71Q25.A356铝合金流变成形组织性能研究-北科崔建利

2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳389A356铝合金流变成形组织性能研究崔建利，康永林，徐越（北京科技大学材料科学与工程学院100083）摘要：半固态加工技术被称为是21世纪最有前途的加工工艺。本文以A356铝合金为原料，在自行研制的新型半固态浆料制备与直接流变成形设备上研究了A356铝合金半固态流变成形组织性能随剪切速率，温度等工艺参数的变化规律。关键词：半固态；A356；流变成形；显微组织；力学性能StudyonMicrostructuresandPropertiesofSemi-solidA356AlloyProducedbyrheo-forming（Universityofscienceandtechnology,SchoolofMaterialsscienceandEngineering,Beijing,100083）Abstract:Semi-solidprocessingisthe21stcenturyadvancingfrontmetalprocessingtechnology.Inthispaper,takingaluminumalloyA356astrialmaterial,andusingthenewlyself-developedmachineforpreparingsemi-solidslurryanddirectfluidizedformingastrialequipments,westudythechangingprincipleofsemi-solidmicrostructureandmechanicalpropertiesbychangingthetemperatureandshearingrate.Keywords:Semi-solid;A356;rheo-forming;Microstructure;Mechanicalproperties1前言为保护环境，节约能源，汽车发展的趋势是轻量化因此汽车的用铝量不断提高，但汽车对铝合金零件（尤其是受力零件）的要求严格，世界各国都在不断研究探索铝合金汽车零件毛坯的制造新技术、新工艺，铝合金半固态成形技术便是其中之一。利用半固态铝合金成形技术可以生产出高致密性（即高可靠性）的近终形化的汽车零件毛坯，因此铝合金半固态成形技术的应用，对促进国民经济的发展和环境保护都具有重大的意义。A356合金属于Al-Si系多元合金，其流动性和铸型的填充性好，具有优良的铸造性能，该合金制作的铸件可获得较高的强度和延伸率，也有较好的抗氧化和耐腐蚀能力，密度小、热膨胀系数小，并具有高抗冲击性和高压下的致密性。因此，A356铝合金目前被广泛应用于汽车、摩托车、航空航天工业以及家用电器等产品的制造中，是一种很有发展前途的铝合金。[1,2]本文采用独立开发的转筒式半固态流变成形设备，主要研究了通过机械搅拌下半固态浆料流变成形，来改善A356合金的组织和性能，并研究了半固态组织和性能随温度和剪切速率等工艺参数的变化规律。2试验材料、设备及方法2.1试验材料与试验设备表1A356铝合金的化学成分（wt%）SiFeCuMnMgZnTiCrNiSnAl6.930.170.010.010.380.010.150.050.050.01balanced2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳390本实验采用工业生产用A356铝合金，合金的化学成分如表1所示。试验设备为自行研制开发的转筒式半固态流变成形设备（图1）。2.2试验方法试验时首先将原料A356放入到预热温度为400℃的熔化炉内加热到720℃，在此温度下精炼，静置40分钟，然后将熔化炉内液态A356铝合金降温到650℃。经导流管将A356合金注入到设定了温度、剪切速率等参数的剪切机构中。通过调整不同的剪切速率和A356合金液的半固态温度可获得不同固相率的半固态浆料。（具体工艺参数如表2）表2制备半固态浆料的工艺参数标志剪切速率／s-1温度／℃固相率fs1#9606080.22#9606040.33#9605940.54#9605890.65#7205890.66#4805890.6为了清楚地反映出刚刚制备出的半固态浆料的组织形貌，将刚刚制备出的半固态浆料取一部分放入不锈钢小桶中，然后立即放入水中急冷。对获得的试样切取适当的部位进行研磨、抛光和浸蚀。用光学显微镜观察组织。A356合金的浸蚀液配方如下表3所示。表3A356合金的浸蚀液[3]HClHNO3HF蒸馏水1.5%2.5%1%95%2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳3913实验结果与讨论3.1工艺参数对A356铝合金半固态组织的影响作为对比，本文给出了普通铸态的A356合金的金相图，如图2所示。从图中可看到，普通铸态组织的枝晶很发达的，形成很长的枝晶臂。图3所示为不同的制备工艺参数下A356合金半固态组织，从图中可看到它们常规枝晶形态的组织有很大的差别。图2中的1#,2#,3#,4#是相同剪切速率960s－1，不同固相率的组织。本实验获得不同的固相率主要是通过不同的坩埚内铝合金温度来实现的，即进入设备剪切部分铝合金的温度不同。图2中1#的固相颗粒较大，平均直径达64.2μm，大小不均匀，圆整度不高。而4#的金相图与1#有较大的不同，固相颗粒明显变小，大小很均匀，平均直径达22.8μm，颗粒的圆整度很高。从1#,2#,3#,4#的金相组织，我们可发现一定的规律性，在相同的剪切速率下，随着固相率的提高，固相颗粒变得细小、均匀和圆整，固相颗粒平均直径的变化如图4所示。所以，固相率是影响半固态组织很重要的参数，适量的提高制备浆料的固相率，会获得较好的半固态组织。图2中的4#，5#，6#反映的是相同固相率，不同剪切速率下的组织。从图中可看到，随着剪切速率的降低，固相颗粒变的粗大，圆整度降低，大小不均匀。固相颗粒平均直径的变化规律见图5。剪切速率对半固态固相颗粒的影响是很大的，在一定程度上可以说是第一影响因素。图2A356普通铸态组织100μm21100μｍ2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳3923.2不同工艺条件半固态组织的力学性能A356合金为Al-Si系多元合金，由于含硅量较高，硅晶体内易产生孪晶，使硅沿孪晶方向〈211〉生成粗针状，而且硅生长速度快，不易过冷，从而降低了其力学性能，合金的塑性也很低。[4]本文采用改变加工工艺的方法，即改变普通的静态铸造为机械搅拌的动态半固态加工，来达到破碎粗大图5相同固相率不同剪切速率固相颗粒直径fs=0.6γ=960s-1图4相同剪切速率不同固相率固相颗粒直径图3不同工艺参数Ａ356合金的半固态组织3456100μｍ100μｍ2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳393枝晶的目的，破碎的枝晶最终形成球形颗粒。为了更好的说明半固态组织的力学性能，本文也做了A356合金普通铸态的力学试验。3.2.1强度和塑性拉伸试验在50KN的MTS－810材料万能试验机上进行的，试验温度为常温。拉伸试样的零件图尺寸如图6所示。测得的拉伸数据如表4所示。表4拉伸试验结果试样原始标距/mm断后长度／mmσs／MPaσb／MPaδ／％1#3032.7186.10187.669.032#3032.9489.94194.029.803#3033.0291.12199.8810.074#3033.4195.69210.9611.375#3033.1690.33203.8710.536#3032.8784.26195.549.57pz3032.1288.56178.327.03注:pz—普通铸态（以下相同）表4列出了A356铝合金不同工艺条件下的力学性能。从表中可以看出半固态试样的抗拉强度和延伸率普遍要高于普通常规铸态组织。其中半固态的4#试样的抗拉强度比普通铸造高出18.3%，图6拉伸试样尺寸图7不同固相率的A356试样抗拉强度与延伸率(剪切速率为960s-1)图8不同剪切速率的A356试样抗拉强度与延伸率(固相率为0.6)2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳394延伸率高出60.82%。但屈服强度差距不大。即半固态组织的产品并没有提高屈服强度。根据传统的塑性变形理论[5]，在冷变形条件下，金属及合金的塑性变形主要是晶内变形，晶间变形只起次要作用，但从变形机理来说，仍然是滑移和孪生。当合金发生塑性变形时，滑移首先发生于较弱的相中；如果较强相的数量少，则变形基本上是在较弱的相中进行。金属的塑性变形首先发生在较弱的相中，即细小的枝晶组织先发生塑性变形，即金属发生屈服，若半固态浆料的初生固相少，那么拉伸试样的力学性能主要由体积分数占大多数的细小枝晶相的存在情况所决定，一般来说枝晶相属于硬脆相，塑性低；当初生固相体积分数达到一定数值时，其塑性变形机理发生了改变，变形仍然首先发生在枝晶相中，但由于其含量少，不起主导作用；同时枝晶相在其长大过程中受到固相颗粒的阻碍作用明显，枝晶比较小，有利于提高金属的塑性。随后变形很快过渡到固相颗粒之间的晶间变形，即晶界滑动，相邻晶粒沿公共界面发生相互移动、相互转动以及相邻晶粒的换位等。由于半固态其特有的球形或椭球形晶粒，与传统的多边形晶粒相比，改善了晶间变形条件，晶粒的滑移和孪生更易于进行，提高了塑性，当变形量达到一定程度时，塑性变形过渡到较强相，即初生固相颗粒的变形，球形或椭球形的初生固相颗粒首先发生整体性的拉伸变形，然后是固相颗粒内部的晶内变形和晶间变形，与传统的多边形晶粒相比也有利于发生塑性变形，最后与其它晶粒相互协调变形直至试样断裂，因此半固态试样的塑性变形过程可以简化为如下模式：枝晶相的晶内变形—初生固相颗粒间的晶间变形—初生固相颗粒的整体变形—初生固相颗粒内部的晶内和晶间变形，从上面的论述可知，固相率愈高，诸多有利于塑性变形的条件越明显，金属的塑性愈高，抗拉强度愈高，但由于变形都是首先发生在枝晶相内，因而固相率的高低并不影响试样的屈服变形，即屈服点大致是相同的。3.2.2冲击韧性冲击试验反映金属的韧性好坏，由冲击吸收功Ak或冲击韧性ak来表示。冲击试样为国标试样。试验温度为室温，试验设备为JB－5型冲击试验机。试验结果如表5所示。通过测试结果可知，A356合金半固态的冲击韧性同普通铸态相比，除个别试样有一定的增加外，绝大多数变化不大，影响产品韧性的因数较多，如化学成分、晶粒大小、分布以及材料中的夹杂、气泡和偏析等。对A356合金中由于存在Si的共晶体，而半固态的制备搅拌只能削弱或减少粗大的针状组织，而不能完全消除。半固态组织中固相率越低，最终液相结晶形成的枝晶越多，造成成分偏析，而且枝晶组织在整个金属基体中属于硬脆相。所以说，随着固相率的降低，相对来说，冲击韧性有所降低。另外，在半固态的制备强烈搅拌和半固态浆料的输运过程中，如控制不够精确，难免会有气体卷入合金中，形成气泡，以及转筒和输运管上的氧化物等物质进入合金中形成夹杂物，造成冲击韧性降低。表5半固态和普通铸态A356铝合金的冲击测试值试样试样断面积／cm2冲击吸收功Ak/J冲击韧性akJ/cm21#0.83.13.8752#0.82.93.6253#0.83.03.7504#0.83.44.2505#0.82.83.5006#0.82.93.625PZ0.83.03.7504结论(1)采用不同的实验参数，主要指不同的剪切速率和试验温度，制备出不同的A356铝合金半固态浆料，研究它们的组织变化规律。试验结果表明，在相同的剪切速率下，随着固相率的增加，2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会2007年5月沈阳395固相颗粒的直径减小，颗粒的圆整度增加。在相同固相率下，随着剪切速率的增加，固相颗粒的直径变小，颗粒的圆整度增加。(2)研究了不同半固态组织的力学性能，并且同普通铸态组织相比较，半固态组织的抗拉强度与延伸率较普通铸态组织好。在相同的剪切速率下，随着固相率的增加，抗拉强度与延伸率都增加。在相同固相率下，随着剪切速