AlSi7Mg非枝晶合金半固态重熔加热时的组织演变

北京科技大学(北京100083)　　毛卫民　钟雪友　李立强

3

　　【提要】研究表明:电磁搅拌的AlSi7Mg非枝晶合金在半固态温区保温时,共晶体首先重熔,

团块状α相逐渐演变成球状;保温温度越高,半固态重熔和α相演变过程越快;保温温度过高或保温时间过长时,试样在部分重熔过程中易发生变形。

关键词:半固态金属　非枝晶合金　铝硅合金　半固态重熔　组织演变

MicrostructuralEvolutionofAlSi7MgNon2dendriticAlloysDuringSemi2solidRemeltingMaoWeimin,ZhongXueyou,LiLiqiang(UniversityofScienceandTechnologyBeijing)

Abstract

　　ThemicrostructuralevolutionofAlSi7Mgnon2dendriticalloysduringsemi2solidremeltinghasbeenstudiedinthispaper.Theresultsshowedthat,whenheldatsemi2solidstate,theeutecticinAlSi7Mgal2loystirredbyanelectronmagneticfieldisremeltedfirstandαphasesgraduallyevolveintospheroidalshape.Thehighertheholdingtemperature,thefasterthesemi2solidremeltingofsamplesandtheαphaseevolu2tionprocess.Whentheholdingtemperatureismuchhigherortheholdingtimeismuchlonger,thesam2plesatpartialremeltingaresusceptibletodeformation.　　自从70年代初发明了金属的非枝晶半固态成形

1〕技术〔以来,铝合金的非枝晶半固态成形技术已取

金非枝晶半固态触变成形的应用。

得了重大突破,并已成功地应用于许多汽车零件的制

2～5〕造〔。在铝合金非枝晶半固态成形的商业应用中,主要的成形工艺为流变成形(Rheoforming)和触变

　　一、试验

11试验材料

试验合金AlSi7Mg(Si7%,Mg0145%,余为Al),该合金是目前半固态成形较为成熟的一种合金。

成形(Thixoforming),尤其是后一种成形工艺在目前的生产条件下占有主导地位〔2〕。在商用触变成形工艺中,通常对铝合金坯料进行电磁感应半固态重熔加热,控制坯料达到适当的固相率和组织形态。因此,电磁感应加热工艺对铝合金半固态组织及坯料的后续触变成形有着重要的影响。但由于电磁感应加热装置比较昂贵,不便于对大量的小试样进行加热研究,对大试样的加热研究则费用更贵,致使对加热制

度(温度和时间)对铝合金坯料半固态重熔组织的影响缺乏足够的认识。本文另辟蹊径,借助电阻炉研究非枝晶ASlSi7Mg合金小试样半固态重熔加热时的组织演变过程,为非枝晶AlSi7Mg合金坯料的半固态电磁感应重熔加热提供理论借鉴,推进AlSi7Mg合

　　3国家“863”基金支持项目;1998年2月17日收到初稿。

原始非枝晶AlSi7Mg合金坯料的制备:坯料尺寸为Φ70mm×130mm,铸型预热温度为410℃,合金浇注温度为740℃;在合金凝固过程中施加电磁搅拌,坯料凝固后期不激冷铸型,获得电磁搅拌的非激冷坯料(试样)。非激冷电磁搅拌凝固试样重熔前的原始组织为:初生α相(部分共晶α相也沉积在初生α相之上)为团块状,并非呈常规凝固的粗大树枝状,共晶硅分布在α相晶界上,见图1。

21半固态重熔加热工艺

加热设备为控温精度为±1℃的管式电阻炉;保温时间以被加热小试样周围炉温达到预定温度后5min时刻起算,保温时间为5～120min,保温到预定时刻时立

・10・　　《铸造》199818　　

即水淬试样。小试样保温温度为597℃±1℃、589℃±1℃和578℃±1℃,对应的理论固相率依次为30%、40%和50%。小试样尺寸为Φ10mm×10mm。

31金相观察

淬火小试样经磨、抛后用015%HF水溶液浸蚀,用光学显微镜观察试样的金相组织。

　　图2为小试样在578℃保温不同时间的组织演变结果:保温25min时,只有少部分晶界重熔,即少量共晶硅和α相熔解成液相分布在α相晶界上,大部分晶界上的共晶硅只发生粒化并长大,同时有部分α相球团化(图2a);保温60min时,α相晶界上大部分经历了粒化长大的共晶硅已熔解成液相,但仍有少量已粒化的共晶硅尚未熔解,α相则已基本球团化(图2b);保温120min时,α相晶界上的共晶硅全部转变成液相,α相也全部球团化并明显长大,得到较理想的非枝晶半固态组织(图2c)。由于二元铝硅合金的共晶温度约为577℃,半固态试样在578℃保温的过热度仅为1℃,因此使共晶硅载变为液相的驱动力很小,使试样半固态重熔速度缓慢,并推迟了α相的团球化速度。同理,当AlSi7Mg合金半固态成形时,若坯料加热温度刚刚高于578℃,则获得适宜的半固态组织所需的时间就很长,初生α相的尺寸也会生长得较粗大。

21589℃等温加热时的组织演变图1　AlSi7Mg合金试样半固态重熔前的组织

Fig.1　Themicrostructureofnon2dendriticAlSi7Mgalloy

samplebeforepartialremelting

　　二、试验结果与讨论11578℃等温加热时的组织演变(a)保温25min　　　　　　　　　　　　(b)保温60min　　　　　　　　　　　　　(c)保温120min

图2　非激冷凝固AlSi7Mg合金在578℃±1℃半固态重熔组织演变过程

Fig.2　ThemicrostructuralevolutionduringpartialremeltingofAlSi7Mgalloynon2chilledat578℃±1℃

　　图3为小试样在589℃保温不同时间的组织演变

结果。通过与图2对比可以看出,由于保温温度的提高,小试样半固态重熔组织演变速度明显加快:589℃保温10min时,α相已团球化,只有部分α相中尚裹有少量液相,其余液相均匀分布在α相之间,但液相中尚残存有个别粒状共晶硅(图3b),这一过程在保温温度为578℃时,需保温120min才能完成;保温30～60min时,α相更加圆整但尺寸缓慢增大(图3c、3d)。α相尺寸和形态的这一变化特点与其在半固态下保温有关。由于有部分液相存在,在界面曲率和界面能作用下,小的α晶粒会逐渐熔化,大的α晶粒则不断长大且变得更加圆整,结果使整个系统的固液界面积缩小,系统能量降低;但α相的晶粒生长和圆整化以Al、Si等原子的长距离扩散为条件,在

　　《铸造》199818　　

无对流情况下,原子的扩散是一个缓慢的过程,使得

α相晶粒生长速度很慢。另外,由于非枝晶半固态合金在589℃时的屈服极限很低〔2〕,当保温时间≥30min时,AlSi7Mg合金半固态试样在重力长时间作用下开始发生缓慢的变形。综上所述,在589℃保温过程中,半固态AlSi7Mg合金试样中α相晶粒尺寸的缓慢长大和圆整化及试样的屈服变形,对保证合金的半固态触变成形是至关重要的。由于商业性半固态成形金属坯料通常采用电磁感应加热而不采用传导、对流或辐射加热,其实际重熔加热时间仅约几分钟,因此,这一重熔温度非常适合AlSi7Mg合金的非枝晶半固态成形,既可保证合金有适宜的触变性,又不致引起坯料的变形和坯料组织的剧烈粗化。

31597℃等温加热时的组织演变

・11・

在597℃保温时,小试样半固态重熔和α相团球化速度更快,仅需5min即可完成这一过程,见图4。当保温时间>5min时,试样变形已很严重。如果在实际的AlSi7Mg合金半固态成形坯料的半固态重熔时采用此种工艺,会因坯料发生严重变形而直接损害半固态成形的工艺过程。

(a)保温5min　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)保温10min

(c)保温30min　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(d)保温60min

图3　非激冷凝固AlSi7Mg合金在589℃±1℃半固态重熔组织演变过程

Fig.3　ThemicrostructuralevolutionduringpatialremeltingofAlSi7Mgalloynon2chilledat589℃±1℃

(a)保温5min　　　　　　　　　　　　　　(b)保温30min

图4　非激冷凝固AlSi7Mg合金在597℃±1℃半固态重熔组织演变过程

Fig.4　ThemicrostructuralevolutionduringpartialremeltingofAlSi7Mgalloynon2chilledat597℃±1℃

　　三、结论

(1)电磁搅拌的非枝晶AlSi7Mg合金在半固态

在重熔过程中发生变形,电磁搅拌的非枝晶AlSi7Mg

合金试样适宜的半固态重熔温度约为589℃。

参　考　文　献

1　SpencerDB,MehrabianR,FlemingsMC.Metall.Trans.,1972,

3A:1925～1932

2　FlemingsMC.Metall.Trans.,1991,22A:957～9813　BrownSB,FlemingsMC.Adv.Mater.Process,1993,143:36

～40

4　YoungKP,FitzeR.ProceedingofThe3rdInt.ConfofSemi2Solid

ProcessingofAlloysandCompositions,UniversityofTokyo,Japan,1994.6.13～15:155～1775　BrookGB.Mater,InEngineering,1982,3:558～565

两相区保温,共晶体首先重熔,初生α相逐渐团球

化,该过程随保温温度的升高而加快。

(2)如果保温温度过高或保温时间过长,电磁搅拌的非枝晶AlSi7Mg合金试样在重熔加热过程中会发生较严重的变形。

(3)为了缩短试样的半固态重熔时间并防止试样

・12・

(编辑:朱文高)

　　《铸造》199818