挤压铸造对Al-Sr中间合金性能及变质效果的影响.pdf

6 1 6 铸造 F O U N D R Y J u l 2 0 1 6 V 0 1 6 5N 0 7 圜 挤压铸造对A I S r 中间合金性能及变质效果的影响 李润霞，张鹏，李荣德，于宝义，常保磊，白彦华，郝建飞 ： ( 沈阳工业大学辽宁省高校轻金属材料与T - 程重点实验室，辽宁沈阳1 1 0 8 7 0 ) 摘要：本研究采用金相显微镜、x 射线衍射( X R D ) 、能谱分析及扫描电镜( S E M ) 等技术，对重力铸造制坯后热 挤压成A 1 s r 中间合金线材与挤压铸造制坯后热挤压成A 1 s r 中间合金线材中A 1 4 S r 相的微观形貌、晶粒尺寸和断口形 貌进行了对比分析。试验结果表明，挤压铸造制坯后热挤压成形A 1 s r 中间合金线材中的A 1 4 s r 相呈细小颗粒状，分布 均匀，等效圆半径约为2 5 4 “m ，合金伸长率达到2 4 7 4 。塑性的提高使得中间合金线材易于加工成卷。同时，挤压 铸造制坯后热挤压成形的A l s r 中间合金线材具有较短的变质孕育期，变质效果良好。 关键词：A I S r 中间合金；A 1 4 S r 相；挤压铸造；变质效果 中图分类号：T G l 4 6 2文献标识码：A文章编号：1 0 0 1 4 9 7 7 ( 2 0 1 6 ) 0 7 0 6 1 6 0 4 E f f e cto fS q u e e z eC a s t in go nM e ch a n ica lP r o p e r t ie sa n d M o d if ica t io nE f f e ct so fA I - S rM a s t e rA l l o y L IR u n x ia ，Z H A N Gp e n g ，L IR o n g - d e ，Y UB o - y i，C H A N GB a o - l e i，B A IY a n - h u a ，H A OJ ia n f e i ( L ig h tM e t a lM a t e r ia l sa n dE n g in e e r in gK e yL a b o r a t o r yinC o l l e g e sa n dU n iv e r s it ie so f L ia o n in gP r o v in ce ，S h e n y a n g U n iv e r s it yo f T e ch n o l o g y , S h e n y a n g11 0 8 7 0 ，L ia o n in g ，C h in a ) A b s t r a ct ：T h em icr o s t r u ct u r ein cl u d in gt h em o r p h o l o g y , s iz eo f A h S rp h a s einA I S rm a s t e ra l l o y , f o r m e db y h o te x t r u s io na f t e rg r a v it y ca s t in ga n ds q u e e z eca s t in g , a sw e l la st h ef r a ct u r em o r p h o l o g yo ft h eA 1 S rm a s t e r a l l o y sh a db e e na n a l y z e da n de x a m in e db yu s in go fo p t ica lm icr o s co p y , X R a yD if f r a ct io n ( X R D ) ，e n e r g y s p e ct r u ma n a l y s isa n ds ca n n in ge l e ct r o nm icr o s co p ed e v ice T h er e s u l t ss h o wt h a tt h eA h S rin t e r m e t a l l icp h a s e w it ht h em e a nr a d iu so f2 5 4t x mw a sf in ea n de v e n l yd is t r ib u t e dint h ea l u m in iu mm a t r ixint h eA 1 S rm a s t e r a l l o y sp r e p a r e db ys q u e e z eca s t in gp r o ce s s T h ed u ct il it yw a sim p r o v e dr e m a r k a b l ya n d a ne l o n g a t io no f 2 4 7 4 w a so b t a in e da f t e rt h es q u e e z eca s t in gp r o ce s so fA 1 S ra l l o y , a n dt h e nt h ea l l o yw it hb e t t e rm o d if ica t io n p e r f o r m a n ceco u l db eo b t a in e db e ca u s eo f t h el o w e rin d u ct io np e r io do f m o d if ica t io n K e yw o r d s ：A 1 S rm a s t e ra l l o y ；A h S rp h a s e ；s q u e e z eca s t in g ；m o d if ica t io np e r f o r m a n ce 铸造铝合金具有广阔的应用前景，A l S i合金是铸 造铝合金中最重要的一种，占铸铝件产量的8 5 9 0 。A l S i合金由于硅元素的加入既保持了铝合金密 度小、比强度高的特点，同时兼有优良的铸造性能、 耐蚀性等【”。但在常规铸造A 1 s i合金的组织中，存在 针状的共晶硅和粗大的形状复杂的初晶硅，恶化了合 金的性能。在工业上采用变质处理来改变S i相的形貌， 使其以有利的形状、较小的尺寸均匀分布在基体中， 通常采用P 来变质初晶硅，采用S r 、R E 、S b 等元素来 变质共晶硅 2 - 3 ) 。2 0 世纪6 0 年代，发现了s r 有变质作用 后，s r 变质处理得到了迅猛的发展，且在铝合金轮毂 上也得到了成功的应用。由于S r 以单质形式加入烧损 较为严重，所以s r 通常以A 1 s r 中间合金形式加入。制 取A 1 s r 中间合金的方法主要有对渗法、热还原法和熔 盐电解法。而热还原法和熔盐电解法还停留在试验室 阶段，不能应用在工厂大批量生产，对渗法生产过程 中锶的烧损比较严重，实收率低。已有大量的文献表 明A l s r 中间合金的组织形态对变质效果也有遗传 性 4 - 7 ，A I S r 中间合金的组织形态也能带来变质效果的 差异。A 1 s r 中间合金中s r 通常以金属间化合物A 1 4 S r 的 形式存在，因此，A h S r 相的稳定性，l iP S r 原子从A 1 4 s r 中游离出来的难易程度和扩散速度将对变质效果的发 挥产生重要的作用，而A h S r 相的稳定性与之形态、尺 寸大小、晶体结构等因素有关 8 1 。 控制A 1 s r 中间合金的制备工艺，可以有效细化 A l s r 中间合金中的A h S r 的组织，从而提高锶在熔体中 的扩散速度，优化对A 1 S i合金的变质效果。本研究就 挤压铸造制坯对热挤压成型舢s r 中间合金线材的组织 形貌、力学性能及变质效果进行了研究。 基金项目：国家自然科学基金( 5 0 9 7 1 0 9 2 ) ；辽宁省自然科学基金( 2 0 1 2 0 2 1 6 6 ) ；沈阳市科技创新专项( F 1 4 - 2 3 1 1 2 3 ) 。 收稿日期：2 0 1 5 1 2 - 2 5 收到初稿，2 0 1 6 - 0 4 1 l 收到修订稿。 作者简介：李润霞( 1 9 7 1 一) ，女，博士，教授，主要研究方向为铝合金固态相变研究。E - m a il ：r u n x ia l i 1 6 3 co r n 铸造李润霞等：挤压铸造对A l S r O 间合金性能及变质效果的影响 1 试验材料和方法 试验所用A 1 s r 中问合金化学成分见表1 。A 1 s r 中 间合金制备工艺的主要步骤：首先将坩埚电阻炉温度 加热到7 6 0o C ，熔炼工业纯铝，待工业纯铝完全熔化 为铝液后升温奎8 4 0 ，加入工业纯锶；待工业纯锶 完全熔化后，对溶液通氩气精炼，通气2 3m in ，静 置约2m in 后扒渣，浇注到金属型模具( 1 2 8I I l I I l X 4 0in in ) 中，模具预热2 6 0 ；将熔液分为两部分进行 浇注，第一部分溶液采用重力铸造工艺制备成A l s r 中 问合金坯锭，第二部分采用挤压铸造工艺制备A 1 s r 中 间合金坯锭( 挤压铸造比压3 l lM P a ，保压时间3 0S ) 。 将制备好的2 组A 1 s r 中间合金采用卧式挤压机 ( 挤压比4 0 ：1 ) 挤压成A 1 s r 中间合金线材( * 1 2m m ) ， A 1 s r 中间合金坯锭和挤压垫片预热4 9 0 ，卧式挤压 机挤压装置预热3 5 0 。 表1A I S r 中间合金成分 T a b l e1A I - S rm a s t e ra l l o yco m p o s it io n 似 变质处理对象为Z L l 0 2 合金，变质试验的具体方 法是：坩埚电阻炉温度加热到7 5 0 熔炼Z L l 0 2 合金， 保温使铝液均匀化后降温到7 3 0o cj j 入六氯乙烷进行 除气精炼，保温1 5m in 后扒渣，分别加入配比好的2 组 刖s r 中间合金变质剂( 加入变质剂的配比均为0 3 ) ， 对2 组变质剂变质的Z L l 0 2 合金保温，保温时间分别为 5m im 、2 0m in 、6 0m in ，随后浇注到尺寸为观8l I l I I l X 5 0m m 的金属型模具中，模具预热温度2 5 0 左右，待 冷却凝固后将试样取出。 对获得的A 1 S r 合金线材( q ) = = 1 2h im ) 制备成长度 为2 0m m 的金属试样。对变质后的Z L l 0 2 试件制备成 观8m m 1 5m m 的圆棒。将试样经过粗磨、精磨、抛 光后采用2 0 v 0 1 H F 水溶液进行深腐蚀处理2 0r a in 。采 用G X 5 1 型倒置金相显微镜和H I T A C H I T M 3 0 3 0 扫描电 镜对合金进行显微组织观察。采用W G W - 1 0 0 H 万能材 料试验拉伸机进行合金室温力学性能测试，拉伸速度 3m m m in ，每组拉伸试验拉伸3 个试件取平均值。 2 试验结果与分析 2 1 显微组织分析 S r 在A l 液中的溶解度非常小( 3 2 w t t 1 喊2 4 w t t 】) ， A l 与s r 之间多以金属间化合物的形式存在，女N A l 4 S r 、 灿：S r 和A I S r 。图1 为A 1 s r 中间合金X R D 图谱。无论是 重力铸造制坯后热挤压成A 1 s r 中间合金线材，还是挤 压铸造制坯后热挤压成A 1 S r 中间合金线材，S r 含量均 为1 0 ，X R D 的物相分析显示合金中元素s r 都主要以 A 1 4 S r 相的形式存在。 图lA l s r 中I 、u j 合金X R D 图谱 F ig 1A I - S rm a s t e ra l l o yX R n p a t t e r l l s A l S r 中间合金中s r 主要以A 1 4 S r 相的形式存在， A 1 4 s r 相的稳定性，即A k s r 相在溶液中的溶解速度和扩 散速度，将决定A l s r 中间合金的变质效果，A 1 4 s r 相的 稳定性与其形貌、尺寸、弥散程度等因素密切相关。 图2 为A 1 s r 中间合金线材显微组织。图2 a 、b 为重力铸 造制坯后热挤压成A l S r 中间合金线材的显微组织特 征，A l 。s r 相呈块状，尺寸粗大，棱角分明，部分A l 。s r 相存在缝隙和孔洞。统计计算其等效圆半径为 6 8 3p m 。图2 c、d 为挤压铸造制坯后热挤压成A 1 s r 中 问合金线材的显微组织特征。与重力铸造制坯后热挤 压成A 1 s r 中间合金线材相比，A l 。s r 相变的更加细小， 呈细小颗粒状，分布均匀，A h S r 相中依然有孔洞等非 致密结构。统计计算其等效圆半径为2 5 4 汕m 。图2 e 为 A 点能谱分析，显示得到的组织均由A l 和s r 组成，测定 原子比为4 ：1 ，则改点为A 1 4 S r 相。廖成伟【1 2 1 等人提出了 A 蛉r 晶体生长模型，如图3 所示，可以看出在模型的第 到第阶段，A 峪r 相的生长过程形成了缝隙和孔洞； 因此，如果能够通过制备工艺的改进，对A L , S r 晶粒的 生长过程进行控制，使获得的A L , S r 相不仅为均匀分布 的细小颗粒状，而且具有多缝隙和多孑L 洞的相结构， 则有利于A 1 s r 中间合金变质剂性能的提高。 在挤压铸造过程中，与模壁接触的外侧金属先发 生结晶凝固，并在压力的作用下发生塑性变形，金属 液与模壁之间的摩擦力也不断增大，在压力足够大时， 金属液内部也完全受到压力作用下而凝固，挤压力使 金属与模壁之间的有效面积增大，提高了热交换系数， 从而增大了金属液的冷却速率，使A 1 4 S r 相形成细小且 弥散的中间合金相。同时，在挤压力的作用下，将凝 固过程中已经形成的A 1 4 S r 相打碎，使破碎的A 1 4 s r 相均 匀的分布在熔体中。这些因素都使A 1 4 S r 相细小和均匀 分布起到关键的作用。 2 - 2 力学性能与断口形貌 由于传统工艺生产的A 1 s r 中间合金韧性差、伸长 率低，难以卷曲成盘状，一般切成段后包装，使用过 F O U N D R Y J u l 2 0 1 6 V 0 1 6 5 N o 7 V ，0 冀，1 弱0 5 0 D 82 竹T 悯3 03 8 9 22 0 1 4 I I r z 51 0 ：0 1N0 8 62 0 0L 柙 T M 3 0 3 n4 3 0 7 S 舢1 11 0 ”N72r n z eT M 3 0 3 04 3 2 52 0 1 5 0 3 1 I1 05 0ND 832 0 0 u r a 【cJ 低倍( 挤J 玉铸造+ 热挤压)( d ) 高倍( 挤压铸造+ 热挤压) 图2A I s r 中间合金线材显微组织 F ig2M icr o s t m ct u r eo f m a s t e ra l l o yw ir e I - = 一= = = - - = ：二，j _ 昌I - 1 I I 九I I I 。一、 ：) ： = ：) 暑 _ p 7 ij 、，1 t 一 ：= - I ：l 皿 H 3A I 。S r _ | l hK 模1 9 爪意图 F ig 3A 1 4 S rp h a s eg r o w t hm o d e l s ch e m a t ic 程中以段状，只能依靠间歇式不连续的方式投入待变 质的铝熔体中，有操作复杂，劳动强度大，变质均匀 性差等缺点。因此，通过改善制备A l S r 中间合金工 艺，提高A 1 s r 中间合金的伸长率，获得卷曲成盘状卷 材的A l s r 中间合金，对铝合金熔体的自动化处理有一 定的意义。 表2 为A l s r 中间合金线材拉伸性能，测量结果显 示，采用重力铸造制坯后热挤压成A l s r 中间合金线材 的平均伸长率为1 9 1 7 ，而采用挤压铸造制坯后热挤 压成A 1 一s r 中间合金线材的平均伸长率为2 4 7 4 。图4 为A 1 一s r 中间合金线材断口形貌。图4 a 、b 为两种A l s r 中间合金线材的拉伸断口形貌，可以看出，采用重力 铸造制坯后热挤压成A 1 s r 中间合金线材的拉伸断口脆 性断裂较为严重，而采用挤压铸造制坯后热挤压成 A l s r 中问合金线材的拉伸断口呈韧性形貌，脆性断裂 不明显。图4 c为B 点能谱分析，分析得到组织均由A 1 和 s r 兰且成，测定的原子比为4 ：1 ，该点为A L s r 相。采用重 力铸造制坯后热挤压成A l s r 中间合金线材中粗大、块 状的A 1 4 s r 相棱角处容易产生应力集中，形成断裂，影 响拉伸性能，而采用挤压铸造制坯后热挤压成A 1 s r 中 间合金线材中A 1 4 S r 相尺寸较小且分布均匀，因此合金 具有较好的拉伸性能。 表2A I S r 中间合金线材拉伸性能 T a b l e2 A l - S rm a s t e ra l l o yw ir et e n s il ep r o p e r t ie s 2 3 变质效果 S h a m s u z z o h a 】提出的T P R E 机制认为，共晶生长 中硅的结晶生长前沿往往是孪晶凹谷。变质后，铝液 中变质剂原子选择性地吸附富集在孪晶凹谷处，阻止 了硅原子向孪晶凹谷处的生长速度，使生长受到抑制， 晶体生长大部分被迫改变方向，导致硅晶体生长形态 发生变化，同时也促使硅晶体产生大量分枝。 李寿双【1 3 等人推测中间合金中变质元素s r 向熔体 中释放需要以下几个过程：A 1 1 0 S r 中间合金在熔体 中释放，释放A L , S r 金属化合物相； A 1 4 S r 相在熔体中 扩散，并与熔体中的S i原子作用并形成新相S h S i：A l ： A 1 4 S r + 2 S i- - * S h S iz A l + 2 S r ； S r E S i2 A 1 相分解，向熔体中 释放s r 原子：S r 2 S i2 A 1 - - 2 S i+ 2 S r + A 1 ；s r 原子与S i晶胚 相互吸附并形成( S r m + S i晶胚) 络合物。 铸造 李润霞等：挤压铸造对A I S r 中间合金性能及变质效果的影响 6 1 9 ( a ) 重力铸造+ 热挤压 ( b ) 挤压铸造+ 热挤压 C ) B 点能谱 H 4A I - S r L 3 川f 金；k 忖附f Il 祝 F ig 4w ir el h ct u r em o r p h o l o g yo f A l S rm a s t e ra l l o y 本文主要研究A 1 s r 中间合金中A h S r 的细化程度对溶解出游离态的s r 的速度也较慢，没有达到最佳变质 s i相变质孕育时间的影响，图5 为A 1 s r 中间合金线材变效果。图5 c采用挤压铸造制坯后热挤压成A 1 - s r 中间合 质后Z L l 0 2 合金显微组织。图5 a 为未变质的Z L l 0 2 合金金线材对Z L l 0 2 合金变质5m in 时合金显微组织，图中 显微组织，s i相尺寸粗大，呈板片状的s i相严重割裂基可以看出s i相以珊瑚状形貌存在于A 1 基体中，这是由 体，影响合金的性能。s r 以游离态的形式吸附在s i相于挤压铸造制坯后热挤压成A 1 s r 中间合金线材中的 表面，阻止s i相按片层状形式生长，从而长成分叉较A h S r 相尺寸更加细小、分布均匀，因此A h S r 相在A l s i 多的珊瑚状。s r 主要以游离态的形式发挥变质作用，合金溶液中溶解速度更快，从而更快地溶解出游离态 s r 在A l 基体中的固溶度很低，A l s r 中间合金中s r 主要的s r ，已经达到了最佳变质效果，缩短了变质孕育期。 以A h S r 相形态存在，A 璐r 相在溶液中的溶解速度和扩图5 d 、e 变质2 0m in 时2 种制备工艺的A 1 s r 中间合金线 散速度，将决定了A l s r 中间合金的变质效果。图5 b 为材对Z L l 0 2 合金变质显微组织，图中可以看出s i相都以 采用重力铸造制坯后热挤压制备A 1 s r 中间合金线材对珊瑚状形貌存在于A l 基体中，已达到了最佳变质效果。 Z L l 0 2 合金变质5m in 时合金显微组织，图中可以看出以上四个过程使得S r 变质存在较长的孕育时间， s i相以珊瑚状和板片状形貌存在于舢基体中，这是由而且这个过程不难看出，决定s r 原子向熔体释放速度 于重力铸造制坯后热挤压制备A l s r 中间合金中A h S r 相的主要因素有中间合金的加入量、中间合金中A h S r 的 尺寸粗大，A 1 4 S r 相在A l S i合金溶液中溶解速度较慢，微细程度以及熔体温度。 T M 3 0 3 05 9 6 62 0 1 5 1 1 1 1 01 4 0 3N LD 64 5 0 ix m T M 3 0 3 06 0 0 42 0 5 1 1 船72 20 4N LD 1 045 0 岬 重力铸造+ 热挤压，2 0m in “ r M 3 0 3 0 5 9 8 32 0 1 5 1 1 1 1 01 4 ：3 2N L D 755 0 m T M 3 0 3 0 5 9 3 4 2 0 1 5 1 1 m2 21 0N L0 1 0 3 5 0 m ( e ) 挤压铸造+ 热挤压，5m in( f ) 挤压铸造+ 热挤压，2 0m in 图5A l s r 中间合金线材变质Z L l0 2 合金显微组织 F ig 5Z L l 0 2a l l o ym icr o s t r u ct u r ea f t e rA I S rm a s t e ra l l o yw ir e m e t a m o r p h is m F O U N D R Y J u l 2 0 1 6 V O I 6 5N o 7 3 结论 ( 1 ) 采用挤压铸造工艺制备A 1 s r 中间合金线材的 伸长率可达到2 4 7 4 ，具有良好的塑性和加工性能。 ( 2 ) 采用挤压铸造工艺制备A 1 s r 中间合金线材中 A h S r 相尺寸更加细小，呈细小颗粒状，分布均匀，等 效圆半径为2 5 4t x m 。 ( 3 ) 采用挤压铸造工艺制备A I s r 中间合金线材对 Z L l 0 2 进行变质处理，具有良好的变质效果，缩短了 变质孕育期。 参考文献： 1 】王艳晶，王博，曾松岩，等A I - 7 S i合金综合处理及其力学性能 的研究 J 沈阳航空工业学院学报，2 0 0 0 ，1 7 ( 3 ) ：1 7 2 0 【2 】红梅稀土在铸造铝合金熔体处理过程中的行为研究【D 上海： 上海大学，2 0 0 7 3 “z ，S a m u e lAM ，S a m u e lFH ，cta 1 P a r a m e t e r sco n t r o l l in gt h e p e r f o r m a n ceo fA A 3 19 - t y p ea l l o y sP a r tI I im p a ctp r o p e r t ie sa n d f f a ct o g r a p h y J M a t e r S ciE n g A ，2 0 0 4 ，3 6 7 ：1 1 1 - 1 2 2 【4 】秦敬玉，边秀芳，韩秀军，等变形灿S r 中间合金的遗传效应 J 】材料研究学报，1 9 9 9 ，1 3 ( 2 ) ：1 6 2 1 6 6 5 边秀房，刘相法，王先娥，等A I S r q a 间合金变质效果的遗传效 应闭金属学报，1 9 9 7 ，3 3 ( 6 ) ：6 0 9 6 1 3 【6 】 Z h a n gZ h o u g h u a n g ，B ia nX iu f a n g ，W a n gY a n M icr o s t r u ct u r a l ch a r a ct e r iz a t io no far a p id l ys o l id if ie dA I S r - T i a l l o y 叨M a t e r ia l s R e s e a r ch B u l l e t in ，2 0 0 2 ，3 7 ：2 3 0 3 2 3 1 4 【7 】Z h a n gZ h o n g h u a n g ，B ia nX iu f a n g ，W a n gY a n G r o w t ho f d e n d r it e s inar a p id l ys o l id if ie dA I 2 3S ra l l o y 【J 】J o u r n a lo fC r y s t a lG r o w t h ， 2 0 0 2 ，2 4 3 ：5 3 1 - 5 3 8 【8 】孙乃玉，边秀房，王伟民快速凝固m S r q a l 司合金及其变质效果 叨，特种铸造及有色合金，1 9 9 8 ( 3 ) ：4 - 6 【9 】C l o s s e tB ，D u g a sH ，P e k g u l e r y u zM ，e ta 1 T h ea l u m in u m - s t r o n t iu m p h a s ed ia g r a m 【J 】M e t a l lT r a n s A ，1 9 8 6 ，1 7 ( 7 ) ：1 2 5 0 - 1 2 5 3 【1 0 A l co ckCB ，l t l d nVP B u l l e t ino fa l l o yp h a s ed ia g r a m s 咖 A m e r ica nS o cie t yf o rM e t a l s ，U n it e dS t a t e s ：N a t io n a lB u r e a uo f S t a n d a r d s ，S p r in g e rV e r l a g ，19 8 9 ：6 2 4 【11 C h a n gJ o o n y e o n C r y s t a lm o r p h o l o g yo fe u t e ct ic S iinr a r ee a r t h m o d if ie dA I 7 w t S i a l l o y 阴J o u r n a lo fM a t e r ia l sS cie n ceL e t t e r s ， 2 0 0 1 ，2 0 ：1 3 0 5 - 1 3 0 7 【1 2 】L ia oC h e n g w e i，C h e nJ ia n ch u n ，P a nC h u n x u M icr o s t r u ct u r eo f A L S rp h a s einA 1 一S rm a s t e ra l l o ya n dit se