冷卻板的激冷形核作用減弱，初生相形核數(shù)量減少，形核后有更多的時間長大，最后凝固的共晶成分液相也更集中；當澆注溫度為650℃（即過熱度達到35℃）時，初生相的半固態(tài)組織特征已經(jīng)惡化，可以看到明顯的枝晶形貌，出現(xiàn)較長一次枝晶臂和二次枝晶臂，初生相枝晶組織粗大，尺寸可達500～1 000μm以上，枝晶間共晶相粗大，因此太高的過熱度將使冷卻板的激冷作用降低，很難再獲得較好的半固態(tài)組織。

圖2 不同澆注溫度下半固態(tài)A356合金漿料的凝固顯微組織（800mm，60°）Fig.2 Solidification microstructure of semi-solid slurry of A356alloy at different pouring temperatures

采用文獻［10］的計算方法分析圖2組織中初生α相晶粒的平均形狀系數(shù)，衡量其晶粒圓整度，該系數(shù)越接近于1，晶粒越圓整。結(jié)果表明：半固態(tài)組織在過熱度低于25℃時，圓整度較好，大部分在0.6以上，平均晶粒尺寸在100μm以下；而過熱度高于25℃時，圓整度變差，晶粒粗大，初生相組織的半固態(tài)形態(tài)較差。綜合合金液在冷卻板上的流動情況，A356合金用傾斜板制備半固態(tài)漿料時應(yīng)將澆注溫度控制在630～640℃。

2.2 金屬液流動距離對顯微組織的影響

當澆注溫度和冷卻板傾斜角度一定時，金屬液流動距離成為調(diào)整半固態(tài)漿料組織的關(guān)鍵因素。當金屬液流動距離為0時，也就是直接澆注而不流經(jīng)冷卻板時，不發(fā)生額外的形核或者流動沖擊，金屬液按照正常枝晶生長方式結(jié)晶凝固，隨著流動距離逐漸增大，激冷面積增大，可能的形核數(shù)量增多，流動沖擊攪拌組織的時間變長，因此有利于得到初生相形狀良好和分布均勻的半固態(tài)漿料，但是同時金屬液熱量散失也越多，流到冷卻板末端的金屬液溫度越低，金屬液流動性變差，如果在冷卻板表面形成凝固殼，反而不利于半固態(tài)漿料的制備。

設(shè)置澆注溫度為640℃、冷卻板傾斜角度為60°，金屬液流動距離分別為500，800，1 000mm。試驗結(jié)果表明，當流動距離為1 000mm時，冷卻板末端已經(jīng)出現(xiàn)了凝固殼，表明合金液熱量散失太多，不適用于半固態(tài)漿料的制備。從圖3中可以看出，當流動距離較短（500mm）時，凝固組織中初生α相晶粒較粗大，多數(shù)都大于200μm，形貌多為薔薇狀，塊狀和近球形晶粒較少，部分晶粒上出現(xiàn)了較長的枝晶臂；當流動距離適當增加后（800mm），組織中近球狀和塊狀晶粒增多，尺寸變得細小，共晶組織也變得均勻分散。

圖3 640℃時不同金屬液流動距離下半固態(tài)A356合金漿料的凝固顯微組織（60°）Fig.3 Solidification microstructure of semi-solid slurry of A356alloy at different flow distances at 640 ℃

金屬液在傾斜板上的流程較短時，初生相形核數(shù)量較少，枝晶破碎力度較小，而且冷卻板末端流出金屬液中保留的熱量較多，凝固過程中可能熔化掉一些較小的晶核或者破碎的晶臂，造成可長大的晶核變少，凝固時間延長，從而為晶體生長提供更大空間和更長時間，有利于晶粒長大和枝晶臂的發(fā)展，因此組織較粗大，晶粒圓整度變差。

從圖4可以看出，澆注溫度為630℃時，合金漿料的凝固組織表現(xiàn)出了相同的變化趨勢。因此增加金屬液在冷卻板上的流動距離，有利于形成更多的晶核和弱化晶臂生長條件，半固態(tài)合金漿料組織更細小均勻，但是過長的流程使沖擊攪拌作用和促進形核效果不再明顯增強，而且容易形成凝固殼，因此A356合金用傾斜板法制備半固態(tài)漿料時應(yīng)將金屬液流動距離控制在800mm左右。

圖4 630℃時不同金屬液流動距離下半固態(tài)A356合金漿料的凝固顯微組織（60°）Fig.4 Solidification microstructure of semi-solid slurry of A356alloy at different flow distances at 630 ℃

2.3 冷卻板傾斜角度對顯微組織的影響

冷卻板傾斜角度決定了金屬液在冷卻板上流動的速度，進而影響了已形核晶粒的沖擊碰撞和金屬液在板上的接觸時間，因此對半固態(tài)合金漿料的組織也具有較大的影響。傾斜角度較大，金屬液在板上流動時由于重力造成的加速度較大，流動速度增大迅速，形核晶粒間以及晶粒與板面間的沖刷、碰撞和剪切等作用比較激烈，但由于金屬液和板面的接觸時間較短，金屬液熱量散失較少，流入收集器時漿料中小的核心和破碎晶臂有可能會熔化，增加晶體的長大傾向。傾斜角度較小時加速度較小，金屬液流動速度增大緩慢，形核數(shù)量和破碎晶臂數(shù)量減少，流動過程中熱量散失較多，因此容易形成冷卻板末端的凝固殼，半固態(tài)漿料的組織形態(tài)和分布也有所變化。

澆注溫度為640℃、金屬液流動距離為800mm時，設(shè)置了兩種冷卻板傾斜角度（30°和60°）。從圖5可以看出，當傾斜板傾斜角度為30°時，半固態(tài)合金漿料凝固組織中初生α相晶粒形貌大多數(shù)為塊狀，晶粒尺寸多在50～300μm間，沒有明顯的枝晶出現(xiàn)，共晶組織分散在塊狀晶粒之間，凝固組織的半固態(tài)特征良好，但初生相的均勻程度稍差；當傾斜板傾斜角度為60°時，初生α相晶粒中可以觀察到二次枝晶，多呈現(xiàn)薔薇狀組織，塊狀形貌的晶粒較少，晶粒尺寸多在100～400μm間，共晶組織更集中地分布在初生相晶粒間，尺寸有所增大，但凝固組織仍具有較好的半固態(tài)組織特征。

圖5 640℃時不同冷卻板傾斜角度下半固態(tài)A356合金漿料的凝固顯微組織（800mm）Fig.5 Solidification microstructure of semi-solid slurry of A356alloy at different inclined angles at 640 ℃

當傾斜板的傾斜角度較大時，流動速度較快，沖擊攪拌過程激烈，雖然金屬液流出冷卻板時含有較多的熱量，組織容易變得稍大，但半固態(tài)漿料中初生相分布較均勻。當傾斜角度較小時，流動沖擊不夠激烈，但沖擊和攪拌時間較長，組織較圓整細小，有利于獲得初生相形態(tài)較好的半固態(tài)漿料。但是傾斜角度較小時，由于金屬液流動較慢，靠近冷卻板的金屬液中晶核較多且流速慢，遠離冷卻板的金屬液晶核較少且流速快，最終形成的組織均勻性稍差，而且澆注溫度不太高時對工藝條件的波動較敏感。當澆注溫度為640℃、冷卻板傾斜角度為30°時，雖然多數(shù)情況下可以制備出較好的半固態(tài)合金漿料，但是有時（如環(huán)境溫度略低或者澆注速度略慢時）也會在冷卻板上形成凝固殼，造成漿料制備失敗。將澆注溫度提高到650℃，獲得的漿料凝固組織見圖6（a），漿料制備中不出現(xiàn)凝固殼，且對比冷卻板傾斜角度為60°時的凝固組織見圖6（b），初生相已經(jīng)沒有明顯的枝晶，漿料組織得到了極大的改善。因此當澆注溫度較高時，可設(shè)置較低的冷卻板傾斜角度。為了獲得較均勻的半固態(tài)漿料組織和更好地控制制備工藝，應(yīng)該采用較低的澆注溫度，冷卻板的傾斜角度設(shè)置為60°較好，對于凝固組織中初生相略粗大及枝晶化傾向稍大的不足，可通過調(diào)整澆注溫度和金屬液流動距離來改善。

圖6 650℃時不同冷卻板傾斜角度下半固態(tài)A356合金漿料的凝固顯微組織（800mm）Fig.6 Solidification microstructure of semi-solid slurry of A356alloy at different inclined angles at 650 ℃

綜合試驗結(jié)果和分析，用傾斜板法制備A356合金半固態(tài)漿料的優(yōu)化工藝條件為澆注溫度630～640℃，金屬流動距離800mm，冷卻板傾斜角度60°。

3 結(jié) 論

（1）澆注溫度決定了金屬液的過熱度，隨澆注溫度升高，初生相組織逐漸傾向于更明顯的枝晶形貌，過熱度過低，冷卻板上形成凝固殼，不利于獲得良好的半固態(tài)漿料；在冷卻板上流程更長的金屬液有利于更小更圓整晶粒的形成，但不應(yīng)使冷卻板上出現(xiàn)凝固殼；冷卻板傾斜角度較大，初生相組織更均勻，傾斜角度較小，組織更細小圓整。

（2）在試驗條件下，用傾斜板法制備A356合金半固態(tài)漿料的優(yōu)化工藝條件為澆注溫度6 3 0～640℃，金屬流動距離800mm，冷卻板傾斜角度60°；此時的凝固組織為塊狀或者薔薇狀初生α相晶粒間均勻分布著共晶組織。

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