采用蛇形通道澆注法制備半固態(tài)ZL101鋁合金漿料的新工藝
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蛇形通道澆注法是近年來提出的一種工藝簡單、生產(chǎn)高效的半固態(tài)金屬漿料制備方法。熔體沿著一個彎曲蛇形通道的內(nèi)壁流過，從而激冷形核和形成漿料。此外，合金熔體是在具有一定弧度且封閉的蛇形通道內(nèi)流動并多次改變流動方向，合金熔體具有一定的“自攪拌”功能，促使合金熔體凝固初期所形成的晶核向球晶轉(zhuǎn)變，從而獲得非枝晶組織漿料。
1 試驗方法
試驗材料為ZLIOI鋁合金，其成分（質(zhì)量分數(shù)，下同）為：7.5%的Si，0.28%的Mg，0.16%的Fe，0.1%的Mn，0.1%的Zn，0.05%的Ti，余量為Al。采用差示掃描量熱分析(DSC)確定了該合金的固一液相溫度區(qū)間為555～615℃。蛇形彎道與坩堝的材質(zhì)為不銹鋼，坩堝尺寸為489 mm×150 mm，壁厚為4.5 mm。采用Ni-Cr/Ni-Si型熱電偶測量液態(tài)鋁合金溫度，其精度為±1℃。蛇形通道的結(jié)構(gòu)及漿料制備原理見圖1。
利用電阻爐熔化ZLIOI鋁合金，控制其澆注溫度，鋁合金熔體經(jīng)過蛇形通道流人坩堝內(nèi)，立即將漿料和收集坩堝一起放人冷水中淬火。澆注前，蛇形通道和收集坩堝都處于室溫狀態(tài)。沿凝固漿料的軸線方向截取約10 mm厚的圓片，再從中取出一扇形塊作為金相試樣。金相試樣經(jīng)過粗磨、細磨和拋光之后，用體積分數(shù)為0.5%的HF水溶液進行浸蝕，利用Zeiss光學(xué)顯微鏡觀察漿料的組織形貌。利用以下公式計算初生a-AI的晶粒直徑和形狀因子[16-18]：
式中，D為初生a-AI的平均晶粒直徑；F為初生a-AI的形狀因子，取值范圍為O～1，值越大表示晶粒越圓整；A和P分別為晶粒的面積和周長。
2 試驗結(jié)果與分析
2.1 澆注溫度對微觀組織的影響
圖2為采用具有4彎道的蛇形通道在不同澆注溫度下制備的半固態(tài)ZLIOI鋁合金漿料的微觀組織，其特征值見表1�？梢钥闯觯咨w粒為初生a-AI，灰色部分為剩余液相凝固得到的共晶組織。由圖2a可知，已有近球狀初生a-AI形成，薔薇狀晶粒和近球狀晶粒幾乎各占一半。從圖2b可以看出，其組織主要為近球狀初生a-AI，其中夾雜有少量的薔薇狀晶，初生a-AI的尺寸較大。當(dāng)澆注溫度降低至640。C時，凝固組織形貌得到明顯改善，由近球狀初生a-Al均勻地分布在共晶組織中構(gòu)成，晶粒尺寸減小。在640℃下澆注結(jié)束后，蛇形通道內(nèi)出現(xiàn)一層較厚的凝固殼，而在660℃及其以上溫度澆注時，蛇形通道掛料較少。此現(xiàn)象及凝固組織表明，在660℃及更高溫度澆注，既可以得到較好的近球狀初晶半固態(tài)漿料組織，又可以減少蛇形通道掛料。
2.2 彎道數(shù)量對微觀組織的影響
圖3為采用不同彎道數(shù)的蛇形通道在660℃條件下制備半固態(tài)ZLIOI鋁合金漿料的微觀組織，其特征見表1。從圖3a可以看出，初生a-AI由球狀和近球狀晶粒組成，薔薇狀晶粒較少。在圖3b中，絕大部分初生a-AI由球狀和近球狀晶粒組成，同時含有少量薔薇狀晶粒。在圖3c中，初生a-AI幾乎全部由球狀和近球狀晶粒組成，且晶粒尺寸明顯降低。然而，在相同的溫度下澆注，隨彎道數(shù)量增加，掛料增多。試驗結(jié)果表明，在保證不堵塞通道時，彎道數(shù)量越多，制備的半固態(tài)漿料組織越好。
2.3冷卻方式對微觀組織的影響
圖4為3彎道蛇形通道、澆注溫度為6 80℃、不同冷卻方式的ZLI01鋁合金漿料的微觀組織。可以看出，在采用空冷方式時，初生a-AI由球狀或薔薇狀構(gòu)成，并且晶粒尺寸較大，見圖4a。采用水冷方式得到的組織由球狀初生a-AI組成，薔薇狀組織較少，晶粒尺寸明顯減小，見圖4b。研究表明，二次加熱可以使薔薇狀晶粒演變成球狀組織，但其尺寸較大，不利于力學(xué)性能的改善。
3討 論
目前對半固態(tài)合金中球狀晶粒枝形成機理解釋歸結(jié)為3種機制：枝晶臂根部斷裂機制，枝晶臂根部熔斷機制，枝晶臂彎曲機制。蛇形通道澆注法中球晶的演變過程屬于，枝晶臂根部斷裂機制。
采用蛇形彎道制備半固態(tài)漿料時，蛇形彎道內(nèi)壁處的合金熔體具有較大的過冷度，降低了結(jié)晶時的形核功，臨界晶核半徑也將減��；此外，蛇形通道內(nèi)壁為凹面，能促進形核，這將有利于更多的原子集團成為晶核。通道內(nèi)流動的合金熔體將受到本身的重力和管壁的摩擦力作用。由于受到管壁摩擦力的作用，合金熔體各處的流速不一樣，這必然使合金熔體內(nèi)部產(chǎn)生剪切力。通道內(nèi)合金熔體密度分布不均勻，將引起對流。對流不僅將型壁處的部分晶核帶到熔體的其他區(qū)域，而且也會使合金熔體內(nèi)部產(chǎn)生剪切力。剪切力促使枝晶臂的斷裂，
減小晶粒尺寸，并使晶粒球化。
蛇形通道內(nèi)合金熔體的濃度梯度、溫度梯度和固液界面前沿的擾動情況決定初生晶核的生長形態(tài)。蛇形通道的“自攪拌”作用，使得初生a-Al晶粒周圍的濃度場和溫度場更加均勻，提高固液界面的穩(wěn)定性，抑制品粒的擇優(yōu)生長，使初生a-AI晶粒最終演變?yōu)榍驙罨蚪?/p>
球狀。澆注溫度高，或者冷卻時間較長，晶粒有充足的時間長大，最終得到的組織較為粗大。所以，采用較低的澆注溫度和水冷的方式，更易得到細小、均勻的近球狀晶粒。彎道數(shù)量越多，“自攪拌”作用越強，得到的組織形貌越好。但是，彎道數(shù)量的增加，使得掛料增加。
4結(jié) 論
(1)蛇形通道澆注法制備的半固態(tài)ZLIOI鋁合金漿料，澆注溫度在640～680℃范圍內(nèi)，隨澆注溫度的降低，半固態(tài)漿料的質(zhì)量不斷提高，澆注溫度為660℃時達到最佳。
(2)彎道數(shù)量增多，攪拌作用增強，可提升半固態(tài)漿料的品質(zhì)。但是通道內(nèi)的掛料會增多，通道被阻塞的幾率增加。綜合考慮，4彎道較為適宜。
(3)在澆注溫度和彎道數(shù)量都相同的情況下，采用空冷的方式得到的晶粒比較粗大，水冷的方式可以減小晶粒尺寸，并且有更好的脫模效果。
(4)蛇形通道激冷，促進大量形核，同時，合金熔體的“自攪拌”作用，使初生晶核演變?yōu)榍驙罨蚪驙罹Я！?/p>
5、摘要
采用蛇形通道澆注法制備半固態(tài)ZI)10l鋁合金漿料，研究了澆注溫度、彎道數(shù)量、冷卻方式對半固態(tài)漿料組織的影響。結(jié)果表明，澆注溫度在640~680。C范圍時可獲得理想的半固態(tài)ZI。101鋁合金漿料，其組織隨澆注溫度的降低，由薔薇狀向近球狀或球狀組織演變。在相同澆注溫度下，彎道數(shù)量增加，可以改善初生a—A1晶粒的形貌，降低晶粒尺寸。彎道內(nèi)的合金熔體具有“自攪拌”作用，使初生晶核演變?yōu)榍驙罨蚪驙罹Я！?/p>
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