对半固态铝合金熔体固相率和形状因子的影响因素

     作者：郑晓蒙

    半固态铝合金熔体的微观组织影响着熔体的流变行为，最终决定着充型质量。因此，在制备半固态铝合金熔体时，控制合金熔体的微观组织是半固态成形技术的核心部分。电磁搅拌制备半固态铝合金熔体，借助电磁搅拌作用强化金属熔体的流动，改变凝固过程的充型、传热、传质，最终得到晶粒细小、成分均匀的显微组织。电磁搅拌制备的半固态合金熔体纯净、控制方便，因而在有色合金半固态成形中应用广泛。

    陈兴润等用计算机对电磁搅拌作用下半固态铝合金熔体中的电磁场和流场进行数值模拟，描述了不工艺参数条件下半固态合金熔体的电磁场和流场的特征，但对熔体的显微组织影响规律未见描述。邢书明等在半固态挤压铸造中采用正交试验研究发现，坯料加热温度、模具温度、坯料保温时间对半固态合金熔体充型能力有显著影响，但对半固态合金熔体的微观特征参数影响也未说明。高小勇等采用低过热度浇注和弱行波电磁搅拌工艺成功制备出6061铝合金半固态熔体并研究了浇注温度、搅拌功率和搅拌时间对半固态合金熔体微观组织的影响。因此，对于一般化的电磁搅拌技术制备半固态铝合金熔体，探讨其工艺参数对半固态合金微观组织的影响具有重要的研究价值。本课题利用正交试验方法探讨了电磁搅拌制备半固态A356铝合金熔体中保温温度、输出电压和搅拌频率对固相率和形状因子的影响。

    1  试验方案

    试验材料为A356铝合金，其化学成分见表1。试验装置为半固态合金熔体制备机，见图1。正交试验方案见表2。

    A356铝合金的熔炼后，浇入到半固态合金熔体制备机中的坩埚内，通过变频器改变电磁搅拌工艺参数，获得具有不同组织的半固态铝合金熔体。用取样器舀取部分金属液，水淬后制备金相试样：用体积分数为0. 5%的HF溶液进行腐蚀；在XJX-Ⅲ型金相显微镜上进行金相组织观察；用图像分析软件对每个试样的多个金相视场进行分析，获得其液、固相的平均面积及固相颗粒的平均周长。

    2  试验结果分析与讨论

    2.1试验结果

    半固态A356铝合金熔体在电磁搅拌工艺条件下微观组织形态变化过程见图2。可以看出，合金组织依，次经过短枝晶、枝晶破碎、完整晶粒、晶粒均匀化过程。因此可通过控制工艺参数得到所需的微观组织。

    试验以固相率和形状因子作为半固态合金熔体的微观组织特征参数。根据文献[7，8]，固相率ƒs可表示为：

    fs =As/(Al+As)    (1)

    式中，As为固相面积；A1为液相面积。

    形状因子F-1可表示为：

    F-l=P2／(4A)    (2)

    式中，P为晶粒平均周长；A为晶粒平均面积，F-1=1时，晶粒为完整球状。

    针对表2正交试验方案，对应金相视场进行图像分析获得的液、固相平均面积以及固相颗粒的平均周长。经过上述公式计算，不同电磁搅拌工艺参数下获得不同微观组织的半固态A356铝合金熔体。试验结果与极差分析见表3。

    从表3中的极差分析可以看出，保温温度对半固态A3 56铝合金熔体固相率的影响最为显著，输出电压和搅拌频率的影响次之，且两者对固相率的影响程度大致相等；输出电压对半固态A356铝合金熔体的形状因子影响最为显著，搅拌频率次之，保温温度的影响最弱。

    2.2  工艺参数对微观组织特征的影响分析

    图3为半固态A356铝合金熔体的固相率和形状因子随保温温度、输出电压和搅拌频率的变化趋势。从图3中可以看出随着保温温度升高，固相率降低。根据Scheil公式，固相率（ƒs）与温度满足以下方程：

    式中，TM为纯溶剂的熔点；TL为合金的液相线温度；T为保温温度；k为平衡分配系数。故保温温度T越大，固相率ƒs越小。

    图4为输出电压100 V、搅拌频率1O Hz、不同保温温度下的固相率变化情况。通过图像分析软件得到图4b中的固相率为55%，大于图4a中的固相率35%。

    从图3中还可以看出，随着搅拌频率和输出电压的增大，形状因子F-1越接近1，晶粒形貌越接近球状。图5为不同输出电压、搅拌功率下合金的显微组织。可

以看出，在200 V、30 Hz时，枝晶消失，晶粒球化。

    3  结  论

    (1)通过调整制备半固态铝合金熔体的工艺参数，可以对半固态铝合金熔体组织特征进行控制，得到所需的组织形态特征。

    (2)在制备半固态A356铝合金熔体的工艺参数中，保温温度对固相率的影响最为显著，输出电压和搅拌频率的影响次之；输出电压对形状因子的影响最为显著，搅拌频率次之，保温温度的影响最弱。

    (3)在制备半固态A356铝合金熔体过程中，随着保温温度的增加，固相率降低；随着输出电压、搅拌频率的增大，形状因子越接近1，即晶粒形貌越接近球状。

    4摘  要

    通过电磁搅拌制备半固态A356铝合金熔体，利用正交试验研究了工艺参数对半固态A356铝合金熔体固相率和形状因子的影响。结果表明，保温温度对固相率的影响最为显著，输出电压和搅拌频率的影响次之；输出电压对形状因子的影响最为显著，搅拌频率次之，保温温度的影响最弱。随着保温温度的增加，固相率降低；随着输出电压、搅拌频率的增大，形状因子越接近1，即晶粒形貌越接近球状。