摘要:本文分析了永磁搅拌对ZL101A合金树枝晶碎(细)化和形成圆整初晶的影响,研究了化学成分、组织形貌与力学性能的关系.采用永磁搅拌结合水平半连续铸造制备出直径为Φ80 mm的半固态ZL101A连铸坯.其组织中α(Al)呈现玫瑰花状和椭球状的混合形态,(Al+Si)共晶组织呈细小点状.连铸坯由表及里的平均性能为σb=251.25 MPa,δ=16.10%,接近已发表文献中的最佳值.
关键词:永磁搅拌;非树枝晶组织;水平连铸
关键词:永磁搅拌;非树枝晶组织;水平连铸
由于半固态成型技术与传统的固态成型(如:锻造)和液态成型(如:铸造)相比,具有显著的优点,因此,被专家们称为21世纪新一代的金属成型技术［1］.目前,国内外在此领域研究的热点主要是:非树枝晶合金的制备技术、半固态金属的流变学基础理论、半固态金属的成型工艺、设备和工业应用等方面.少数发达国家已开始在汽车、军事、航天等领域运用这一新兴技术［2］.
国内在此领域的研究主要围绕着半固态合金流变学、半固态合金微观组织等开展［3］.由于受到多种因素的制约,对于半固态成型技术的基础——非树枝晶原材料制备的研究仍停留在实验室阶段,而且大多采用机械搅拌等便于在实验室实现而很难应用于工业生产的制备手段［4］;同时,对具有非树枝晶组织的合金的机械性能研究较少,其指标未见报道.没有成熟的原材料的制备技术已成为半固态成型技术在我国发展比较缓慢的主要原因［5］.
本文用适于大规模工业生产永磁搅拌结合水平连铸方法,制备ZL101A非树枝晶合金铸坯,研究合金成分、显微组织与力学性能关系.
国内在此领域的研究主要围绕着半固态合金流变学、半固态合金微观组织等开展［3］.由于受到多种因素的制约,对于半固态成型技术的基础——非树枝晶原材料制备的研究仍停留在实验室阶段,而且大多采用机械搅拌等便于在实验室实现而很难应用于工业生产的制备手段［4］;同时,对具有非树枝晶组织的合金的机械性能研究较少,其指标未见报道.没有成熟的原材料的制备技术已成为半固态成型技术在我国发展比较缓慢的主要原因［5］.
本文用适于大规模工业生产永磁搅拌结合水平连铸方法,制备ZL101A非树枝晶合金铸坯,研究合金成分、显微组织与力学性能关系.
1 实验方案
1.1 永磁行波磁场
1.1 永磁行波磁场
利用永磁行波磁场对液态金属感应产生一个振荡磁场B和电流密度场J,由此产生一个洛伦兹(Lorentz)力场F=J×B.因其相位关系,所产生的不是一个纯振荡,而是一个使金属液体产生旋转的力场.合金组织在磁场作用下凝固时,由于强烈的搅拌作用,使晶体在各个方向上的长大速度快而均匀,从而形成椭球状的非树枝晶组织.
本实验采用自制的永磁行波装置,该装置为垂直式,即感应线圈垂直于铸型的轴线方向.能在结晶器内产生大于25×10-2 T的磁场.
1.2 非树枝晶铝合金的制备
选用工业上广泛应用的ZL101A(Al-Si7.0-Mg0.3)合金为研究对象,在自行设计制作的磁场+水平半连续连铸平台上制备非树枝晶铸坯.其工艺过程为:熔炼(包括常规除气处理、打渣精炼处理及细化处理)—安装永磁搅拌装置和结晶器并调整引锭头位置—开浇—喷水冷却—拉坯—启动永磁行波磁场,继续拉坯—关闭永磁行波磁场,停浇.连铸坯直径为Φ80 mm,长约4000 mm.
1.3 化学成分、组织形貌和力学性能分析
在喇曼光谱仪上分析铸锭不同部分的化学成分;从连铸坯不同截面上取样,经仔细打磨、抛光及腐蚀处理,在光学显微镜上分析组织形貌和针孔度;沿径向由表及里取样,线切割加工成小试样,经打磨后,在MTS-810万能力学性能测试系统上测量其抗拉强度及延伸率.为了便于比对分析,取美国Alumax公司生产的半固态A356合金为对比试样,采用同样的分析方法分析其化学成分和力学性能,使实验结果具有可比性.
本实验采用自制的永磁行波装置,该装置为垂直式,即感应线圈垂直于铸型的轴线方向.能在结晶器内产生大于25×10-2 T的磁场.
1.2 非树枝晶铝合金的制备
选用工业上广泛应用的ZL101A(Al-Si7.0-Mg0.3)合金为研究对象,在自行设计制作的磁场+水平半连续连铸平台上制备非树枝晶铸坯.其工艺过程为:熔炼(包括常规除气处理、打渣精炼处理及细化处理)—安装永磁搅拌装置和结晶器并调整引锭头位置—开浇—喷水冷却—拉坯—启动永磁行波磁场,继续拉坯—关闭永磁行波磁场,停浇.连铸坯直径为Φ80 mm,长约4000 mm.
1.3 化学成分、组织形貌和力学性能分析
在喇曼光谱仪上分析铸锭不同部分的化学成分;从连铸坯不同截面上取样,经仔细打磨、抛光及腐蚀处理,在光学显微镜上分析组织形貌和针孔度;沿径向由表及里取样,线切割加工成小试样,经打磨后,在MTS-810万能力学性能测试系统上测量其抗拉强度及延伸率.为了便于比对分析,取美国Alumax公司生产的半固态A356合金为对比试样,采用同样的分析方法分析其化学成分和力学性能,使实验结果具有可比性.
2 实验结果与讨论
2.1 化学成分分析
实验用的ZL101A购自铝材市场,其化学成分与国标GB1173相比,Fe元素含量超标,细化晶粒元素Ti偏低,见表1.因所购合金采用Sr变质处理,故含有少量Sr元素,杂质总量在国标允许范围之内,心部和边缘部分的成分基本一致.经对比可见:美国A356合金中Mg含量较高,Fe含量很低,杂质少、合金纯度较高.
2.1 化学成分分析
实验用的ZL101A购自铝材市场,其化学成分与国标GB1173相比,Fe元素含量超标,细化晶粒元素Ti偏低,见表1.因所购合金采用Sr变质处理,故含有少量Sr元素,杂质总量在国标允许范围之内,心部和边缘部分的成分基本一致.经对比可见:美国A356合金中Mg含量较高,Fe含量很低,杂质少、合金纯度较高.
表1 ZL101A与A356化学成分对比
Tab.1 Compare chemical composition of ZL101A with A356
|
样 品
|
Al
|
Si
|
Mg
|
Fe
|
Cu
|
Sr
|
Ti
|
Zn
|
Mn
|
杂质
总和 |
|
ZL101A
(GB1173) |
余量
|
6.5～7.5
|
0.25～0.45
|
<0.2
|
0.1
|
—
|
0.08～0.2
|
0.1
|
0.1
|
0.6
|
|
A356
(Alumax) |
93.32
|
5.99
|
0.658
|
<0.145
|
<0.085
|
—
|
<0.2
|
—
|
<0.033
|
—
|
|
ZL101A
(铸锭中心) |
余量
|
7.01
|
0.48
|
0.23
|
0.080
|
0.022
|
0.070
|
0.056
|
0.013
|
—
|
|
ZL101A
(铸锭边缘) |
余量
|
6.82
|
0.45
|
0.22
|
0.075
|
0.021
|
0.067
|
0.056
|
0.013
|
—
|
2.2 组织形貌分析
图1为ZL101A在无EMS作用、拉速为6.3 mm/s条件下连铸得到的Φ80 mm铸坯边缘和中心部分的金相组织.图中白色部分是α(Al),呈典型的树枝状;黑色部分是(Al+Si)共晶组织,呈细小的点状.在同样的连铸条件下,开启EMS装置,使铝合金在强烈的搅拌作用下凝固,在拉速为9.0 cm/min得到的合金组织如图2.其组织仍由α(Al)和(Al+Si)共晶组织组成,但其形貌发生了显著变化.在边缘部分仍有少量树枝晶组织存在,而中心部分的白色α(Al)呈现出玫瑰花形和椭球形的混合形态,树枝晶已基本打碎,部分区域出现比较粗大的等轴晶组织.金相组织的变化规律与电磁搅拌作用下模铸的情况基本一致［6］.
图1为ZL101A在无EMS作用、拉速为6.3 mm/s条件下连铸得到的Φ80 mm铸坯边缘和中心部分的金相组织.图中白色部分是α(Al),呈典型的树枝状;黑色部分是(Al+Si)共晶组织,呈细小的点状.在同样的连铸条件下,开启EMS装置,使铝合金在强烈的搅拌作用下凝固,在拉速为9.0 cm/min得到的合金组织如图2.其组织仍由α(Al)和(Al+Si)共晶组织组成,但其形貌发生了显著变化.在边缘部分仍有少量树枝晶组织存在,而中心部分的白色α(Al)呈现出玫瑰花形和椭球形的混合形态,树枝晶已基本打碎,部分区域出现比较粗大的等轴晶组织.金相组织的变化规律与电磁搅拌作用下模铸的情况基本一致［6］.
永磁搅拌作用下凝固的铝合金组织有两种变化:(1) 树枝晶碎(细)化;(2) 一次固体晶体变得圆整.树枝晶碎(细)化的机理主要是:在永磁搅拌作用下,由于液态金属的流动,相当于在枝晶臂上施加了一个剪切力,从而使枝晶臂断裂,并加速了枝晶根部的重熔;液体的流动作用同时改变或加速了溶质的扩散,使枝晶根部出现颈缩而造成枝晶断裂,并把熔断的枝晶带离“母晶粒”,生长成新的晶粒;同时,热对流时温度的反复变化,也加速了枝晶颈缩而断裂;多因素的共同作用造成了树枝晶碎(细)化.一次固体晶体变圆整的主要原因在于:一次固态晶体之间以及它们与液体之间发生碰撞、摩擦和冲刷作用,使固相颗粒在各个方向上温度均匀,没有热流的方向性;此外,在固-液界面处也没有溶质富集现象,从而消除了“成分过冷”,使得晶体在各个方向上的长大速度快而均匀,最终形成圆整的颗粒状组织.
不同拉速条件连铸得到的合金,其组织形貌的区别在于等轴晶组分的变化.现有的大量实验表明:在目前的实验条件下,要在ZL101A合金中得到圆整、细小的完全等轴晶组织相当困难,必须进一步优化工艺参数,改进对合金凝固过程的控制,并辅之以适当的后续热处理,如半固态保温处理等来改善合金组织.工艺参数与等轴晶组分的定量关系需进一步试验研究.
2.3 力学性能分析
从连铸坯上由表及里取样,在MTS-810万能试验系统上分析铝合金力学性能,其结果列于表2.
由表2可见,连铸坯由表及里的性能比较均匀,心部的性能稍好于表面,只是延伸率的区别略为明显.对比其金相组织说明:树枝晶组织越少,等轴晶组织越多,则合金的延伸率越好,并且能够保持良好的抗拉强度.此合金铸态的力学性能,已超过了国家标准中规定的ZL101A经T4、T5(固溶+时效)热处理后的性能要求,也优于文献报道的国外同类材料的性能水平［6,7］,见表3.接近目前世界最高水平美国Alumax公司生产的半固态A356合金的性能指标:σb=252.0 MPa,δ=20.0%.性能差距集中反映在延伸率上,根本原因在于合金组织形貌的差异.Alumax公司生产的半固态A356合金,其非树枝状组织更细小,颗粒更圆整［6］.
不同拉速条件连铸得到的合金,其组织形貌的区别在于等轴晶组分的变化.现有的大量实验表明:在目前的实验条件下,要在ZL101A合金中得到圆整、细小的完全等轴晶组织相当困难,必须进一步优化工艺参数,改进对合金凝固过程的控制,并辅之以适当的后续热处理,如半固态保温处理等来改善合金组织.工艺参数与等轴晶组分的定量关系需进一步试验研究.
2.3 力学性能分析
从连铸坯上由表及里取样,在MTS-810万能试验系统上分析铝合金力学性能,其结果列于表2.
由表2可见,连铸坯由表及里的性能比较均匀,心部的性能稍好于表面,只是延伸率的区别略为明显.对比其金相组织说明:树枝晶组织越少,等轴晶组织越多,则合金的延伸率越好,并且能够保持良好的抗拉强度.此合金铸态的力学性能,已超过了国家标准中规定的ZL101A经T4、T5(固溶+时效)热处理后的性能要求,也优于文献报道的国外同类材料的性能水平［6,7］,见表3.接近目前世界最高水平美国Alumax公司生产的半固态A356合金的性能指标:σb=252.0 MPa,δ=20.0%.性能差距集中反映在延伸率上,根本原因在于合金组织形貌的差异.Alumax公司生产的半固态A356合金,其非树枝状组织更细小,颗粒更圆整［6］.
表2 具有非树枝晶组织的ZL101A合金铸态力学性能
Tab.2 The mechanical property of ZL101A ingot with nondendritic structure
Tab.2 The mechanical property of ZL101A ingot with nondendritic structure
|
样 品
|
截面尺寸
(mm×mm) |
L0
(mm) |
L
(mm) |
Pb
(kN) |
σb
(MPa) |
δ
(%) |
|
表面1#
|
1.84×3.60
|
9.98
|
11.59
|
1.67
|
252.11
|
16.13
|
|
表面2#
|
1.88×3.54
|
10.05
|
11.56
|
1.66
|
249.43
|
15.02
|
|
表面平均
|
—
|
—
|
—
|
—
|
250.77
|
15.58
|
|
心部1#
|
1.88×3.54
|
9.95
|
11.59
|
1.68
|
252.43
|
16.48
|
|
心部2#
|
1.88×3.56
|
10.15
|
11.85
|
1.68
|
251.02
|
16.75
|
|
心部平均
|
—
|
—
|
—
|
—
|
251.73
|
16.62
|
|
总平均值
|
—
|
—
|
—
|
—
|
251.25
|
16.10
|
表3 不同铸造铝合金力学性能的比较
Tab.3 Compare mechanical property on different cast aluminum
|
合 金
|
铸造方式
|
合金状态
|
σb(MPa)
|
δ(%)
|
|
ZL101*
|
S,R,J
|
F(铸态)
|
153
|
2
|
|
ZL101A*
|
J,JB
|
T4
|
222
|
5
|
|
|
RB,KR
|
T5
|
231
|
4
|
|
A356［1］
|
SSM
|
F(铸态)
|
220
|
14
|
|
|
PM
|
T6
|
262
|
5
|
|
A356［2］
|
SSM
|
F(铸态)
|
221
|
9～11
|
注: 表中*摘自GB1173;SSM为半固态成形件;PM为永久型成形件
永磁搅拌与水平连铸相结合制备半固态ZL101A合金具有明显的优点.连铸使得合金针孔度等级提高,缩松减少,组织更致密;永磁搅拌工艺使得合金的化学成分更加均匀,各类偏析减少,枝晶碎化并形成圆整的等轴晶组织.两者共同作用,使ZL101A合金的力学性能得到较大改善,尤其是延伸率成倍提高.更让人们关注的是:具有非树枝晶组织的合金的流变性能非常优异,可用于先进的半固态成型.非树枝晶铝合金连铸坯的制备成功,为半固态成型技术在我国的发展打下了良好的基础.
3 结论
(1) 本文在自制的带有永磁搅拌装置的半连续水平连铸平台上,采用此工艺制备的非树枝晶ZL101A合金具有良好的力学性能.合金连铸坯由表及里的总平均性能为:σb=251.25 MPa,δ=16.10%,接近已发表文献报道的最佳值.
(2) 用现行的工艺,要得到完全的椭球形非树枝晶组织前景是乐观的,在提高磁场行波的赫兹数的基础上进一步优化工艺参数,并辅以适当的后续热处理.
(3) 合金延伸率的提高有赖于合金中树枝晶组织的减少和非树枝晶组织更加细小、圆整.
(1) 本文在自制的带有永磁搅拌装置的半连续水平连铸平台上,采用此工艺制备的非树枝晶ZL101A合金具有良好的力学性能.合金连铸坯由表及里的总平均性能为:σb=251.25 MPa,δ=16.10%,接近已发表文献报道的最佳值.
(2) 用现行的工艺,要得到完全的椭球形非树枝晶组织前景是乐观的,在提高磁场行波的赫兹数的基础上进一步优化工艺参数,并辅以适当的后续热处理.
(3) 合金延伸率的提高有赖于合金中树枝晶组织的减少和非树枝晶组织更加细小、圆整.
作者简介：朱明原（1965～），男，浙江永康人，副研究员，博士生，主要从事金属材料和稀土功能材料的研究。
作者单位：上海大学 材料科学与工程学院, 上海 200072
作者单位：上海大学 材料科学与工程学院, 上海 200072
