作者：张毅
合金中加入Fe能够提高合金的高温抗拉强度，改善合金的高温性能，在Al-Si合金中添加Cu会生成Al2Cu相，其弥散分布在基体中，可以提高合金的室温强度。在Al-Si合金中添加Mg，其主要以骨骼状Mg。Si相存在，经过固溶时效处理后，能够使Al-Si合金力学性能得到提高。但常规铸造方法制造的高硅高铁零件中含有以粗大初生Si相和富Fe相金属间化合物，二者严重割裂基体，使合金力学性能下降。因此，如何获得具有细小初生Si相和富Fe相组织的坯料或浆料是目前研究的重点。
转棒诱导形核法已被证明可以使合金中初生相细化为细小颗粒状且弥散分布于基体中，有利于提高合金性能。本课题以在二元过共晶Al-Si合金中加入Fe、Cu、Mg制备的Al-23Si-4. 4Fe-3Cu-lMg合金为研究对象，探讨了浇注温度及转棒转速对合金半固态显微组织的影响及其原因。
1 试验材料与方法
高硅高铁合金化学成分见表1。试验采用工业纯A1(99%)、速溶Si(95%)、Al-75Fe中间合金、Al-75Cu中间合金及工业纯Mg (99. 98%)配置而成，在华信GW系列中频感应熔化电炉中一次性制备约60 kg的合金铸锭。用同步热分析仪进行差热分析测得合金凝固温度区间为575～825 ℃。
试验前，取上述制备好的合金铸锭约3 kg准备试验；合金的熔炼在SG-5-12型电阻炉中进行，先把放有合金的石墨坩埚置于电阻炉中加热，待炉膛温度升至910℃后保温静置30 min左右，打开电阻炉扒除熔体表面的熔渣，将用铝箔包裹的占熔融合金质量0. 5%的C2 Cl6加入金属熔体中进行除气除渣，除气时要将C2 Cl6压入熔体内部并充分搅拌，使得除气更加充分；除气后关上电阻炉并在850℃时保温静置20 min左右，然后去除表面浮渣后浇注。
图1为转棒诱导形核法制浆装置结构示意图。转棒材质为304不锈钢，外径为75 mm，壁厚为5 mm，转速可调。试验前先将调速电机调到一定转速，冷却系统中通入冷却水，再将上述熔炼的合金液冷却到一定温度，通过浇杯以0.3 kg/s的流速浇注到不锈钢转棒上，在合金熔体重力及转棒离心力的合力作用下，熔体与转棒表面接触获得均匀过冷，初生相大量形核，最后从转棒底部流入铜坩埚内，获得所需合金半固态浆料。
从半固态坯料中心部位截取15 mm×15 mm×15mm的金相试样，对其表面进行粗磨、精磨、粗抛、精抛后用体积分数为0. 5%的HF溶液腐蚀金相试样约5s，然后用Leica金相显微镜观察显微组织。通过1m-age-pro plus (IPP)软件测得初生Si和富Fe相的截面面积S1、S2和周长P1、P2，依据公式d=2(S/)π）1/2和f=4πS/p2计算初生Si的等效直径d和形状因子厂。用平均形状因子和平均等效直径来表征初生Si和富Fe相的平均尺寸和形态。
2 试验结果与讨论
2.1 转棒诱导形核处理对合金组织的影响
2.2 浇注温度对合金组织的影响
图3为不同浇注温度(转速500 r／min)时合金的显微组织。可以看出，在不同浇注温度下，合金半固态组织呈现出不同的形貌，初生Si和富Fe相的尺寸也明显不同。在800℃时，浇注温度在合金液相线以下，合金熔体在浇注前已具有一定量的晶核且已长大，而且出现了团聚现象，初生Si等效直径为40μm 左右，富Fe相尺寸较大，长度和宽度平均分别约为96μm 和45μm，等效直径约为42 μm，并且可以观察到断裂的趋势，见图3a。温度提高到830 0C时，初生Si和富Fe相明显细化，初生Si成细小的颗粒状弥散分布于基体中，其等效直径为32μm;富Fe相成板块状或颗粒状分布于基体中，其等效直径为34 μm，见图3b。温度继续上升至860℃时，初生Si和富Fe相尺寸增大，富Fe相出现了类似铸态组织，等效直径分别增至42μm和49μm ，见图3c。浇注温度增高到890℃时，初生Si和富Fe相变得粗大且都出现了类铸态组织，两者的平均等效直径分别为43μm和55μm，见图3d。
由此可见，浇注温度过高或过低都会影响合金显微组织的尺寸及形貌。当转速为500 r/min时，熔体受到的切向力和离心力一定，熔体的粘度则随着浇注温度的升高而降低。当浇注温度为800℃（低于液相线温度）时，合金熔体内部已形成部分晶核且粘度很大，流动性变差；当合金熔体浇注到转动转棒表面时，在转棒切向力、离心力及熔体重力的共同作用下，熔体绕转棒表面作类螺旋状铺展，但由于浇注温度过低，熔体内部粘度较大，铺展厚度相对较厚且受到激冷时获得的过冷度较小，不利于大量形核。又因浇注前熔体内已形成部分晶核，致使晶粒数量略少且尺寸偏大，而且出现略微团聚现象，见图3a。当浇注温度为830℃（稍高于液相线）时，熔体粘度适中且具有较好的流动性，在转棒切向力、离心力及熔体重力的共同作用下，合金熔体在转棒表面铺展成液膜，熔体内部粘度适中。当转棒带动接触的熔体旋转离开原位置时，液膜外层金属液则留在原位置与转棒接触，成为新的受激冷面。这样铺展的液膜面积最大且厚度最薄，熔体受到极大的过冷度，促使晶核大量形成。此时熔体薄膜内部温度低于液相线，形成的晶核可以稳定存在，且可以作为非匀质形核的基底进一步增加形核数量，因此，此时的晶粒尺寸最小且分布相对均匀，见图3b。当浇注温度过高（860或890 ℃）时，合金熔体具有极大的过热度，熔体粘度很小而流动性极好，在转棒切向力、离心力及熔体重力的共同作用下，重力的影响大于转棒切应力对熔体的带动作用，熔体主要是顺着转棒垂直流下来，铺展面积很小。此时熔体很厚且外层温度相对很高，熔体受到的过冷度很大，但由于浇注温度很高，实际形核数量受到极大限制，溶质在高温下扩散速度加快，形成的晶核容易长大，见图3c、图3d。因此，浇注温度高于液相线5～10℃最佳。
2.3转速对合金半固态组织的影响
浇注温度一定时，随着转棒转速的变化，初生Si和富Fe相的形貌和尺寸也具有显著的差异。图4为不同转速（浇注温度830℃）下获得的合金半固态显微组织。转速为100 r/min时，初生Si相颗粒得到明显细化，形状主要为不规则块状或板条状，其等效直径约为(55±2) μm；富Fe相主要为板块状和粗大针状，其长度和宽度的平均值分别为(150±2)、(35±2) μm，等效直径约为(80±2) μm，见图4a。当转速提高至300 r/min时，初生Si颗粒得到进一步细化，其等效直径细化至(50±2) μm；富Fe相也得到细化，但效果并不明显，其长度、宽度平均值分别减小至(140±2)、(33±2) μm，等效直径为(75±2) μm，见图4b;与100 r／min时相比，较粗大的富Fe相消失，尺寸变得比较均匀，类铸态组织较少。当转速为500 r／min时，类似铸态组织消失，初生Si和富Fe相细化效果最佳，形态也最规整；初生Si颗粒等效直径细化至(35±2) μm，富Fe相的等效直径细化至(50±2) μm，其长度和宽度平均值分别为（80±2）、(25±2) μm，见图4d。当转速继续增大至700 r／min时，类似铸态组织比例增加，初生Si出现粗大不规则颗粒．其等效直径急增至(100±2) μm;富Fe相也如100 r/min时异常粗大，平均长度和宽度分别为（160=2）、(34±2) μm，等效直径为(82±2) μm，见图4f。
不同转速下合金中初生Si相及富Fe相的等效直径及形状因子见图5。从图5中可见，初生Si相和富Fe相的等效直径随着转速的增加先减小后增大，尤其是超过500r／min后等效直径急剧增大。主要原因是当浇注温度(830℃)一定时，熔体表面张力、粘度及流动性一定，则熔体与转棒接触时的结合力也是定值。当转速较小(100～300 r／min)时，金属熔体与转棒表面接触，由于切向力和离心力都较小，在重力作用下，熔体在转棒切向力的带动下无法在转棒表面呈类螺旋状铺展，而是呈扇形铺展且较厚，所以受到激冷的面积相对较小，熔体在转棒接触表面形成的晶核数量受到限制。又由于熔体铺展层较厚，处理完的熔体温度相对较高，利于溶质扩散使晶核长大。随着转速的提高( 500r／min)，转棒的径向切应力和离心力也相对增大，又在重力的共同作用下，熔体在转棒表面铺展成类螺旋状熔体薄膜，此时熔体在转棒表面铺展面积最大，厚度最薄，受到的过冷度均匀，熔体大量形核，故此时细化效果最好且组织均匀性最高。当转速再增大(700 r／min)，熔体受到的切向力和离心力过大，熔体与转棒接触后还没铺展就在离心力作用下被甩开，受到的激冷效果极差，大部分金属液未被处理，合金温度基本保持在近液相线的温度，因此组织类似常规铸造组织。
初生Si在长大时的液-固界面为光滑界面，其生长方式主要是二维晶核方式，借助择优生长的{ 111}晶面形成的台阶层层堆叠而长大；而富Fe相属于金属间化合物，其长大时液-固界面为粗糙界面，以连续长大方式生长；连续长大方式的长大速率要远大于二次晶核，因此，转棒诱导形核法处理后，初生Si得到显著的细化，呈颗粒状分布于基体中，而富Fe相处理效果要略差，呈规则的板块状或颗粒状分布于基体中。
3 结 论
(1)转棒诱导形核法能够有效地细化Al-23 Si-4.4Fe-3Cu-1Mg合金中的初生Si相及富Fe相，且能够改善其在基体中的团聚现象。
(2)当浇注温度为830℃、转棒转速为500 r／min时，细化效果最好，此时初生Si和富Fe相的等效直径及形状因子分别为(35±2) μm、0.76和(50±2) μm、0. 51。
4摘 要采用转棒诱导形核法制备Al-23Si-4. 4Fe-3Cu-lMg铝合金半固态浆料，探讨熔体浇注温度及转棒转速对Al-23 Si-4. 4Fe3Cu-lMg合金半固态坯料金相组织的影响及原因。结果表明，当浇注温度为830℃，转棒转速为500 r／min时细化效果最好，此时初生s i和富Fe相均匀地分布于基体中，二者的等效直径及形状因子分别为(35±2) μm、0. 76和(50±2)μm、0. 51。
下一篇:返回列表
