关于保温参数对A356铝合金半固态组织影响的研究

作者：郑晓敏

在半固态成形时，同时含有部分固相和液相的固-液混合浆料，以非枝晶凝固方式开始结晶，合金中剩余液相能够互相连通，使凝固收缩得到有效补充，从而减少或消除了缩松和热裂；同时，半固态浆料粘度较全液态的高，气体卷入较少。因此，半固态成形技术在理论上可以获得无孔洞类缺陷的产品，从而提高产品的力学性能。

  自孕育法（Self-Inoculation Method，简称SIM法）是一种新型的凝固组织控制方法。该方法是将两个一定成分、质量、温度的合金混合，再经过一定角度的导流器，利用两种合金液（体）的不同性质，如温度、表面张力、组织等，在混合后使得合金液中瞬间形成大量晶核（一次自孕育），同时通过导流器产生紊流，促进晶粒增殖、加强自孕育效果（二次自孕育）、抑制晶粒长大，最终消除铸件中的粗大树枝晶，并获得细小的等轴晶组织。采用SIM法制备浆料，工艺流程短、效率高、设备简单、结构紧凑、适用性强，并且成本低廉，适于规模化、商业化生产。本课题以A356铸造铝合金为研究对象，采用SIM法分别在不同熔体处理温度和不同保温时间下制备半固态浆料，并对其水淬组织进行分析。

  1  试验方法

试验材料为A356铸造铝合金，其化学成分见表1。

  将A356合金在井式坩埚电阻炉中熔炼，待合金完全熔化后，开始测温。当熔体温度达到720～730℃时，用C2 Cl6（合金质量的1%）进行除气除渣，然后进行扒渣与静置，并对熔体温度进行测定。当熔体温度降至700℃时，浇注成尺寸为Ø15 mm×150 mm的金属型试棒，然后加工成5 mm×5 mm×5 mm的小颗粒状的孕育剂，将其表面进行清洗，烘干待用。

  图1为自孕育流变制浆工艺示意图，其中导流器长度为500 mm，角度可调整，股数为2股。调整导流器角度为45。，在熔体处理温度达到预定温度（分别为700、690、680和670℃）时，将5%（质量分数）的孕育剂加入到A356铝合金熔体中并迅速搅拌，然后将混合后的熔体经过导流器后收集到浆料收集器，将制备好的浆料在一定温度（620、610、600和590 ℃）下进行一定时间(0、3、5和10 min)的保温处理，然后进行水淬。最后对水淬试样进行取样，经预磨、抛光后用饱和NaOH溶液腐蚀，进行金相组织观察，并利用Image-Pro Plus5.0软件对组织中的初生颗粒平均晶粒尺寸、形状因子及固相率进行测定。

图2为水淬试验过程中温度变化的示意图。

  当熔体温度达到T1时，加入自孕育剂并进行搅拌，使温度降至T2，接着过导流器，整个熔体温度降至T3，在T3温度下进行特定时间的保温，再进行水淬直至凝固（T4，室温）。经过多次试验测得，加入孕育剂后平均降温约为50℃，过导流器后平均降温约为30℃。

2  结果与讨论

2.1传统金属型铸造与半固态金属型铸造组织

  图3为不同工艺下A356铝合金组织。由图3a可以看出，传统金属型铸造由大部分为树枝晶和少数的等轴晶组成，且二次枝晶臂发达。相比之下，自孕育法组织为近球状晶或细小等轴晶，见图3b。

  合金熔化后，熔体内部分高熔点质点仍旧残留在熔体中，并作为异质形核基底。将5%的自孕育剂加入熔体后吸收熔体大量的热量熔化，合金熔体温度迅速下降，使熔体局部区域产生大量的晶核或“大尺寸原子团簇"，增加了凝固过程的形核质点。另外，孕育剂的加入可以看成是在熔体中加入了异质形核基底，从而使得形核率增加，即一次孕育。随后经过导流器，由于导流器温度较低，金属熔体与导流器表层接触迅速激冷，形成细小枝晶，并有部分液体形成表层凝固壳。在后续高温熔体连续冲刷和剪切过程中，部分枝晶臂熔断后随金属液一起流入浆料收集器中。而在此过程中，熔体发生传热与对流，使自身热量迅速释放，导致熔体温度再次下降， 使最终浆料过冷度增大，枝晶碎片得以保存，产生晶粒增殖效果，即二次孕育。两个过程的叠加使最终组织呈细小等轴状。

2.2  不同保温时间下的浆料水淬组织

  图4为不同保温参数下的浆料水淬组织。当保温时间为O min时，初生a颗粒由不规则多边形和蔷薇状组成。随保温过程的进行，在保温3 min时，颗粒逐渐圆整，且颗粒尺寸增大。保温5 min时，颗粒更大，并有部分合并现象。当保温时间增加到10 min时，组织明显恶化，出现较多的合并长大现象，颗粒尺寸增大，且形状不规则。

  图5和图6分别为不同保温参数下初生颗粒的形状因子和平均尺寸。由图5和图6可知，当浆料未保温时，初生颗粒尺寸最小，为35～42 μm，但形状因子较大，为1. 9～2.0，不是理想的流变成形组织；保温3～5min时，颗粒尺寸增大到60 μm以上，形状因子降低至1. 42;保温时间达到10 min时，颗粒尺寸更大（100 μm左右）的同时形状因子也增大。对比发现，保温3 min的组织为较理想的流变成形组织。

 图7为A356铝合金半固态浆料在保温10 min后的水淬组织。图7中A圈的较小颗粒与较大的颗粒形成鲜明的对比，较小颗粒周围有白色小颗粒，而大颗粒周围存在的全部为黑色共晶组织。说明大小颗粒周围存在浓度差。B框中的两个颗粒尺寸相差不大，并且出现了“8”字状的合并现象。

  浆料未保温时，熔体内部大多为枝晶碎片和依附高熔点质点长大的颗粒，浆料汇合流入导流器后存在对流，会使枝晶碎片尖角钝化。在保温过程中，对流减弱，熔体成分逐渐均匀。但枝晶碎片会因根部溶质原子富集而熔断，形成单个的不规则颗粒。这些不规则的颗粒尖角会被熔化，同时枝晶碎片的增加也使界面能增加，在界面能减小的驱动力影响下不规则的颗粒逐渐圆整化，并作为基底吸附更多来自液相的溶质原子。于是随着保温时间的延长，初生a颗粒增大，且逐渐圆整。由于原始枝晶碎片尺寸有大有小，且生长速率不同，导致初生a颗粒大小各异。尺寸较小的初生a-Al颗粒周围液相溶质浓度较低，而尺寸较大颗粒周围液相溶质浓度较高。随保温时间的进一步延长，Si元素将不断从大颗粒向小颗粒扩散，而Al元素则呈相反的扩散路径。其结果是大颗粒不断长大，小颗粒不断变小，甚至熔化消失，即发生所谓的Ostwald热化。在保温10 min时的组织中出现大量“8”字状或“梭”状初生颗粒的合并组织，是由于保温后期颗粒与颗粒之间合并长大现象加剧而形成的。当两个尺寸相差较大的颗粒通过合并方式形成新颗粒时，在界面能减小的驱动力下，新颗粒最终会球化；但是当两个尺寸相差不大的颗粒合并成新晶粒时，新晶粒很难球化，最终长成“8”字状或“梭”状团簇。

2.3不同保温温度下的浆料水淬组织

  图8为不同保温温度下保温3min的浆料水淬组织。当保温温度为620℃时，固相率较低，初生a颗粒较为圆整。随着温度逐渐降低，固相率明显增大，且初生a颗粒出现团聚，并且在温度降至590 ℃时，初生颗粒的不规则程度变大，甚至出现了枝晶。

  图9是保温3 min的浆料在不同保温温度下的固相率。当保温温度为620℃时，固相率为13.1%；保温温度为610℃时，固相率为33.5%；保温温度为600℃时，固相率为44.8%；保温温度为590℃时，固相率为57. 9%。

  熔体处理温度较低时，加入孕育剂后熔体温度已经接近液相线温度，孕育剂激冷而产生的晶核将大量存活下来。随后熔体接触到导流器时，会在导流器表面形成凝固壳。此时，过导流器的熔体不能将这层凝固壳快速熔化，导致后续熔体不是在导流器表面流过，而是经过金属凝固壳层后汇流进入浆料收集器，起不到应有的冷却效果。一些粗大的树枝晶由于在导流器上所受剪切力较小而难以被剪断，在后续的凝固过程中难以变圆整，表现为图8d中存在的枝晶碎片。另外，熔体处理温度较低导致浆料固相率较高，随保温中颗粒的长大，固相颗粒与颗粒之间相互接触几率增加，加剧了晶粒间的合并长大现象，从而增加了颗粒的不均匀性。而当熔体处理温度过高时，固相率较低，剩余液相过多，使凝固不能达到理想的半固态状态而接近全液态低温浇注，对于产品缺陷的防止效果不大。因此，采用自孕育法进行半固态流变成形时，熔体处理温度不宜过低或过高。就A356合金而言，熔体处理温度应选择680～690℃，相应的保温温度应为600～610 ℃。

3  结  论

  (1) A356铝合金采用自孕育法半固态流变铸造可获得初生颗粒分布均匀的非枝晶组织。

  (2)采用自孕育法制备A356半固态浆料，在保温3 min时颗粒形状因子最接近于1，而颗粒平均尺寸相对较小。因此，保温3 min的组织为较理想的流变成形组织。

(3)保温温度的高低直接影响最终浆料的固相率的大小。固相率过高（50%以上），初生颗粒的合并现象严重，使组织恶化；固相率过低（15%以下），组织接近全液态，达不到半固态成形有利于补缩的效果。因此，适宜A356合金的半固态流变成形的浆料保温温度应在600～610℃。

4摘要采用自孕育法制备A356铝合金半固态浆料，对比分析了半固态金属型铸造与传统金属型铸造的组织，研究了不同保温时间及保温温度对A356半固态浆料水淬组织的影响。结果表明，A356铝合金采用自孕育法进行半固态流变铸造可获得初生相分布均匀的非枝晶组织；A356半固态浆料在保温3 min时初生颗粒的形状因子最接近于1，而且颗粒平均尺寸相对较小，因此，保温3 min的组织为较理想的流变成形组织；保温温度的高低直接影响最终浆料固相率的高低。固相率过高（50%以上），初生颗粒的合并现象严重，使组织恶化；固相率过低（15%以下），浆料接近全液态，达不到半固态成形利于补缩的效果。适合A356合金的半固态保温温度为600～610 ℃。