關(guān)于保溫參數(shù)對A356鋁合金半固態(tài)組織影響的研究
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作者：鄭曉敏
在半固態(tài)成形時(shí)，同時(shí)含有部分固相和液相的固-液混合漿料，以非枝晶凝固方式開始結(jié)晶，合金中剩余液相能夠互相連通，使凝固收縮得到有效補(bǔ)充，從而減少或消除了縮松和熱裂；同時(shí)，半固態(tài)漿料粘度較全液態(tài)的高，氣體卷入較少。因此，半固態(tài)成形技術(shù)在理論上可以獲得無孔洞類缺陷的產(chǎn)品，從而提高產(chǎn)品的力學(xué)性能。
自孕育法（Self-Inoculation Method，簡稱SIM法）是一種新型的凝固組織控制方法。該方法是將兩個(gè)一定成分、質(zhì)量、溫度的合金混合，再經(jīng)過一定角度的導(dǎo)流器，利用兩種合金液（體）的不同性質(zhì)，如溫度、表面張力、組織等，在混合后使得合金液中瞬間形成大量晶核（一次自孕育），同時(shí)通過導(dǎo)流器產(chǎn)生紊流，促進(jìn)晶粒增殖、加強(qiáng)自孕育效果（二次自孕育）、抑制晶粒長大，最終消除鑄件中的粗大樹枝晶，并獲得細(xì)小的等軸晶組織。采用SIM法制備漿料，工藝流程短、效率高、設(shè)備簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、適用性強(qiáng)，并且成本低廉，適于規(guī)�；�、商業(yè)化生產(chǎn)。本課題以A356鑄造鋁合金為研究對象，采用SIM法分別在不同熔體處理溫度和不同保溫時(shí)間下制備半固態(tài)漿料，并對其水淬組織進(jìn)行分析。
1 試驗(yàn)方法
試驗(yàn)材料為A356鑄造鋁合金，其化學(xué)成分見表1。
將A356合金在井式坩堝電阻爐中熔煉，待合金完全熔化后，開始測溫。當(dāng)熔體溫度達(dá)到720～730℃時(shí)，用C2 Cl6（合金質(zhì)量的1%）進(jìn)行除氣除渣，然后進(jìn)行扒渣與靜置，并對熔體溫度進(jìn)行測定。當(dāng)熔體溫度降至700℃時(shí)，澆注成尺寸為Ø15 mm×150 mm的金屬型試棒，然后加工成5 mm×5 mm×5 mm的小顆粒狀的孕育劑，將其表面進(jìn)行清洗，烘干待用。
圖1為自孕育流變制漿工藝示意圖，其中導(dǎo)流器長度為500 mm，角度可調(diào)整，股數(shù)為2股。調(diào)整導(dǎo)流器角度為45。，在熔體處理溫度達(dá)到預(yù)定溫度（分別為700、690、680和670℃）時(shí)，將5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的孕育劑加入到A356鋁合金熔體中并迅速攪拌，然后將混合后的熔體經(jīng)過導(dǎo)流器后收集到漿料收集器，將制備好的漿料在一定溫度（620、610、600和590 ℃）下進(jìn)行一定時(shí)間(0、3、5和10 min)的保溫處理，然后進(jìn)行水淬。最后對水淬試樣進(jìn)行取樣，經(jīng)預(yù)磨、拋光后用飽和NaOH溶液腐蝕，進(jìn)行金相組織觀察，并利用Image-Pro Plus5.0軟件對組織中的初生顆粒平均晶粒尺寸、形狀因子及固相率進(jìn)行測定。
圖2為水淬試驗(yàn)過程中溫度變化的示意圖。
當(dāng)熔體溫度達(dá)到T1時(shí)，加入自孕育劑并進(jìn)行攪拌，使溫度降至T2，接著過導(dǎo)流器，整個(gè)熔體溫度降至T3，在T3溫度下進(jìn)行特定時(shí)間的保溫，再進(jìn)行水淬直至凝固（T4，室溫）。經(jīng)過多次試驗(yàn)測得，加入孕育劑后平均降溫約為50℃，過導(dǎo)流器后平均降溫約為30℃。
2 結(jié)果與討論
2.1傳統(tǒng)金屬型鑄造與半固態(tài)金屬型鑄造組織
圖3為不同工藝下A356鋁合金組織。由圖3a可以看出，傳統(tǒng)金屬型鑄造由大部分為樹枝晶和少數(shù)的等軸晶組成，且二次枝晶臂發(fā)達(dá)。相比之下，自孕育法組織為近球狀晶或細(xì)小等軸晶，見圖3b。
合金熔化后，熔體內(nèi)部分高熔點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)仍舊殘留在熔體中，并作為異質(zhì)形核基底。將5%的自孕育劑加入熔體后吸收熔體大量的熱量熔化，合金熔體溫度迅速下降，使熔體局部區(qū)域產(chǎn)生大量的晶核或“大尺寸原子團(tuán)簇"，增加了凝固過程的形核質(zhì)點(diǎn)。另外，孕育劑的加入可以看成是在熔體中加入了異質(zhì)形核基底，從而使得形核率增加，即一次孕育。隨后經(jīng)過導(dǎo)流器，由于導(dǎo)流器溫度較低，金屬熔體與導(dǎo)流器表層接觸迅速激冷，形成細(xì)小枝晶，并有部分液體形成表層凝固殼。在后續(xù)高溫熔體連續(xù)沖刷和剪切過程中，部分枝晶臂熔斷后隨金屬液一起流入漿料收集器中。而在此過程中，熔體發(fā)生傳熱與對流，使自身熱量迅速釋放，導(dǎo)致熔體溫度再次下降， 使最終漿料過冷度增大，枝晶碎片得以保存，產(chǎn)生晶粒增殖效果，即二次孕育。兩個(gè)過程的疊加使最終組織呈細(xì)小等軸狀。
2.2 不同保溫時(shí)間下的漿料水淬組織
圖4為不同保溫參數(shù)下的漿料水淬組織。當(dāng)保溫時(shí)間為O min時(shí)，初生a顆粒由不規(guī)則多邊形和薔薇狀組成。隨保溫過程的進(jìn)行，在保溫3 min時(shí)，顆粒逐漸圓整，且顆粒尺寸增大。保溫5 min時(shí)，顆粒更大，并有部分合并現(xiàn)象。當(dāng)保溫時(shí)間增加到10 min時(shí)，組織明顯惡化，出現(xiàn)較多的合并長大現(xiàn)象，顆粒尺寸增大，且形狀不規(guī)則。
圖5和圖6分別為不同保溫參數(shù)下初生顆粒的形狀因子和平均尺寸。由圖5和圖6可知，當(dāng)漿料未保溫時(shí)，初生顆粒尺寸最小，為35～42 μm，但形狀因子較大，為1. 9～2.0，不是理想的流變成形組織；保溫3～5min時(shí)，顆粒尺寸增大到60 μm以上，形狀因子降低至1. 42;保溫時(shí)間達(dá)到10 min時(shí)，顆粒尺寸更大（100 μm左右）的同時(shí)形狀因子也增大。對比發(fā)現(xiàn)，保溫3 min的組織為較理想的流變成形組織。
圖7為A356鋁合金半固態(tài)漿料在保溫10 min后的水淬組織。圖7中A圈的較小顆粒與較大的顆粒形成鮮明的對比，較小顆粒周圍有白色小顆粒，而大顆粒周圍存在的全部為黑色共晶組織。說明大小顆粒周圍存在濃度差。B框中的兩個(gè)顆粒尺寸相差不大，并且出現(xiàn)了“8”字狀的合并現(xiàn)象。
漿料未保溫時(shí)，熔體內(nèi)部大多為枝晶碎片和依附高熔點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)長大的顆粒，漿料匯合流入導(dǎo)流器后存在對流，會使枝晶碎片尖角鈍化。在保溫過程中，對流減弱，熔體成分逐漸均勻。但枝晶碎片會因根部溶質(zhì)原子富集而熔斷，形成單個(gè)的不規(guī)則顆粒。這些不規(guī)則的顆粒尖角會被熔化，同時(shí)枝晶碎片的增加也使界面能增加，在界面能減小的驅(qū)動(dòng)力影響下不規(guī)則的顆粒逐漸圓整化，并作為基底吸附更多來自液相的溶質(zhì)原子。于是隨著保溫時(shí)間的延長，初生a顆粒增大，且逐漸圓整。由于原始枝晶碎片尺寸有大有小，且生長速率不同，導(dǎo)致初生a顆粒大小各異。尺寸較小的初生a-Al顆粒周圍液相溶質(zhì)濃度較低，而尺寸較大顆粒周圍液相溶質(zhì)濃度較高。隨保溫時(shí)間的進(jìn)一步延長，Si元素將不斷從大顆粒向小顆粒擴(kuò)散，而Al元素則呈相反的擴(kuò)散路徑。其結(jié)果是大顆粒不斷長大，小顆粒不斷變小，甚至熔化消失，即發(fā)生所謂的Ostwald熱化。在保溫10 min時(shí)的組織中出現(xiàn)大量“8”字狀或“梭”狀初生顆粒的合并組織，是由于保溫后期顆粒與顆粒之間合并長大現(xiàn)象加劇而形成的。當(dāng)兩個(gè)尺寸相差較大的顆粒通過合并方式形成新顆粒時(shí)，在界面能減小的驅(qū)動(dòng)力下，新顆粒最終會球化；但是當(dāng)兩個(gè)尺寸相差不大的顆粒合并成新晶粒時(shí)，新晶粒很難球化，最終長成“8”字狀或“梭”狀團(tuán)簇。
2.3不同保溫溫度下的漿料水淬組織
圖8為不同保溫溫度下保溫3min的漿料水淬組織。當(dāng)保溫溫度為620℃時(shí)，固相率較低，初生a顆粒較為圓整。隨著溫度逐漸降低，固相率明顯增大，且初生a顆粒出現(xiàn)團(tuán)聚，并且在溫度降至590 ℃時(shí)，初生顆粒的不規(guī)則程度變大，甚至出現(xiàn)了枝晶。
圖9是保溫3 min的漿料在不同保溫溫度下的固相率。當(dāng)保溫溫度為620℃時(shí)，固相率為13.1%；保溫溫度為610℃時(shí)，固相率為33.5%；保溫溫度為600℃時(shí)，固相率為44.8%；保溫溫度為590℃時(shí)，固相率為57. 9%。
熔體處理溫度較低時(shí)，加入孕育劑后熔體溫度已經(jīng)接近液相線溫度，孕育劑激冷而產(chǎn)生的晶核將大量存活下來。隨后熔體接觸到導(dǎo)流器時(shí)，會在導(dǎo)流器表面形成凝固殼。此時(shí)，過導(dǎo)流器的熔體不能將這層凝固殼快速熔化，導(dǎo)致后續(xù)熔體不是在導(dǎo)流器表面流過，而是經(jīng)過金屬凝固殼層后匯流進(jìn)入漿料收集器，起不到應(yīng)有的冷卻效果。一些粗大的樹枝晶由于在導(dǎo)流器上所受剪切力較小而難以被剪斷，在后續(xù)的凝固過程中難以變圓整，表現(xiàn)為圖8d中存在的枝晶碎片。另外，熔體處理溫度較低導(dǎo)致漿料固相率較高，隨保溫中顆粒的長大，固相顆粒與顆粒之間相互接觸幾率增加，加劇了晶粒間的合并長大現(xiàn)象，從而增加了顆粒的不均勻性。而當(dāng)熔體處理溫度過高時(shí)，固相率較低，剩余液相過多，使凝固不能達(dá)到理想的半固態(tài)狀態(tài)而接近全液態(tài)低溫澆注，對于產(chǎn)品缺陷的防止效果不大。因此，采用自孕育法進(jìn)行半固態(tài)流變成形時(shí)，熔體處理溫度不宜過低或過高。就A356合金而言，熔體處理溫度應(yīng)選擇680～690℃，相應(yīng)的保溫溫度應(yīng)為600～610 ℃。
3 結(jié) 論
(1) A356鋁合金采用自孕育法半固態(tài)流變鑄造可獲得初生顆粒分布均勻的非枝晶組織。
(2)采用自孕育法制備A356半固態(tài)漿料，在保溫3 min時(shí)顆粒形狀因子最接近于1，而顆粒平均尺寸相對較小。因此，保溫3 min的組織為較理想的流變成形組織。
(3)保溫溫度的高低直接影響最終漿料的固相率的大小。固相率過高（50%以上），初生顆粒的合并現(xiàn)象嚴(yán)重，使組織惡化；固相率過低（15%以下），組織接近全液態(tài)，達(dá)不到半固態(tài)成形有利于補(bǔ)縮的效果。因此，適宜A356合金的半固態(tài)流變成形的漿料保溫溫度應(yīng)在600～610℃。
4摘要采用自孕育法制備A356鋁合金半固態(tài)漿料，對比分析了半固態(tài)金屬型鑄造與傳統(tǒng)金屬型鑄造的組織，研究了不同保溫時(shí)間及保溫溫度對A356半固態(tài)漿料水淬組織的影響。結(jié)果表明，A356鋁合金采用自孕育法進(jìn)行半固態(tài)流變鑄造可獲得初生相分布均勻的非枝晶組織；A356半固態(tài)漿料在保溫3 min時(shí)初生顆粒的形狀因子最接近于1，而且顆粒平均尺寸相對較小，因此，保溫3 min的組織為較理想的流變成形組織；保溫溫度的高低直接影響最終漿料固相率的高低。固相率過高（50%以上），初生顆粒的合并現(xiàn)象嚴(yán)重，使組織惡化；固相率過低（15%以下），漿料接近全液態(tài)，達(dá)不到半固態(tài)成形利于補(bǔ)縮的效果。適合A356合金的半固態(tài)保溫溫度為600～610 ℃。
