二次重熔工藝對觸變成形Al-Pb合金力學性能的影響

謝 磊，黃海軍，張素卿

（1.中國鋁業蘭州分公司 炭素廠，蘭州 730060；2.蘭州理工大學 材料學院，蘭州 730050）

二次重熔工藝對觸變成形Al-Pb合金力學性能的影響

謝 磊1，黃海軍2，張素卿2

（1.中國鋁業蘭州分公司 炭素廠，蘭州 730060；2.蘭州理工大學 材料學院，蘭州 730050）

研究了二次重熔工藝對觸變成形Al-20%Pb合金性能的影響，結果表明：在半固態溫度615℃加熱不同時間時，加熱150min時初生相球化程度最高，成形合金的力學性能最好；在不同溫度加熱150min時，620℃時的初生相顆粒圓整度最高，合金的力學性能最好。初生相球化程度越高，合金越致密且變形協調能力越好，合金的力學性能越好。

觸變成形；Al-Pb合金；力學性能

Al-Pb合金具有良好的耐磨、減磨性能，是優異的軸瓦材料。然而Pb在Al基體中難溶且由于密度差異在高溫出現液相分層，采用傳統鑄造法難以使組織均勻從而影響合金的性能。因此研究人員一直試圖通過尋求新的成形方法以獲得均勻組織及優異的性能，并取得了一定的成就[1-4]，但都存在工藝復雜、成本高等不足。近年來，半固態成形技術的出現及在輕質有色合金（鋁、鎂等合金）產品上的研究及應用表明該成形技術能顯著提高合金的性能且具有工藝簡單兼造價低等優點[2，3，5，6]，被譽為 21 世紀最具應用前景的金屬成形技術[7-14]。

然而，半固態成形技術在Al-Pb合金上的應用卻鮮有報道。本文采用傾斜板冷卻剪切法制備組織均勻的Al-20%Pb合金半固態坯料，通過改變二次重熔工藝，研究了觸變成形Al-Pb合金性能，以期為半固態成形技術在Al-Pb合金上的應用及提高合金性能奠定基礎。

1 試驗方法

試驗材料為自行配制的Al-Pb合金，其成分見表1。DSC測試表明其凝固溫度區間為629.7～579.4℃。該合金的熔煉工藝為：首先將Al基體合金（成分見表1）置入預熱后的石墨坩堝中，待熔化后，在700℃加入C2Cl6精煉，扒渣后加入20%的Pb，繼續加熱到1250℃，加熱30min，獲得混熔的Al-Pb合金液，然后將該合金液在傾斜板進行澆注成?73mm×160mm的柱狀坯料。將制得的柱狀坯料置入坩堝電阻爐，通過改變加熱時間和加熱溫度以獲得不同的半固態組織。之后立即將其注入DAK450-54型500t冷室壓鑄機壓鑄成型（產品如圖1所示），壓射速度為5m/s，模具溫度為300±5℃。

表1 基體合金的化學成分（質量分數%）

將壓鑄產品分別制成晶相試樣和標準拉伸試樣。金相試樣先進行硬度測試后經粗磨、拋光、腐蝕在Mef3光學顯微鏡進行金相分析；拉伸試驗在WDW-100D萬能材料試驗機上進行，拉伸速率為2mm/min，拉伸后的斷口立即在JSM-6700F掃描電子顯微鏡上觀察。

2 試驗結果

2.1 加熱時間對半固態組織及合金性能的影響

圖2為傾斜板剪切冷卻法得到的Al-Pb合金坯料鑄態組織，其主要有初生α-Al枝晶、二次α-Al枝晶和Pb顆粒構成。615℃二次加熱時，其組織發生了顯著的變化。如圖3（a）所示，加熱120min后，α-Al枝晶已出現球化，隨著加熱時間的延長，球化逐漸加劇，當加熱180min后α-Al枝晶已經呈近球狀顆粒。然而，隨著加熱時間的進一步延長，顆粒有粗化趨勢造成球狀組織變差，如圖 3（d）。

圖4為615℃加熱時力學性能隨加熱時間的變化。由圖可見，力學性能的變化與圓整度的變化有很好的對應關系，即先增加至180min時出現最大值，然后力學性能變差。

2.2 加熱溫度對半固態組織及合金性能的影響

圖5為不同加熱溫度條件下，加熱150min時的合金半固態組織。由圖可見，不同加熱溫度，α-Al枝晶球化程度不同。隨著溫度的升高其球化程度增加，當615℃加熱150min時，球化程度最好，如圖5（b）；但隨著加熱溫度的進一步升高其球化狀態開始惡化，如圖5（d），當625℃加熱時α-Al已呈“紡錘”狀。同時隨加熱溫度的升高半固態組織中的液相逐漸增多。

圖6為不同加熱溫度時加熱150min時力學的變化。由圖可見力學性能亦呈先增加后減小的趨勢。當615℃加熱150min時，各力學性能指標達到其峰值。

3 分析與討論

由Al-Pb合金二元合金相圖可知，隨溫度的降低合金液先經過富Al和富Pb的液相不互溶區，當到達熔晶點時富Al液相發生熔晶反應產生初生α-Al相和富Pb液相，隨著溫度的進一步冷卻富Al液相凝固產生Pb相。因而在半固態部分重熔過程中Pb相率先熔化形成液相，隨著溫度的升高枝晶間富Pb部分溶入初生α-Al使枝晶粗化，隨著溫度進一步升高液相逐漸增多，由于Thomson-Gibbs效應，組織球化，其球化過程受溶質原子的擴散控制，時間與溫度是其影響因素，因而隨著加熱時間的延長和加熱溫度的升高，組織球化加劇從熱力學上來說，體系存在單位體積界面能減小的趨勢，故而產生組織粗化以減小單位體積界面能。在半固態等溫熱處理過程中，一般通過兩種方式粗化，即Ostwald熟化和合并長大兩種方式[15]。

合金的性能與其組織密切相關，就半固態成形合金而言，其半固態漿料中初生相的形態、固相率對其影響較大。當固相率一定時，初生相的顆粒越圓整，在充型過程層流越平穩，利于補縮，因而致密度較高，硬度較大如圖7，其為615℃加熱不同時間試樣的拉升斷口，由圖可見隨著球化程度的增加縮孔逐漸減小，合金的致密度增加使合金的硬度和強度提高。與此同時，顆粒化越圓整，協調變形能力越強有利于合金力學性能的提升。

當不同加熱溫度時，合金液半固態組織中的固相率不同，高的加熱其固相率低，在其充型過程中紊流程度增大，容易卷起形成縮孔，不利于合金的性能。但初生顆粒的球化程度有利于減小卷氣，有利于合金的性能因而，不同加熱溫度時，兩個方面即初生相的球化程度和固相率決定了合金的性能。圖8為不同加熱溫度時合金試樣的拉伸斷口SEM圖，由圖可見620℃加熱150min時，合金組織最為致密，合金性能最佳。

此外，Pb相的形態也影響到合金的性能。Pb相在Al-Pb合金中為軟質相，因而其分布和聚集程度影響合金的性能。Pb相熔點低，且隨合金液的補縮而最后凝固，出現在縮孔區（圖9），這加劇了合金性能的惡化。

3 結論

（1）615℃加熱時，初生相隨加熱時間的延長球化程度增加，加熱130min后初生相呈近球狀，合金性能最優，進一步加熱組織合并，合金性能惡化。

（2）不同溫度加熱150min時，隨加熱溫度的升高，球化程度增加，620℃時組織球化程度最高，力學性能最好。

（3）組織球化程度越高，合金液充型平穩，不易卷氣，合金組織致密，力學性能越好；同時Pb相約分散、有利于合金性能的提升。

[1]Jiuzhou Z，Haili L，Qingliang W，et al.Rapid directional solidification of Al-Pb alloy unser a static magnetic field[J].Acta Metallurgica Sinica，2009:1344-1348.

[2]Jin-cheng P，Ying-jie Q，Lin G，et al.Microstructure Analysis for Al-Pb Alloy of Preparation in Powder Metallurgy Processing[J][J].Journal Of Materials Engineering，2009，12.

[3]Jang S，Purohit Y，Irving D，et al.Molecular dynamics simulations of deformation in nanocrystalline Al-Pb alloys[J].Materials Science and Engineering:A，2008，493（1-2）:53-57.

[4]甄子勝，毛衛民，陳洪濤，等.電磁攪拌工藝參數對半固態AZ91D鎂合金組織的影響[J].北京科技大學學報，2003，25（004）:341-345.

[5]羅守靖，謝水生.半固態加工技術及應用[J].中國有色金屬學報，2000，10（006）:765-773.

[6]半固態，劉政，毛衛民，等.新工藝制備半固態A356鋁合金漿料[J].金屬學報，2009，45（4）.

[7]D’Errico F，Rivolta B，Gerosa R，et al.Thixomolded magnesium alloys:Strategic product innovation in automobiles[J].JOM Journal of the Minerals，Metals and Materials Society，2008，60（11）:70-76.

[8]Xianfeng P，Haifeng Z，Aimin W.Trend and develop-ment of semi-solid metal processing[J].Journal of Materials Science and Technology，2000，9:453-460.

[9]Liu D，Atkinson H，Kapranos P，et al.Microstructural evolution and tensile mechanicalproperties ofthixoformed high performance aluminium alloys[J].Materials Science and Engineering A，2003，361（1-2）:213-224.

[10]Fan Z.Development of the rheo-diecasting process for magnesium alloys[J].Materials Science and Engineering:A，2005，413:72-78.

[11]Wang W，Yuan S，Jiang B，et al.Solidification pattern and microstructures of AZ91D magnesium alloy through rheoforming[J].Chinese Science Bulletin，2005，50（16）:1799-1804.

[12]Fan Z，Liu G，Wang Y.Microstructure and mechanical properties of rheo-diecast AZ91D magnesium alloy [J].Journal Of Materials Science，2006，41（12）:3631-3644.

[13]Ji S，Qian M，Fan Z.Semisolid processing characteristics of AM series Mgalloysbyrheo-diecasting [J].Metallurgicaland materials transactions A，2006，37（3）:779-787.

[14]羅守靖，姜巨福，杜之明.半固態金屬成形研究的新進展，工業應用及其思考[J].機械工程學報，2003，39（011）:52-60.

[15]Chen TJ，Jiang XD，Ma Y，et al.Microstructural evolution and phase transformations during partial remelting of AZ91D magnesium alloy refined by SiC[J].Journal Of Alloys And Compounds，2010，497（1-2）:147-154.

Effects of Reheating Processes on the Mechanics Properties of Thixoformed Al-Pb Alloy

XIE Lei1,HUANG HaiJun2,ZHANG SuQing2
（1.Carbon Factory Lanzhou Branch CHALCO,Lanzhou 730060,Gansu China；2.School of Materials Science and Engineering Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,Gansu China

The mechanics properties of thixoformed Al-20wt.%Pb alloy with different partial remelting processes have been studied,resulting in that the finest primary particles of the alloy and thus the most excellent performance were obtained at heating temperature 615℃for 150min.But the results from heating for 150 min at different temperatures,the primary particles heated at 620℃were the finest and the mechanics properties the best.The more spheroidal the primary particles,the more compact the microstructure and the easier the deformation during testing,and thus the more excellent the mechanics properties.

Thixoforming；Al-Pb alloy；Mechanics property

TG146.2;

A；

1006－9658（2011）03－4

2010－12－19

2010－189

謝磊（1971-），男，中國鋁業蘭州分公司炭素廠高級工程師