初生相形态对半固态挤压铸造Al-Si-Mg-Fe合金力学性能的影响.pdf

初生相形态对半固态挤压铸造Al-Si-Mg-Fe 合金力学性能的影响 基金项目：国家科技重大专项基金 （2011ZX04002- 132） ；郑州市名师工作室资助项目 （ 郑教高201570号 ） 。 收稿日期：2016-12-24收到初稿，2017-02-25收到修订稿。 作者简介：张占领 （1979- ） ，男，硕士，副教授，主要从事先进制造技术的教学与研究。电话E- mail：zzlyjs 张占领1，张艳琴2 (1. 郑州科技学院，河南郑州 450064；2. 郑州城市职业学院，河南郑州 452370) 摘要：采用气泡搅拌制备铸造铝硅镁合金半固态浆料 （GISS） 工艺，可以开发出具有细小均匀的球状晶体结构的 半固态浆料。本文以轮毂铸件为例，研究通过带气孔的石墨头释放出细小惰性气体气泡，气泡在熔体内部引起强烈 对流，使得热量可以迅速散失从而加快冷却速度；同时也使得熔体中的温度场更加均匀，抑制枝晶形成，得到细小 的球状晶粒。通过改变吹气量、吹气时间以及石墨头表面积，即可获得不同固相率的浆料，最后采用挤压铸造工艺 生产出合格铸件。结果表明，初生(Al)的形状和粒径大小对铸件的拉伸强度和伸长率有很大的影响。 关键词：GISS；轮毂；显微组织；力学性能；挤压铸造 中图分类号：TP311.52文献标识码：A文章编号：1001-4977（2017）06-0582-04 ZHANG Zhan- ling1，ZHANG Yan- qin2 (1. University for Science 2. City University of Zhengzhou, Zhengzhou 452370, Henan, China) Effects of Primary Phase Morphology on Mechanical Properties of Al- Si- Mg- Fe Alloy in Semi- Solid Squeeze Casting Process Abstract：The gas induced semi- solid (GISS) process was developed to create Al- Si- Mg- Fe alloy semi- solid slurrywithfineanduniformglobularstructure.Withwheelhub castingsasan example,thecombination oflocal rapid heat extraction and vigorous agitation bythe injection offine inert gas bubbles through a graphite diffuser in molten metal held at a temperature above its liquidus temperature changes the morphology of primary (Al) fromcoarsedendritictorosette- likeandfinallyto fineglobularstructure.Thedifferent solid fractionsslurrywas prepared by setting blowing capacity, blowing time and graphite diffuser head surface area. The GISS process produced semi- solid slurry at low solid fractions and then formed the slurry by a squeezing casting process to produce casting parts. The effects of primary phase morphology on the mechanical properties of Al- Si- Mg- Fe alloy were investigated. The results show that the ultimate tensile strength and elongation are affected by the shapefactorandparticlesizeoftheprimary(Al). Key words：gas induced semi- solid(GISS); wheels; microstructure; mechanical properties; squeezing casting 铸造 FOUNDRY 半固态金属 （SSM） 加工技术是20世纪70年代美 国麻省理工学院的M. C. Flemings教授等提出的一种金 属成形新方法。该方法利用金属从液态向固态或从固 态向液态转变 （ 即液固共存 ） 过程中所具有的特性进 行成形。这一新的成形加工方法综合了凝固加工和塑 性加工的长处，即加工温度比液态低、变形抗力比固 态小，可一次大变形量加工成形形状复杂且精度和性 能要求较高的零件。因此，被称为“21世纪新一代金 属成形技术”1- 2。SSM成形工艺分为流变成形和触变 成形。与触变成形相比，流变成形直接采用半固态浆 料成形，无需制坯和对坯料进行二次加热，能够进一 步降低成本并提高生产效率，已成为目前主要的研究 方向3。J. Wannasin等人4利用气泡搅拌法制得了细化 的A357组织，发现随着气体流量、吹气时间以及气体 扩散头表面积/熔体体积 （S/V） 的增加，细化效果显 著增加。目前关于气泡搅拌制浆的研究很多还局限在 研究工艺参数 （ 如搅拌速率、浇注温度、搅拌时间等） 5，对半固态浆料组织的影响规律，或者是研究制浆过 程中组织演变过程研究很少。 1试验 试验用轮毂铸件材质为Al- Si- Mg- Fe合金6，其化 学成分如表1所示。该合金具有铸造流动性好、收缩率 低和热裂倾向小等特点，经过变质和热处理后，具有 Jun. 2017 Vol.66No.6582 合金熔化GISS工艺浇注挤压铸造轮毂试样 图2GISS工艺挤压铸造过程示意图 Fig. 2 Schematic of GISS squeezing casting process 良好的综合性能，是应用最为广泛的一类铸造合金。 该合金经半固态流变成形后，会具备良好的韧性及抗 冲击能力，非常适合于汽车轮毂等运动部件，合金的 液相线温度是613。 1.1半固态浆料的制备 本研究中采用自主开发的氩气汽泡制备半固态铝 合金浆料 （GISS） ，装置原理及实物图分别如图1所示， 试验需电阻炉2个，分别命名为电阻炉1和电阻炉2。在 试验中，首先把合金锭料在电阻炉1中熔炼合金，至合 金在挤压铸造前完全熔融，加热到710左右保持温 度。浇勺和石墨扩散头均置于电阻炉2中充分预热，电 阻炉2的温度分别设定在为650、635、620、615。试 验时，先将浇勺从电阻炉2取出，然后沉没进电阻炉1 的熔体中，从中取一勺熔体 （ 约3 000 g） 迅速转移到 坩埚2中，同时将热电偶插入到浇勺内测量熔体温度， 待熔体温度分别降至650、635、620、615时，迅速 将石墨扩散头的气流打开到指定流量，并将扩散头迅 速插入浇勺中。待浇勺内的熔体温度降至指定浇注温 度时迅速移开搅拌头，浇勺内即为所需的具有10、 25和30的低固体含量 （ fs） 的不同固相率的浆料。 本研究中对合金半固态制浆工艺参数进行了优化，优 化的工艺参数包括浇注温度和吹气流量，试验过程采 用控制变量法。具体的试验方案设计如表2所示。 1.2铸造方法 GISS单元使用低固体分数产生半固态浆料，以使 用直接挤压铸造工艺来生产半固态铸件。将浆料倒入 模腔中。由100 t液压机实现66 MPa的施加压力。将上 模和下模预热至280300。图2示出了半固态挤压 铸造工艺的示意图。 1.3金相分析 所有铸件均通过标准研磨和抛光程序后用4%硝酸 酒精溶液腐蚀，再用光学金相显微镜观察金相组织。 然后使用图像工具软件在显微照片上进行图像分析， 确定初级 （Al） 颗粒的面积和周长。平均当量直径 （D） 用于描述显微照片中的一次 （Al） 相的平均粒径，根据 其平均面积由下式计算：D=（4A/） 1/2。初始 （Al） 颗粒 的形状因子 （F） 使用以下公式计算：F=4A/P2，式中A 和P分别是颗粒的平均面积和平均周长7。 表1Al-Si-Mg-Fe的化学成分 Table 1 Chemical composition of Al-Si-Mg-Fe alloy used in this study B/% Si 6.99 Mg 0.32 Fe 0.46 Cu 0.03 Mn 0.06 Zn 0.02 Ti 0.05 其他杂质 0.02 余量 Al 图1惰性气体气泡法制备半固态浆料装置示意图 Fig. 1 Schematic drawing of GISS process 表2气泡法制备半固态浆料工艺参数优化试验方案 Table 2 Experimental conditions used in this study 轮毂 试样 RCT650-10%fs RCT635-10%fs RCT620-10%fs RCT620-25%fs RCT615-30%fs 流变铸造 温度/ 650 630 620 620 615 流变铸造 时间/s 25 15 10 10 10 保温 时间/s - - - 70 70 铸造前固相 分数/% 10 10 10 25 30 1.4力学性能测试 半固态浆料经YJ32- 2000四柱液压机挤压铸造后， 从成型的合金轮毂铸件上截取拉伸试样及试样尺寸如 图3所示。在日本岛津AG- 10TA型自动控制万能力学试 验机上进行拉伸试验，测试铸件室温下的极限抗拉强 度和断后伸长率。 2结果与讨论 Al- Si- Mg- Fe合金的半固态浆料和液体挤压铸件的 微观金相组织如图4所示。半固态浆料铸造部件的球状 结构如图4a所示。在图4b的液体挤压铸造部件中观察 到树枝状结构。 铸造 张占领等：初生相形态对半固态挤压铸造Al-Si-Mg-Fe合金力学性能的影响583 图6半固态挤压铸造流变温度与固相率对 （Al） 粒度以及形状因子的影响 Fig. 6 Effect of rheocasting temperatures（RCT）and solid fractions before casting on particle size and shape factor of （Al）phase for semi- solid slurry cast of AI- Si- Mg- Fe alloyin various processing condition 表3不同挤压铸造工艺半固态浆料铸造铝硅镁铁合金的 微观组织结构的定量数据统计 Table 3 Summary of microstructure features of semi -solid slurry cast of Al-Si-Mg-Fe alloy by the GISS process 图3试样截取部位及拉伸标准件尺寸 Fig. 3 Specimen size for tensile test 图5显示了Al- Si- Mg- Fe合金的半固态浆料铸造部件 的微观结构，流变成形温度为650、635、620、620、 615时，其固体分数分别为10、10、10、 25、30，通过改变挤压铸造工艺条件可以获得初 生 （Al） 相的不同形态。从图5可以看出，在流变温度 为650和浆料的10固相率的条件下的初始 （Al） 相 晶粒尺寸大于其他条件的尺寸。该结构由球状和玫瑰 状结构的组合构成见5a所示。随着流变温度的降低， 初生 （Al） 的结构更精细和更圆整，初生相的平均晶粒 尺寸出现逐渐减小再增大的趋势，而固相率继续上升。 当流变温度达到620和固相率达到25时，初生相 的平均晶粒尺寸最小，颗粒变得更加圆整 （ 图5d） 。继 续降低流变温度至615，固相率达到30，虽然浆 料组织中的初生相也很圆整，但晶粒尺寸也显著增大 （图5e） 。综上所述，流变温度为620，固相率达到 25%时可以获得初生相圆整度及平均晶粒尺寸的最佳 状态。 （a）GISS工艺半固态挤压铸造（b） 普通液态挤压铸造 图4Al- Si- Mg- Fe合金微观组织 Fig. 4 Microstructures of AI- Si- Mg- Fe alloy （a）RCT650- 10fs（b）RCT635- 10fs（c）RCT620- 10fs（d）RCT620- 25fs（e）RCT615- 30fs 图5不同流变温度 （RCT） 以及固相率 （fs） 条件下挤压铸造的微观结构 Fig. 5 Microstructures of squeeze casting Al- Si- Mg- Fe alloybyGISS process under different rheocasting temperature（RCT）and solid fraction（fs） 在每种条件下的微观结构的定量数据提供在表3 中。在25固相率的条件下，当流变温度为620时， 其形状因子为0.74，这表明在该试验中铸件具有最多 的球形结构。铸件的粒径和形状因子之间的关系如图6 所示。从金相分析结果来看，可以得出结论，获得高 值的形状因子的方法是增加保温时间，提高半固态液 体固相率，在早期阶段降低初级 （Al） 粗化，产生更细 的初生 （Al） 。 铸件的力学性能如图7所示，半固态挤压铸造铸件 的极限拉伸强度分别为160.1、176.9、188.7、203.8、 186.9 MPa，伸长率分别为5.9、6.9、8.4、10.1、 8.1。从图7也可以看出，半固态挤压铸造流变温度与 图标 图5a 图5b 图5c 图5d 图5e 流变铸造 温度/ 650 630 620 620 615 铸造前固 相分数/% 10 10 10 25 30 （Al） 的 粒度/m 110 83 60 65 76 （Al） 的形 状因子 0.32 0.44 0.65 0.74 0.60 FOUNDRY Jun. 2017 Vol.66No.6584 半固态率为RCT620- 25fs的条件下，铸件的拉伸强度 和伸长率均达到最大值。这是由于 （Al） 相的高形状因 子以及晶粒细化决定的。 图8是半固态铸造铸件极限抗拉强度、伸长率和形 状因子之间的关系图。由图8可以看出，随着形状因子 数值的增大，铸件的抗拉强度以及伸长率不断增大。 因此，在半固态挤压铸造成形工艺下，初生相形态即 （Al） 的形状因子对力学性能 （抗拉强度和伸长率） 有很 大影响。 3结论 （1） 可以选择GISS流变工艺以及挤压铸造条件， 以获得较细的初始 （Al） 晶粒和较大的形状因子值。 （2） 铸件的抗拉强度和伸长率受初始（Al） 的形 状因子和粒径的影响。 （3） 具有合适的初生相形态形状系数为0.74和 （Al）晶 粒 直 径 为65m的 半 固 体 铸 件 可 以 获 得 203.8 MPa极限抗拉强度和10.1伸长率的高力学性能。 参考文献： 1Flemings M，Riek R，Young K. Rheocasting J. Materials Science and Engineering，1976，25：103-117. 2Flemings M C. Behavior of metal alloys in the semisolid state J. Metallurgical Transactions B，1991，22（3） ：269-293. 3Fan Z. Semisolid metal processing J. International materials reviews，2002，47（2） ：49-85. 4Wannasin J，Janudom S，Rattanochaikul T，et al. Research and development of gas induced semi- solid process for industrial applications J. Transactions of Nonferrous Metals Society of China， 2010，20：1010-1015. 5赵艳红，安振须，韩莹，等.铝合金半固态浆料制备工艺参数的 研究J.铸造，2014，63（10） ：1060-1063. 6林雪冬.离心铸造Al- Si- Mg发动机缸套铸件的工艺研究J.铸造， 2014，63（3） ：271-274. 7胡聘聘，盖其东，李相辉，等.铸型搅动细晶铸造对K492M合金 向心叶轮组织与拉伸性能的影响J.铸造，2016，65（11）： 1045-1550. （ 编辑：曲学良，qxl ） 图7流变温度 （RCT） 与半固态率对铸件抗拉强度和 断后伸长率的影响 Fig. 7 Effect of rheocasting temperature (RCT) and solid fractions before casting on ultimate te