半固態壓鑄對復合變質Al-20Si合金組織和性能的影響

周鵬飛，閻峰云

（蘭州理工大學，甘肅 蘭州 730050）

半固態壓鑄對復合變質Al-20Si合金組織和性能的影響

周鵬飛，閻峰云

（蘭州理工大學，甘肅 蘭州 730050）

簡要分析了壓鑄速度對復合變質的Al－20Si組織和性能的影響。在半固態觸變壓鑄時，隨著壓射速度的增加，抗拉強度不斷提高；當壓射速度為5m/s時，抗拉強度達218MPa。但壓射速度進一步提高時，抗拉強度又呈遞減趨勢。隨著壓射速度的增大硬度有先下降后增大的趨勢。

Al－20Si；半固態；觸變壓鑄；壓射速度

過共晶Al－Si合金是一種重要的鑄造合金，在性能上雖有很多優越之處，但是隨著硅含量提高，初晶硅變得十分粗大，通常長成粗大的板塊狀，且當含硅量超過18%時，流動性也會有所下降[1－11]。含硅量的增加使得凝固溫度范圍增大，引起顯微組織中出現粗大的板條狀初生硅，這種初生硅的存在會嚴重割裂基體，同時該合金中的共晶硅相呈現長針狀同樣會割裂基體，影響合金使用性能，限制了其在工業生產上的應用。因此，細化過共晶鋁硅合金中的硅相尤顯重要。本文主要分析了半固態壓鑄對復合變質Al－20Si合金組織和性能的影響。

1 實驗過程與方案

1.1 實驗設備

（1）等溫熱處理爐：箱式電阻爐，功率為4.5kW，PID控溫，誤差為±1℃。

（2）壓鑄機：實驗采用DAK450－54型臥式冷室實時控制壓鑄機。壓鑄機模具如圖1,試棒尺寸見圖2。主要參數如下：

鎖模力 5000kN

合模行程 675mm

頂出力 241kN

模具高度 300mm～800mm

模板尺寸 1060mm×1060mm

大杠間距 675mm

大杠直經 135mm

壓射位置標準 0～280mm

最大壓射力 548kN

壓射行程 500mm

壓射頭直徑 60mm～100mm

壓射體積 942cm3～2617cm3

比壓 （1936～697）×105Pa/cm2

工作壓力 300×105Pa

（3）模溫機及模具加熱：實驗中使用ROBAMAT公司的5212型模溫機對模具進行預熱，該模溫機通過高溫載熱油的方式對模具進行加熱，其最高加熱溫度為350℃。

1.2 觸變壓鑄實驗

Al－20Si中間合金經過重熔、精煉和變質（4%CuP10+1%AlSr13+15%Al－RE10），澆注成 ?75mm×120mm圓柱形坯料。使用前加工成?70mm×100mm的錠料。二次重熔在4.5kW箱式電阻爐中進行。

在半固態壓鑄試驗中，保溫溫度630℃，保溫時間45min，主要調整壓射速度，分析不同壓射速度對合金組織和性能的影響。壓射速度分別為1m/s、2m/s、3m/s、4m/s、5m/s、6m/s、7m/s。其他壓鑄工藝都固定不變。增壓壓力300MPa，增壓時間30ms，壓鑄模具溫度260℃，壓室溫度360℃。

1.3 力學性能檢測

拉伸試驗使用WDW－100D型號微機控制電子式萬能材料試驗機，精度等級0.5，拉伸速度為0.5mm/min。同一工藝條件下做3個拉伸試樣，測定試樣的室溫拉伸性能，取其平均值。

2 實驗結果與討論

2.1 不同壓射速度對組織形貌和性能的影響

圖3是不同壓射速度對復合變質Al－20Si合金顯微組織的影響。從圖中可以看出，α相都比較圓整但尺寸不一樣，隨著壓射速度的增大，α相顆粒的尺寸先增大后減小再增大。壓射速度較小時，初晶硅比較粗大，棱角比較鈍，共晶硅顯示出長針狀，如圖3a。繼續增大速度時，初晶硅顯著變小，共晶硅也隨著變細小，如圖3b～d。當壓射速度達到5m/s時，初晶硅非常圓整，共晶硅也呈蠕絮狀分布，在圖3e中可以看出。繼續增大壓射速度時，初晶硅變化不大，但共晶硅相開始長大，如圖3f、g。

圖4顯示了壓射速度與抗拉強度的關系，從圖中可以看出抗拉強度隨壓射速度有先增大后減小的趨勢。當壓射速度為1m/s時，抗拉強度為155MPa;隨著壓射速度的增加，抗拉強度不斷提高；當壓射速度為5m/s時，抗拉強度達218MPa。但壓射速度進一步提高時，抗拉強度又呈遞減趨勢。

圖5是硬度大小隨壓射速度變化的柱狀圖。從圖中可以直觀的看出隨著壓射速度的增大硬度有先下降后增大的趨勢，當速度從1m/s上升到3m/s時，試樣的硬度變化不大，總體顯示下降趨勢；當速度從3m/s上升到7m/s時，硬度值快速上升。經分析在高速充型時，由于冷卻速度快導致壓鑄件表面層組織十分細小，在鑄件表面形成致密的金屬殼，導致了硬度值的上升。壓鑄成形件存在表面細晶區和內部粗晶區，壓射速度增加使金屬表層晶粒細小而硬度上升。

2.2 不同壓射速度對合金斷口形貌的影響

從圖6合金斷口形貌中可以大致看出，無論壓射速度多大，基本沒有韌窩的存在，所以對于高硅鋁硅合金而言可以說是脆性斷裂。從圖中還可以看出斷口基本都是沿晶斷裂，也有穿晶斷裂的跡象（圖6h），但主要還是以沿晶斷裂為主。從圖6中a～g可以看出當壓射速度為5m/s時硅相的尺寸最小，即圖e中的凹坑直徑最小，也最圓整，這在很大程度上表明初晶硅相的形貌和尺寸是影響合金抗拉強度的關鍵性因素。所以在制備半固態漿料時還應該把重點放在初晶硅的細化上，同時還應該考慮硅相和鋁基體的結合強度，這從圖中的沿晶斷裂可以看出，說明Al-Si原子的結合遠不如Al-Al、Si-Si的結合力。同時當壓射速度超過5m/s時，從圖6中f、g可以看出有明顯的氣孔存在，這表明當壓射速度過大，成型零件中會存在氣孔，這將嚴重影響材料的力學性能；在壓射速度較低的情況下，從圖6中a～c也可以看到有氣孔的存在，因此在壓鑄成型中應該調整好壓射速度。

2.3 壓鑄成型機理分析

從以上的數據分析來看，經過4%CuP10+1%AlSr13+15%AlRE10變質的Al-20Si合金半固態壓鑄試樣，其力學性能的影響規律為壓鑄件的抗拉強度隨著壓鑄速度的提高先提高后下降；當達到一定的壓鑄速度時(5m/s)，其抗拉強度可以達到最大值。然后隨著壓鑄速度的繼續提高，其抗拉強度又開始下降。綜上分析表明，在大約5m/s的壓鑄速度下,半固態壓鑄件具有最佳的綜合力學性能。根據粘性流體流動形式的雷諾公式判據：

式中:η和ρ分別為料漿的粘度和密度；d為內澆道的直徑；v為壓鑄速度。當R e≤2300，流體為層狀流動；當R e>2300，流體為紊流流動。

在本試驗中，d內澆道=37.5mm，ρ=2700kg/m3，η=0.95Pa·s，V內澆道臨界=21.5m/s。

由 π×（d內澆道/2）2×V內澆道臨界=π×（d料缸直徑/2）2×V壓頭

得V壓頭=4.74m/s

計算結果與實際最佳壓頭速度5m/s幾乎一樣，因此從理論上同樣也可以近似的推算出最佳的壓射速度。

金屬半固態料漿也具有粘性流體的一般特性，為此本文嘗試應用雷諾公式對鋁合金半固態壓鑄過程流動狀態進行判斷。

從式（1）可知，在低速下，其料漿流動時的雷諾數值就較小，有可能就低于臨界值（2300），因此料漿將以層流的方式進行充型，但由于速度過低，會造成充型不充分，成形件的致密度較差，相應性能也較差。在高速下，雖然其充型很充分、壓鑄件外觀質量也很好，但由于壓鑄速度過大，則料漿的雷諾數可能會超過臨界值（2300），坯料將以紊流的方式進行充型，這樣會在成形件內部形成卷氣、疏松等缺陷，因此力學性能必然會下降。而當壓鑄速度比較適中時，料漿的充型不僅比較充分，而且料漿的雷諾數值可能接近臨界值2300，這樣就以層流的流動形式進行充型，因此成形件外觀光潔，微觀組織致密，綜合力學性能表現較好。有研究者認為速度過快時，形成的金屬殼非常薄，冷卻凝固過程中產生的收縮應力全部由極薄的金屬殼層承擔，在應力超過金屬殼層的極限強度后，金屬殼層發生撕裂。同時，后續填充的高溫金屬液從金屬殼層的表面流過時，雖然裂紋深處被焊合，但在表面已形成許多顯微裂紋。這樣可能導致硬度在速度提高時會下降；同時壓鑄成形件存在表面細晶區和內部粗晶區，壓射速度增加使金屬表層晶粒細小，同時也使內部晶粒變小，從而提高拉伸性能。在拉伸試驗時，整個截面承受載荷，裂紋由內部萌生而擴展到表面，這個過程內部粗晶粒區起主要作用。

3 結語

（1）隨著壓射速度的增加，抗拉強度不斷提高；當壓射速度為5m/s時，抗拉強度達218MPa。但壓射速度進一步提高時，抗拉強度又呈遞減趨勢。

（2）隨著壓射速度的增大，硬度有先下降后增大的趨勢。經分析，在高速充型時，由于冷卻速度快導致壓鑄件表面層組織十分細小，在鑄件表面形成致密的金屬殼，導致了硬度值的上升。壓鑄成形件存在表面細晶區和內部粗晶區，壓射速度增加使金屬表層晶粒細小而硬度上升。

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The Effection on M icrostructural and Performance of Al-20Si w ith Com posite M etam orphic by Sem i-Solid Form ing

ZHOU PengFei，YAN FengYun
（Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,Gansu China）

The influence of the injection speed on microstructure and performance of semi-solid formed Al-20Si has been briefly analyzed.In semi-solid thixotropic pressure casting,along with the increase of the injection speed,tensile strength was improved;When injection speed was 5 m/s,tensile strength reached 218 MPa.But with further higher speed,tensile strength decreased.Along with the increase of injection speed,hardness has the tendency of decreasing first then increasing.

Al-20Si;Semi-solid;Thixotropic casting;Injection speed

TG146.2+1;

A；

1006－9658（2012）03－0019-4

2011－12－27

稿件編號：11－172

周鵬飛（1988－），男，碩士在讀，主要研究方向：半固態鋁合金成形