近液相線法制備ZL203 半固態(tài)坯料研究

邱 輝

（貴州航天風(fēng)華精密設(shè)備有限公司，貴州 貴陽 550000）

20 世紀(jì)70 年代，美國麻省理工學(xué)院的Flemings等人首先提出了半固態(tài)成形技術(shù)[1]。這一新的成形加工方法綜合了凝固和塑性加工的長處，即加工溫度比液態(tài)低、變形抗力比固態(tài)小，可通過一次大變形量便加工成形狀復(fù)雜且精度和性能質(zhì)量要求均較高的零件[1-3]。經(jīng)過近40 多年的發(fā)展，特別是在西方一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家，已將鋁合金的半固態(tài)成形技術(shù)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，例如將其應(yīng)用到汽車工業(yè)、計(jì)算機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等行業(yè)[4]。

半固態(tài)成形可分為流變成形和觸變成形[5]，流變成形的半固態(tài)漿料在制備時(shí)不容易控制，因此流變成形的研究應(yīng)用進(jìn)展較為緩慢；而觸變成形的半固態(tài)坯料制備方法多，例如電磁攪拌法、近液相線法、應(yīng)變誘發(fā)熔化激活法、噴射成形法等方法[6-8]，且容易控制，應(yīng)用前景較好。本文采用近液相線法制備ZL203 半固態(tài)坯料，該方法具有操作簡單、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，且制備出的半固態(tài)坯料可為后續(xù)的二次加熱保溫觸變成形提供有力的保障。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)合金

試驗(yàn)采用的合金為購置的ZL203 合金錠，該合金的具體化學(xué)成分如表1 所示。

表1 ZL203 合金的化學(xué)成分

1.2 試驗(yàn)過程

通過查閱二元合金相圖可知，ZL203 的液相線溫度約為640 ℃。將已經(jīng)稱量好的ZL203 放入感應(yīng)電阻爐中加熱熔化，同時(shí)將部分模具放入馬弗爐中加熱保溫備用；待金屬全部熔化后，倒入六氯乙烷，靜置10 min 后精煉除氣，然后進(jìn)行撇渣，當(dāng)達(dá)到澆注溫度時(shí)，開始進(jìn)行試驗(yàn)。第一組試驗(yàn)采用常溫模具進(jìn)行澆注，澆注溫度分別為650 ℃、640 ℃、630 ℃。第二組試驗(yàn)采用熱模具進(jìn)行澆注，澆注溫度為630 ℃，模具溫度分別為150 ℃、100 ℃、50 ℃。

1.3 制樣及組織觀察

將制備好的坯料切割成10 mm×10 mm×10 mm的小試樣，用水砂紙磨制試樣，然后用拋光機(jī)將試樣打磨拋光；用腐蝕液（體積分?jǐn)?shù)為：50%H2O+40%HNO3+6%HCI+4%HF）腐蝕試樣，后清洗干凈；采用金相顯微鏡觀察金相組織并拍照。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 澆注溫度對(duì)ZL203 合金微觀組織形貌和尺寸的影響

如圖1 所示為澆注溫度對(duì)ZL203 合金初生α-Al形貌和尺寸的影響，從圖1 可看出，當(dāng)澆注溫度為650 ℃，ZL203 合金初生α-Al 的形貌為粗大的薔薇狀，未見等軸狀的晶粒；當(dāng)澆注溫度為640 ℃時(shí)，出現(xiàn)了一些尺寸較小的等軸狀初生α-Al，甚至部分晶粒呈近球狀，但仍然存在較多的粗大薔薇狀α-Al；當(dāng)澆注溫度降為630 ℃時(shí)，絕大多數(shù)的初生α-Al 已成尺寸較小的等軸狀或近球狀，而薔薇狀的初生α-Al 已很少。

圖1 澆注溫度對(duì)ZL203 合金初生α-Al 形貌的影響

ZL203 合金微觀組織尺寸隨澆注溫度變化曲線如下頁圖2 所示，從圖2 中可以發(fā)現(xiàn)，隨著澆注溫度的降低，晶粒的尺寸不斷減小，當(dāng)澆注溫度為630 ℃時(shí)，晶粒的平均尺寸最小。

圖2 ZL203 合金微觀組織尺寸隨澆注溫度變化曲線圖

2.2 模具溫度對(duì)ZL203 合金微觀組織形貌和尺寸的影響

如圖3 所示為模具溫度對(duì)ZL203 合金初生α-Al形貌和尺寸的影響，從圖3 可看出，當(dāng)模具溫度為150 ℃時(shí)，ZL203 合金初生α-Al 的形貌出現(xiàn)了粗大的薔薇狀，甚至部分為粗大的樹枝狀，等軸狀的晶粒極少；當(dāng)模具溫度為100 ℃時(shí)，初生α-Al 的形貌已轉(zhuǎn)變?yōu)樗N薇狀，晶粒仍然粗大，而等軸狀的細(xì)小晶粒任然極少；當(dāng)模具溫度為50 ℃時(shí)，絕大部分ZL203 合金初生α-Al 的形貌轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S狀，同時(shí)出現(xiàn)了極少數(shù)的近球狀晶粒，且晶粒變細(xì)，薔薇狀的晶粒已很少。ZL203 合金微觀組織尺寸隨澆注溫度變化曲線如圖4所示，從圖4 中可以發(fā)現(xiàn)，隨著模具溫度的降低，初生α-Al 晶粒的尺寸隨模具溫度的降低而減小，當(dāng)模具溫度為50 ℃時(shí)，晶粒的平均尺寸最小。

圖3 模具溫度對(duì)ZL203 合金初生α-Al 形貌的影響

圖4 ZL203 合金微觀組織尺寸隨澆注溫度變化曲線圖

3 分析與討論

從圖1 和圖2 可看出，隨著澆注溫度的降低并接近液相線，ZL203 合金初生α-Al 從粗大的薔薇狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的等軸狀或近球狀。由此可見，在相同的冷卻速度下，澆注溫度直接影響了ZL203 合金初生α-Al 的形貌和尺寸。Flemings 認(rèn)為[9]在一定的冷卻速度下，若足夠多的晶核能在合金凝固初期形成，那么合金在結(jié)晶過程中就會(huì)形成大量的近球狀組織，其關(guān)鍵就是在凝固初期促進(jìn)大量的形核。根據(jù)結(jié)構(gòu)起伏理論，金屬熔體在低溫時(shí)，熔體內(nèi)存在大量的近程有序排列的準(zhǔn)固態(tài)原子集團(tuán)，在一定的過冷度下，大量的原子集團(tuán)迅速長大成為穩(wěn)定的結(jié)晶的核心[10]。同時(shí)，澆注溫度低于液相線溫度時(shí)，熔體產(chǎn)生過冷現(xiàn)象，形核數(shù)目增多，晶核間在長大過程中，當(dāng)長大的晶體彼此相遇時(shí)，形成長大阻力，對(duì)彼此間長大造成抑制作用，晶體很少或不可能長大成為粗大的樹枝晶，進(jìn)而得到理想的細(xì)小近球狀晶粒。因此，在一定冷卻速度下，采用近液相法澆注，有利于大量晶核的形成，臨界晶核半徑減小，提高了形核率，晶體間的相互抑制長大作用增強(qiáng)，使得晶粒不能足夠長大，從而使晶粒得到細(xì)化和球化。

而從圖3 和圖4 可以看出，在相同的澆注溫度下，隨著模具溫度的降低，ZL203 合金初生α-Al 從樹枝狀和薔薇狀轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S狀或近球狀。模具溫度的差異從另一個(gè)角度反映出來的是冷卻速度的差異，即模具溫度高，金屬熔液的冷卻速度慢，而模具溫度低，則金屬熔液冷卻速度快。此時(shí)，澆注溫度已低于液相線，金屬熔體內(nèi)已達(dá)過冷度，結(jié)晶開始，但由于模具溫度的高低差異，導(dǎo)致進(jìn)入不同溫度模具內(nèi)的金屬熔體冷卻速度不同。冷卻速度快的熔體，過冷度越大，形核數(shù)目越多，結(jié)晶后的晶粒也就越細(xì)小，而冷卻速度慢的熔體，過冷度越小，形核數(shù)目越少，結(jié)晶后的初生相形貌呈薔薇狀，甚至樹枝狀，初生相尺寸較大。因此，澆注溫度相同時(shí)，模具溫度低，ZL203 合金初生α-Al 的形貌呈等軸狀或近球狀，晶粒細(xì)小。

4 結(jié)論

1）近液相線法制備ZL203 合金半固態(tài)坯料時(shí)，隨著澆注溫度接近液相線溫度，半固態(tài)坯料的晶粒呈細(xì)小的等軸狀或近球狀。

2）模具溫度也影響ZL203 合金半固態(tài)坯料的組織形貌和尺寸，隨著模具溫度的降低，半固態(tài)坯料組織向細(xì)小的等軸狀或近球狀晶粒轉(zhuǎn)變。

3）通過近液相法可以制備出符合要求的ZL203合金半固態(tài)坯料，可為半固態(tài)坯料的二次加熱奠定基礎(chǔ)。