影响Al-25S1合金半固态组织的因素

     作者：张毅                                                                                                                                   

    高硅铝合金因其具有高弹性模量、良好的导热性、低的热膨胀系数、较小的密度和高耐磨性等优点，在航天、航空、汽车及电子封装等领域具有良好的应用前景 。但传统铸造工艺中的初生Si为粗大板条状、星状等不规则多边形，对合金基体具有明显的割裂倾向，破坏基体的连续性，进而降低合金的强度、韧性等，使其立用受到限制。为使高硅铝合金在工业生产中得到广泛的应用，先后研究了倾斜板：阳、喷射沉积、超声振动、电磁搅拌、P变质等方法，显著细化了初生Si颗粒，为高硅铝合金的广泛应用提供了良好的试验基础。

    转棒诱导形核法是将合金熔体直接浇注到竖直放置并绕轴旋转的金属圆柱棒表面，利用熔体与棒之间的粘滞力形成切向运动，以及与熔体下行运动耦合，使合金熔体绕转棒表面铺展并螺旋向下流动，促使熔体在短时间内获得较大过冷度，极大提高形核率，获得初生相细小均匀的半固态组织。本课题以Al-25 Si合金为研究对象，在前期研究的基础上，重点研究了浇注温度对转棒诱导形核法制备Al-25 Si合金半固态组织的影响，并探讨了其细化机理。

    1  试验材料与方法

    试验采用纯度为99%（质量分数，下同）的工业纯Al和99%的金属Si配置Al-25Si合金。熔炼过程在坩埚电阻炉(SG2-5-12)中进行，先把纯铝放入石墨坩埚中，再将坩埚放人电阻炉中加热熔炼，温度达到740℃后保温一段时间，然后将用铝箔包裹好的Si加入到完全熔化的铝液当中，继续加热到910℃保温，最后用C2 Cl6进行精炼除气，保温0.5 h后浇注。用同步热分析仪进行差热分析测得合金凝固温度区间为564—775℃。

    转棒诱导形核法制浆装置结构见图1。先将通冷却水的转棒的转速调到600 r／min，再将合金熔体冷却到一定温度，通过浇杯以0.5 kg/s的流速浇注到不锈钢转棒上，熔体经转棒处理后流入铜坩埚内，获得合金半固态浆料。

    金相试样(20 mm×20 mmX 20 mm)从制取的半固态坯料中心截取，经过磨制后采用体积分数为0. 5%的HF溶液腐蚀。采用Leica金相显微镜获取显微组织。借助Image-pro plus (IPP)图像处理软件量取初生Si的截面面积A和周长P，采用D=2（A/）1/2和S=4A/P2计算初生Si的等效直径D和形状因子S。

    2  试验结果与讨论

    2.1  转棒诱导对合金组织的影响

    图2为Al-25Si合金普通铸造显微组织和采用转棒诱导形核法（785oC浇注）处理后的半固态显微组织。两种显微组织都由初生Si、基体α-Al和共晶组织(E)组成。经转棒诱导形核法处理后：初生Si(尺寸为200～250 μm)形状由粗大针状、板条状、星状等复杂形状转变为等效直径约为27μm的颗粒状；在基体中的存在形式由团聚分布变为弥散分布；普通铸造过程中由于扩散作用而在初生Si周围产生的贫Si区也消失。

    可见，转棒诱导形核法对Al-25Si合金中的初生Si相具有显著的细化效果，同时也能有效改善组织的均匀性。转动的不锈钢转棒内通有冷却水，当金属熔体接触到转棒时，由于存在较大温差使金属液获得较大的过冷度．促使初生Si大量形核。在熔体绕转棒铺展过程中，大量的初生Si晶核游离到熔体内部，作为新的基底进行形核或长大，进而使组织细化。

    2.2浇注温度对合金半固态组织的影响

    转棒诱导形核法能够显著细化初生Si和改善其在基体中的分布情况，并且随着浇注温度的变化，其细化程度和分布情况也会发生明显的变化。图3为不同浇注温度下得到的半固态浆料组织，图4为初生Si等效直径和形状因子随浇注温度变化的关系。通过图3和图4可以发现，随着浇注温度的升高，初生Si颗粒明显变得粗大，等效直径由785 oC时的27 μm（见图3a）逐步增加至800℃和830oC时的40 Pm（见图3b）和47 Pm（见图3c），但在800℃和830oC时初生Si颗粒的等效直径相差不大，都约是浇注温度为785℃时的1.5倍。另外，随着浇注温度的升高，初生Si的团聚现象也越发明显，尤其是在830oC时，还出现了普通铸造条件下才出现的粗大针状初生Si组织。

    由图4可以发现，随着浇注温度的逐渐升高，初生Si颗粒的等效直径呈逐渐增大的趋势，但其形状因子则出现了先降低后升高的变化趋势。这可能是随着浇注温度的提高，转棒对合金熔体的激冷效果减弱，在转棒表面形成的初生Si晶核数量减少。当晶核从转棒表面游离到合金熔体内部时，合金熔体还处于较高的温度，在晶核周围的Si原子就有充分的时间向晶核扩散，使晶核长大并发生团聚，初生Si颗粒的形状反而更加趋向于不规则的多边形，形状因子会相应提高。所以，图3c中初生Si的团聚程度比图3b中高的多，形状因子也相应较高。

    由此可见，浇注温度对晶粒的细化起着至关重要的作用。过高的浇注温度会使转棒的激冷作用减弱，初生Si形核数量降低，半固态浆料组织中的固相率下降，对初生Si的细化效果就会减弱，而且浇注温度太高还会出现普通铸造中才会出现的粗大针状组织，团聚现象也

比较严重。因此，采用转棒诱导形核法对高硅铝合金进行处理时，浇注温度比合金液相线高10℃左右最佳。

    3  机理分析

    在转棒以一定的速度转动时，熔体在转棒表面受到的离心力及具有的线速度恒定不变。当恒定温度的熔体浇注到转棒表面时，在熔体内部的粘度及熔体与转棒之间的表面张力共同作用下，熔体将随着转棒转动并在转棒表面铺展成具有一定面积的薄膜。同时转棒表面也对熔体的流动产生一定的约束作用，使熔体内外层的流动速度存在一个差值。随着浇注温度的提高，熔体的粘度及熔体与转棒之间的表面张力逐渐降低，转棒表面对熔体产生的约束作用减小。综合因素下，熔体的运动方向及内外层速度差都将不断发生变化，致使熔体在转棒表面铺展的厚度和面积也随之变化，转棒对合金熔体产生的诱导形核效果也发生相应的变化。

    图5为合金熔体在转棒表面铺展示意图及转速一定(600 r／min)时不同浇注温度下的视频截图。由图5a可以看出，在熔体浇注到转棒上时，在重力及熔体与转棒表面张力的约束下，竖直方向上内层流体的速度vGi比外层流体的速度VGo慢，产生一个竖直方向上的流速差VG在径向方向上，由于表面张力的约束，内层流速VTi比外层流速VTo快，在径向方向上也产生一个流速差VT。当浇注温度为785℃（液相线附近）时，熔体内部的粘度及熔体与转棒之间的表面张力都比较大，熔体径向内层切速度VTi远比外层切速速VT。快，径向速度差VT较大，角度Aα也随之较大，而竖直方向上速度差VG较小。在VT和VG的综合作用下，内层流体刚离并接触转棒时的位置，次内层流体就接触该位置，次内层流体变为内层，以此循环，合金熔体很容易在转棒表面铺展成厚度很薄的熔体薄膜，此时铺展面积最大。

    根据对流传热牛顿冷却公式和单层圆筒壁传热公式有：

    式中，Q为传热量，W;h为物质的对流传热系数，W (m2．K)；tw为热源温度，K;tf为环境温度，K; t1为两种物质温差，K;F为传热面积，m2；𝜆为导热系数， W/(m2．K)；r1为单层圆筒内径，m;r2为单层圆筒外径．m；L为单层圆筒高度，m;t1为单层圆筒内壁温度，K：t2为单层圆筒外壁温度，K；F1为单层圆筒内壁面积．m2;F为单层圆筒外壁面积，K; t2为单层圆筒内外壁温度差，K; r为圆筒壁厚，m。

    可知，铺展面积F越大，传热量Q越大，此时熔体获得的过冷度就越大而且均匀，再由形核功公式和形核率公式可知，大的过冷度可以有效降低形核功，增加熔体内形核率，在熔体内获得大量细小弥散分布的初生Si颗粒（见图3a）。当浇注温度为800oC（见图5c）时，熔体内部粘度较785oC时低，熔体与转棒之间的表面张力也有所降低，径向流速差VT减小，切速度与竖直方向的偏离角α也随着减小，而竖直方向上的流速差VG则增大，此时熔体在转棒表面的铺展效果较差，呈半铺展状态。熔体铺展的厚度相对增加，面积减小，熔体获得的过冷度也降低，形核率降低。又由于浇注温度较高，初生Si颗粒容易长大扩散，个别区域出现了初生Si团聚现象（见图3b）。当浇注温度为830℃（见图5d）时，熔体的粘度快速降低，偏离角α再次减小，径向流速差VT也随之减小，竖直方向流速差VG则再次增大．熔体流动性良好，转棒转动对熔体的粘带作用很小，基本没有在转棒表面铺展，熔体主要依靠重力作用而顺善转棒表面流下。此时熔体厚度增加，接触面积再次减小、获得的过冷度大幅降低，甚至部分高温熔液直接流入坩埚内，形成铸态组织。由于浇注温度过高，有利于初生Si颗粒的长大与扩散，导致初生Si颗粒尺寸较大且大量团聚（见图3c）。

    4  结  论

    (1)采用转棒诱导形核法对Al-25S1合金熔体处理，随着浇注温度的升高，熔体在转棒表面的铺展情况发生很大的变化且初生Si相粗化并出现大量团聚。

    (2)转棒诱导形核法能够使Al-25Si合金中初生Si显著细化且弥散分布在基体中，当浇注温度为785oC、转速为600 r／min时，细化效果最好，初生Si颗粒的等效直径约为27 μm，形状因子为0.8。

    5摘要

    采用转棒诱导形核法制备A1 25Si半固态浆料，研究了浇注温度对合金半固态浆料组织的影响，结合熔体运动状态探讨了其组织细化机理。结果表明．当浇注温度约为785oc时，熔体在转棒表面铺展成面积最大、厚度最小的熔体薄膜，可以获得尺寸细小、均匀分布于基体中的初生Si颗粒，初生Si颗粒的等效直径约为27μ/m，形状因子为0.8。