趙君文，戴光澤，吳樹(shù)森，黃興民，韓 靖

(1. 西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610031；2. 華中科技大學(xué) 材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074)

漿料澆注溫度對(duì)流變壓鑄件組織和力學(xué)性能的影響

趙君文1，戴光澤1，吳樹(shù)森2，黃興民1，韓 靖1

(1. 西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610031；2. 華中科技大學(xué) 材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074)

將采用超聲振動(dòng)制備的過(guò)共晶Al-Si合金A390漿料在不同溫度下進(jìn)行流變壓鑄成形，研究漿料澆注溫度對(duì)過(guò)共晶Al-Si合金流變壓鑄試樣組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：過(guò)共晶Al-Si合金A390流變壓鑄試樣組織中初生Si主要由漿料制備過(guò)程中形成的大塊Si(Si1)和在壓鑄模型腔中形成的細(xì)小Si(Si3)組成；在580～640 ℃范圍內(nèi)，隨著漿料澆注溫度升高，Si1平均尺寸先減小后增大，而Si3尺寸穩(wěn)定在7～15 μm之間。過(guò)共晶Al-Si合金A390半固態(tài)漿料的適宜澆注溫度范圍為600～620 ℃，在此范圍內(nèi)可以得到抗拉強(qiáng)度超過(guò)260 MPa的A390合金流變壓鑄試樣。

Al-Si合金；半固態(tài)漿料；流變壓鑄；過(guò)共晶；力學(xué)性能

過(guò)共晶Al-Si合金具有低熱膨脹系數(shù)、高硬度和高耐磨性等優(yōu)良性能，常用于制造活塞、缸體、泵體和空調(diào)壓縮機(jī)等。然而，常用的過(guò)共晶Al-Si合金 (如 A390合金)凝固溫度區(qū)間大、初生固相少，使得該類合金鑄造時(shí)組織中初生Si粗大、共晶Si呈針狀，組織偏析嚴(yán)重，很難得到力學(xué)性能優(yōu)良的鑄件[1]。

半固態(tài)鑄造是一種能夠解決上述問(wèn)題的技術(shù)方法之一，但過(guò)共晶Al-Si合金半固態(tài)鑄造技術(shù)一直限于觸變鑄造[2?5]。眾所周知，相對(duì)于觸變鑄造，流變鑄造在成本和效率等方面具有優(yōu)勢(shì)，并已成功用于亞共晶Al-Si合金零件的制造[6?8]。然而，經(jīng)濟(jì)并可得到合格組織的過(guò)共晶Al-Si合金流變鑄造工藝卻鮮見(jiàn)報(bào)道[9]。

超聲振動(dòng)能夠制備高質(zhì)量的金屬半固態(tài)坯料和漿料[10?12]，超聲制備漿料參數(shù)對(duì)漿料組織的影響已有很多研究，但缺乏超聲制備漿料參數(shù)對(duì)漿料流變壓鑄組織與性能影響的研究。同時(shí)，半固態(tài)漿料的澆注溫度對(duì)流變漿料的充型有至關(guān)重要的影響，溫度太高，使得漿料充型類似于液態(tài)，難以發(fā)揮半固態(tài)成形的優(yōu)點(diǎn)，而如果溫度太低，因漿料固相率過(guò)高，造成充型阻力太大，使得最終成型件組織不致密，甚至出現(xiàn)澆不足和冷隔現(xiàn)象。因此，本文作者進(jìn)行了A390合金半固態(tài)漿料澆注溫度對(duì)流變壓鑄件組織和性能影響規(guī)律的研究。

1 實(shí)驗(yàn)

本試驗(yàn)所用材料A390合金采用Al-22Si中間合金、純Al、純Cu和純Mg配置而成，其成分為(質(zhì)量分?jǐn)?shù))：17% Si，4.5% Cu，0.6% Mg，其余為Al。所采用的A390合金的固相線溫度為505 ℃，液相線溫度為650 ℃。使用的漿料制備試驗(yàn)裝置見(jiàn)文獻(xiàn)[13]，將配制好的合金熔體進(jìn)行除氣精煉后冷卻至660～730 ℃待澆；打開(kāi)電爐將制漿樣杯及超聲振動(dòng)頭預(yù)熱到530～580 ℃，同時(shí)預(yù)設(shè)好超聲振動(dòng)參數(shù)；從坩堝中取一定量熔體澆入樣杯中并啟動(dòng)超聲振動(dòng)，通過(guò)熔體和樣杯之間的熱平衡，熔體會(huì)很快冷到所需的半固態(tài)澆注溫度范圍內(nèi)，經(jīng)過(guò)1 min超聲振動(dòng)后，將漿料倒入壓室壓鑄，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。值得說(shuō)明的是，在此，半固態(tài)漿料澆注溫度是指超聲振動(dòng)結(jié)束后轉(zhuǎn)移澆入壓室前所測(cè)的溫度。

對(duì)于流變壓鑄成形試驗(yàn)，漿料進(jìn)行壓鑄前，將壓鑄模具預(yù)熱至150 ℃左右。試驗(yàn)中壓鑄參數(shù)固定，即壓射壓力為80 MPa，壓射速度約為1.5 m/s，主要研究漿料澆注溫度對(duì)流變壓鑄件組織與性能的影響，漿料澆注量為600 g左右。壓鑄出的A型力學(xué)性能試樣(見(jiàn)圖1(a)中右邊兩試樣)先進(jìn)行密度測(cè)定，再進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，然后從位置A處取長(zhǎng)度為10 mm的試樣進(jìn)行組織觀察和金相分析。經(jīng)嵌樣、磨削、拋光并用0.5%(體積分?jǐn)?shù)) 氫氟酸溶液腐蝕后進(jìn)行金相觀察，對(duì)每個(gè)試樣用數(shù)碼相機(jī)在不同位置拍照，然后使用金相分析軟件對(duì)各條件下試樣的金相組織進(jìn)行定量分析。

圖1 壓鑄試樣及右邊試樣部分尺寸Fig. 1 Schematic diagrams of rheo-diecasting(a) and dimension(mm) of right two parts(b) (Ais position where specimen is taken for microstructure observation)

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀組織的影響

圖2所示為過(guò)共晶Al-Si合金A390的微觀組織。由圖2可知，過(guò)共晶Al-Si合金A390流變壓鑄件組織明顯不同于液態(tài)壓鑄件組織(參見(jiàn)文獻(xiàn)[13])，亦與同溫度下漿料組織有顯著區(qū)別(見(jiàn)圖2(a))，其組織由分布均勻的初生Si、細(xì)小等軸狀α(Al)和Al-Si共晶組織構(gòu)成。從圖中亦可見(jiàn)，初生Si有3種明顯不同的形態(tài)，即大塊狀的Si1、少量形狀不規(guī)則的Si2和大量細(xì)小的Si3組成。由于Si2數(shù)量少，對(duì)性能的影響不顯著，在此，不再對(duì)其做詳細(xì)研究。

顯然，Si1是在超聲漿料制備過(guò)程中形成的，大量細(xì)小的Si顆粒Si3(Si3)是在漿料充型完畢后在壓鑄型腔中形成的，而個(gè)別條狀的Si粒(Si2)有可能是在漿料轉(zhuǎn)移和壓室中沒(méi)有超聲作用下形核并快速生長(zhǎng)而形成的。

圖2 過(guò)共晶Al-Si合金A390的微觀組織Fig. 2 Microstructures of typical A390 alloy slurry(a) and rheo-diecasting sample(b)with slurry pouring temperature of 615 ℃(In Fig.2(b), large Si particles (Si1) formed inside slurry maker, Si plates (Si2) formed inside shot sleeve or during slurry transferring, and fine Si particles (Si3) formed inside die cavity, as well as equiaxed primaryα(Al))

圖3 不同漿料澆注溫度下的流變壓鑄件微觀組織Fig. 3 Microstructures of A390 rheo-diecasting samples at different slurry pouring temperatures: (a) 640 ℃; (b) 610 ℃; (c) 580 ℃

圖4 初生Si平均顆粒直徑隨漿料澆注溫度的變化Fig. 4 Average Si particle size as function of slurry pouring temperature

圖3所示為3個(gè)不同漿料澆注溫度下流變壓鑄件的微觀組織。由圖3可以看出不同漿料澆注溫度下的初生Si形貌，即3種形態(tài)初生Si的相對(duì)數(shù)量、大小和形狀區(qū)別明顯。漿料澆注溫度較高時(shí)，Si1較大，而且形狀不規(guī)整，當(dāng)漿料澆注溫度降至610 ℃時(shí)，Si1有所減小，而溫度再下降至580℃時(shí)，Si1又增大但形狀較規(guī)整。對(duì)不同漿料澆注溫度下流變壓鑄試樣微觀組織進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，圖4所示為初生Si平均顆粒直徑隨漿料澆注溫度的變化。由圖4可知，Si1平均尺寸隨漿料澆注溫度呈拋物線變化，隨著漿料澆注溫度從580 ℃升高到640 ℃，初生Si1平均尺寸從580 ℃時(shí)的49 μm降低至610 ℃的34 μm，而隨著漿料澆注溫度的進(jìn)一步上升，Si1平均尺寸又增大，640 ℃時(shí)達(dá)56 μm；對(duì)于Si3，隨著漿料澆注溫度升高，其平均尺寸總體呈增大趨勢(shì)，但穩(wěn)定在7～15 μm，變化不大。Si3平均尺寸隨漿料澆注溫度下降變化不大，在7～15 μm之間。流變壓鑄試樣(澆注溫度為620 ℃)組織中各尺寸范圍初生Si粒的分布規(guī)律如圖5所示，其呈現(xiàn)出明顯的兩個(gè)分布峰，并且小粒子數(shù)量遠(yuǎn)大于大粒子的數(shù)量。值得一提的是，在其他漿料澆注溫度下獲得的流變壓鑄試樣組織也具有這種特征。對(duì)不同漿料澆注溫度下各尺寸Si粒定量分析得出，在所研究的漿料澆注溫度范圍內(nèi)，初生Si1量為5%～7%(體積分?jǐn)?shù))，Si3量為3%～5%，而Si2量低于1%，均隨溫度變化不大。

圖5 澆注溫度為620 ℃時(shí)初生Si顆粒直徑分布Fig. 5 Size distribution of primary Si particles for A390 rheodiecasting samples with slurry pouring temperature of 620 ℃

在過(guò)共晶Al-Si合金A390漿料制備過(guò)程中，漿料過(guò)冷度偏小，導(dǎo)致初生Si的形核少，且生長(zhǎng)時(shí)間較長(zhǎng)，故初生Si1尺寸大且數(shù)量少，而漿料制備過(guò)程中超聲聲場(chǎng)的作用抑制了Si1長(zhǎng)成板片狀和五瓣星狀，促使其以顆粒狀的方式生長(zhǎng)。但漿料澆注溫度越高，漿料制備后澆注過(guò)程中Si1在無(wú)超聲場(chǎng)作用下自由生長(zhǎng)時(shí)間就越長(zhǎng)，因此，漿料澆注溫度越高，流變壓鑄試樣中Si1尺寸越大，形狀越不規(guī)則。而漿料充填型腔后，由于模具的高冷卻速度以及壓射沖頭施加的高壓力作用下，剩余液相在非常大的過(guò)冷度下大量形核，使?jié){料的形核率很高，而高冷卻速度使核心生長(zhǎng)時(shí)間很短，因此Si3數(shù)量多，尺寸小?？傮w而言，漿料澆注溫度越低，Si3核心生長(zhǎng)時(shí)間越短，Si3尺寸就越小。

對(duì)于初生α(Al)，其尺寸細(xì)小，呈現(xiàn)等軸狀或非枝晶形貌。如此細(xì)小的等軸狀α(Al)顯然是在壓鑄模型腔中形成，即在漿料制備過(guò)程中沒(méi)有形成初生α(Al)，這與文獻(xiàn)[4, 14]中A390合金半固態(tài)組織有區(qū)別，分析認(rèn)為，主要是由于在本研究中為了保證漿料的流動(dòng)性，所采用的制漿溫度較高，不滿足漿料制備過(guò)程中形成初生α(Al)的條件。

同時(shí)觀察發(fā)現(xiàn)，澆注溫度不同，其組織中氣孔或縮孔的數(shù)量也有差別。溫度較高時(shí)，組織里有較多的孔洞，超聲對(duì)漿料的除氣功能難以得到體現(xiàn)，從而影響流變壓鑄件性能的提高；隨著漿料澆注溫度降低，組織中孔洞缺陷的數(shù)量顯著減少，但當(dāng)澆注溫度低于610 ℃時(shí)，組織中又會(huì)出現(xiàn)明顯孔洞，溫度越低孔洞缺陷增多。

2.2 力學(xué)性能的影響

漿料澆注溫度在580 ℃以上時(shí)，A型力學(xué)性能試樣能夠完整充型，而當(dāng)澆注溫度低于580 ℃，如575 ℃時(shí)，A型試樣出現(xiàn)冷隔或澆不足現(xiàn)象(見(jiàn)圖6)，其他兩類試樣則完全不能成形。

圖7所示為試樣抗拉強(qiáng)度隨漿料澆注溫度的變化關(guān)系圖。從圖7可以看出，隨著漿料澆注溫度從580 ℃上升到600 ℃，流變壓鑄件抗拉強(qiáng)度快速上升，從199 MPa增大到259 MPa；但漿料澆注溫度繼續(xù)上升，流變壓鑄件抗拉強(qiáng)度逐漸降低，從262 MPa降至236 MPa。

雖然A390合金固相線溫度為505 ℃，但由于A390合金固相率隨溫度變化曲線突變點(diǎn)在565 ℃(A390合金固相率隨溫度的變化曲線見(jiàn)文獻(xiàn)[15])，故若漿料澆注溫度太低，由于冷卻漿料在壓入型腔之前固相率已達(dá)到很高，從而導(dǎo)致充型不足(見(jiàn)圖6)，同時(shí)最后凝固的區(qū)域得不到足夠金屬液的補(bǔ)充，使組織中形成大量縮孔。因此，考慮到在漿料轉(zhuǎn)移中和澆入壓室后開(kāi)始?jí)鸿T之前漿料澆注溫度繼續(xù)降低，固相率繼續(xù)增加，漿料澆注溫度不應(yīng)低于580 ℃。隨著漿料澆注溫度的升高，漿料在固相率急劇增大前可充滿型腔，壓力也可以傳遞到整個(gè)試樣，使試樣致密，從而強(qiáng)度升高，但更高的澆注溫度使?jié){料充型類似于液態(tài)充型，漿料充型過(guò)程中卷氣，最后在流變壓鑄試樣中出現(xiàn)氣孔和硬質(zhì)點(diǎn)夾雜等缺陷，從而降低了試樣抗拉強(qiáng)度。由此可見(jiàn)，適宜的漿料澆注溫度在600～620 ℃范圍內(nèi)。

羅漠，我是孤兒，十二歲那年夏天，父母出去旅游，雙雙出了車禍。他們的朋友說(shuō)，他們生前那樣恩愛(ài)，死后一定也是神仙眷侶。

圖6 漿料澆注溫度為575 ℃時(shí)的A390合金流變壓鑄件Fig. 6 A390 alloy rheo-diecasting sample for slurry pouring temperature of 575 ℃

圖7 A390流變壓鑄試樣抗拉強(qiáng)度與漿料澆注溫度的關(guān)系Fig. 7 Relationship between ultimate strength and slurry pouring temperature for A390 rheo-diecasting samples

流變壓鑄試樣密度隨漿料澆注溫度變化的關(guān)系如圖8所示。漿料澆注溫度低于590 ℃時(shí)，流變壓鑄試樣密度低，并且保持在2.5 g/cm3左右。當(dāng)溫度從590 ℃上升到600 ℃，密度急劇上升。而超過(guò)此溫度后，變化亦不大，保持在2.73 g/cm3左右。由此認(rèn)為，在本試驗(yàn)條件下，當(dāng)600 ℃左右的漿料移入壓室開(kāi)始?jí)荷渲?，溫度已降?0 ℃以上，使得固相率急劇上升，從而漿料的流動(dòng)性變差，壓力在傳遞至型腔的過(guò)程中遭到嚴(yán)重削減，因此壓鑄件密度急劇下降。

圖8 流變壓鑄試樣密度與漿料澆注溫度的關(guān)系Fig. 8 Relationship between density and slurry pouring temperature for A390 rheo-diecasting samples

圖4亦表明，初生Si平均尺寸在580～610 ℃范圍內(nèi)隨漿料澆注溫度降低而增大的速率緩于610～640 ℃范圍內(nèi)隨漿料澆注溫度上升的增大速率，這與圖7所反映的流變壓鑄試樣力學(xué)性能隨漿料澆注溫度的變化規(guī)律(即抗拉強(qiáng)度在580～610 ℃范圍內(nèi)的上升速率明顯大于在610～640 ℃范圍內(nèi)的下降速率)不一致。而密度的檢測(cè)結(jié)果(見(jiàn)圖8)間接表明在610 ℃后流變壓鑄試樣中孔洞缺陷有一個(gè)急劇增加的過(guò)程。眾所周知，孔洞缺陷會(huì)顯著降低壓鑄試樣力學(xué)性能，從而使其在580～610 ℃范圍內(nèi)的下降速率很大。因此，流變壓鑄試樣力學(xué)性能隨漿料澆注溫度的變化規(guī)律是其微觀組織和缺陷綜合影響的結(jié)果。

3 結(jié)論

1) A390合金流變壓鑄試樣組織中初生Si主要由尺寸上有明顯差別的兩部分組成，即漿料制備過(guò)程中形成的大塊Si(Si1)和壓鑄模型腔中形成的細(xì)小Si(Si3)構(gòu)成；隨著漿料澆注溫度從580 ℃升高到640 ℃，初生Si1平均尺寸在34～56 μm范圍內(nèi)呈拋物線變化，在610 ℃附近其尺寸最小，而隨溫度升高Si3尺寸總體呈增大趨勢(shì)，但變化不大，穩(wěn)定在7～15 μm。

2) 漿料澆注溫度在600 ℃以下，A390合金漿料流動(dòng)性顯著下降，壓鑄試樣組織中空洞增多，密度存在突變。漿料澆注溫度低于590 ℃時(shí)，流變壓鑄試樣密度保持在2.5 g/cm3左右；澆注溫度在600 ℃以上時(shí)，試樣密度保持在2.73 g/cm3左右。

3) 過(guò)高和過(guò)低的漿料澆注溫度都會(huì)使流變壓鑄件力學(xué)性能降低，過(guò)共晶Al-Si合金A390半固態(tài)漿料適宜澆注溫度范圍為600～620 ℃，此范圍內(nèi)可以得到性能最優(yōu)的流變壓鑄試樣，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)260 MPa以上。

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(編輯 龍懷中)

Effect of slurry pouring temperature on microstructure and mechanical properties of rheo-diecasting

ZHAO Jun-wen1, DAI Guang-ze1, WU Shu-sen2, HUANG Xing-min1, HAN Jing1
(1. School of Materials Science and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. State Key Laboratory of Materials Processing and Die & Mould Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

The hypereutectic Al-Si alloy A390 slurry was prepared by ultrasonic vibration and rheo-diecasted at different temperatures, and the effect of slurry pouring temperature on the microstructure and mechanical properties of hypereutectic Al-Si alloy rheo-diecasting sample was investigated. The results show that, the primary Si in the microstructure of rheo-diecasting sample of A390 alloy is mainly composed of large Si (Si1) formed during slurry preparation process and small Si (Si3) formed in die cavity; with the slurry pouring temperature increasing from 580 to 640 ℃, the average size of Si1first decreases and then increases while that of Si3maintains in the range of 7?15 μm. It is also found that the slurry pouring temperature suitable for rheo-diecasting of hypereutectic Al-Si alloy A390 semi-solid slurry is 600?620 ℃, and in this range the tensile strength of rheo-diecasting sample is up to more than 260 MPa.

Al-Si alloy; semisolid slurry; rheo-diecasting; hypereutectic; mechanical properties

TG249.9；TG146.2；O426.9

A

國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2009BAG12A07)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目(SWJTU09ZT22, SWJTU09BR149)；2010年度聘請(qǐng)外籍教師教育部重點(diǎn)項(xiàng)目([2010]33)

2011-11-18；

2012-04-04

趙君文，講師，博士；電話：028-87600724；E-mail: swjtuzjw@swjtu.cn

1004-0609(2012)10-2777-06