谭建波,李增民,李立新,郭莉军

(河北科技大学材料科学与工程学院,河北石家庄 050018)

浇注长度对流变压铸A lSi9M g组织及性能的影响

谭建波,李增民,李立新,郭莉军

(河北科技大学材料科学与工程学院,河北石家庄 050018)

采用自制的倾斜流变装置制备半固态合金熔体并直接进行流变压铸,研究了浇注长度对半固态A lSi9M g组织及性能的影响。结果表明:浇注长度对抗拉强度和伸长率影响较大,对硬度和冲击韧性影响较小。浇注长度为500 mm时,抗拉强度为290 M Pa,延伸率为4.1%,硬度为77.9 HBS,冲击韧性为0.72 kJ/m2。流变压铸后A lSi9M g组织晶粒尺寸明显减小,形状明显圆整。浇注长度为500 mm时,流变压铸组织中的初生固相平均尺寸为7.1μm,形状因子为0.73。

浇注长度;流变压铸;A lSi9M g;组织;性能

目前,由于倾斜板法具有投资成本低、设备简单、生产效率高等优点[1-3],因此得到了国内外研究人员的普遍关注[4-7]。研究表明,倾斜板的参数如倾斜板长度[8]、倾斜板角度[9]等对半固态合金的显微组织形貌有明显影响,而压力铸造由于生产效率高、尺寸精确而适合于大批量生产,但限制压铸技术应用的主要问题是压铸件的多孔性以及由此带来的强度问题。多孔性导致压铸件力学性能下降,通常无法进行热处理,从而限制了压铸件应用范围的扩大[10]。为了提高压铸件的致密度,以半固态流变压铸为代表的层流压铸法[11]由于生产成本低,工艺流程短,生产效率高,成形件的性能、质量、经济性等方面都具有极强的竞争力,受到了学术界和工业界的广泛关注[12-13]。

笔者采用自制的倾斜流变装置制备半固态合金熔体并直接进行流变压铸,研究了浇注长度对半固态A lSi9M g组织及性能的影响。

1 实验材料及方法

实验所用材料为A lSi9M g合金,名义成分为9%(质量分数,下同)Si,0.4%M n,0.25%M g,余量为A l。实际测得合金的液相线为595℃,固相线为555℃。

采用倾斜冷却剪切流变法制备半固态合金熔体,实验设备为自行设计、振动频率可调的倾斜冷却剪切装置[14],流变压铸原理示意图如图1所示。

为了研究浇注长度对A lSi9M g合金组织和性能的影响,需要固定其他参数。实验条件如下:倾斜板的倾斜角度为30°,预热温度为120℃,浇注温度为610℃,振动频率为50 Hz,浇注量为260 g(通过浇注勺容积控制),充型速度为2.1 m/s,压射比压为60 M Pa,保压时间为5 s。浇注长度分别为300,400, 500,600,700 mm并进行流变压铸(浇注长度是指在倾斜板上浇注合金液位置到倾斜板下端的距离)。待试样凝固后,顶出试样,测定力学性能。成形试样沿长度方向截取,在相同高度上截取相等长度的试样制成金相试样,成形的流变压铸试样如图2所示。

试样用4%(质量分数)的NaOH溶液侵蚀。利用图像分析技术测定水淬组织中初生固相的平均周长、平均尺寸,计算初生固相晶粒的尺寸和形状因子[14]。为了减小误差,对每个试样的6～8个视场进行了测量,然后取其平均值作为该试样初生固相的组织特征。

2 实验结果与讨论

2.1 浇注长度对流变压铸AlSi9Mg组织的影响

图3为不同浇注长度下的流变压铸A lSi9M g组织,图3 f)为浇注长度500 mm时的水淬组织。对比图3 c)和图3 f)可以明显看出,在相同的浇注长度下,水淬组织初生固相的平均尺寸为50μm,形状因子为0.57;而流变压铸后初生固相的平均尺寸为7.1μm,形状因子为0.73。因此,流变压铸后A lSi9M g组织晶粒尺寸明显减小,形状明显圆整,基体(α+β)共晶组织细小、均匀、致密。

从图3中可以看出,浇注长度对流变压铸后初生固相率影响较大,随着浇注长度的增加,组织中初生固相率也增加。这是因为初生固相率与合金温度有很大关系,其关系式为[15]

根据式(1),初生固相率随温度的降低而增加,由于随着浇注长度的增大,合金熔体在倾斜板上滞留的时间越长,温度下降越多,即流变压铸之前合金熔体中的初生固相率就高,因此表现为流变压铸后组织中的初生固相多。

但浇注长度对流变压铸后初生固相的平均尺寸和形状因子影响较小。笔者认为这主要是因为在流变压铸过程中,合金熔体由压室进入模具型腔时,由于内浇口扁平、尺寸较小,合金熔体通过内浇口进入型腔时,受到高速、高压的作用,初生固相会受到很大的剪切力作用,这样会使初生固相晶粒破碎、细化,从流变压铸后组织明显细化也可以说明这一点。

图3 不同浇注长度下的流变压铸组织Fig.3 Microstructure of different pouring length by rheo-diecasting process

AlSi9Mg合金在流变压铸的过程中,经历了2次凝固阶段,即一次凝固和二次凝固阶段,一次凝固阶段为半固态合金熔体的制备阶段,二次凝固为流变压铸阶段。二次凝固主要发生在模具型腔内,与一次凝固阶段不同,二次凝固阶段的主要特征是极高的冷却速度。由于冷却速度较高,因此出现了α2-Al(图3中细小的白色颗粒,数量较少)。从图3中还可以看出,流变压铸后零件的孔洞较少,这是因为半固态合金熔体中含有一定数量的固相,黏度较大,充型过程中包裹气体的可能性大大降低。因此,半固态流变压铸件可以进行热处理。

2.2 浇注长度对AlSi9Mg合金性能的影响

力学性能与浇注长度的关系如图4所示,不同浇注长度下的力学性能见表1。

图4 力学性能与浇注长度的关系Fig.4 Connection of mechanical p roperties and pouring length

表1 不同浇注长度下的力学性能Tab.1 Mechanical p roperties of different pouring length

由图4可以看出,浇注长度对抗拉强度和延伸率影响较大,对硬度和冲击韧性影响较小。随着浇注长度的增加,抗拉强度和延伸率先增加后减小,浇注长度为500 mm时,到达峰值,抗拉强度为290 M Pa,延伸率为4.1%。硬度和冲击韧性随着浇注长度的增加先增加,到500 mm后,变化较小,趋于平缓。由于合金的力学性能和金相组织密切相关,进一步分析图3 a)和图3 b)可以看出其浇注长度较短,初生固相较少且分布不均匀;在图3 d)和图3 e)中,由于浇注长度的增加,初生固相出现了偏聚现象,即初生固相分布不均匀;在图3 e)中还可以看出,由于流变压铸前初生固相偏多,流变压铸时晶粒受到的剪切作用较大,晶粒虽然比较细小,但不圆整,浇注长度为500 mm时,组织均匀,晶粒圆整,初生固相的平均尺寸为7.1μm,形状因子为0.73。

3 结 论

1)相同浇注长度下,水淬组织初生固相的平均尺寸为50μm,形状因子为0.57;流变压铸后初生固相的平均尺寸为7.1μm,形状因子为0.73。流变压铸后A lSi9M g组织晶粒尺寸明显减小,形状明显圆整。

2)浇注长度对抗拉强度和延伸率影响较大,对硬度和冲击韧性影响较小。浇注长度为500 mm时,抗拉强度为290 M Pa,延伸率为4.1%,硬度为77.9 HBS,冲击韧性为0.72 kJ/m2。

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Influence of pouring length on rheo-die casting
microstructures and p roperties of A lSi9M g

TAN Jian-bo,L IZeng-m in,L ILi-xin,GUO Li-jun
(College of Materials Science and Engineering,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang Hebei050018,China)

The influence of pouring length on the rheo-die casting microstructure and p roperties of AlSi9M g have been researched by rheo-die casting method after semi-solid AlSi9M g alloy melt p repared into by incline cooling and shearing device. The results show that the pouring length has great influence on the tensile strength and the elongation percentage,but little on the hardness and the impact toughness.When the pouring length is 500 mm,the tensile strength is 290 MPa,the elongation percentage is 4.1%,the hardness is 77.9 HBS and the impact toughness is 0.72 kJ/m2.After rheo-die casting,the grain size of A lSi9M g becomes smaller significantly and the shape becomesmo re round.When the pouring length is 500 mm,the average diameter of p rimary solid phase is 7.1μm and the shape facto r is 0.73.

pouring length;rheo-die casting;A lSi9M g;microstructure;p roperties

TG146.4

A

1008-1542(2010)06-0568-04

2010-07-25;

2010-09-16;责任编辑:张士莹

河北省自然科学基金资助项目(E2010000880);河北科技大学博士基金资助项目(QD200901)

谭建波(1964-),男,河北定州人,教授,博士,主要从事半固态成形技术与理论方面的研究。