影響Al-25S1合金半固態(tài)組織的因素
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作者：張毅
高硅鋁合金因其具有高彈性模量、良好的導(dǎo)熱性、低的熱膨脹系數(shù)、較小的密度和高耐磨性等優(yōu)點，在航天、航空、汽車及電子封裝等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景 。但傳統(tǒng)鑄造工藝中的初生Si為粗大板條狀、星狀等不規(guī)則多邊形，對合金基體具有明顯的割裂傾向，破壞基體的連續(xù)性，進而降低合金的強度、韌性等，使其立用受到限制。為使高硅鋁合金在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用，先后研究了傾斜板：陽、噴射沉積、超聲振動、電磁攪拌、P變質(zhì)等方法，顯著細化了初生Si顆粒，為高硅鋁合金的廣泛應(yīng)用提供了良好的試驗基礎(chǔ)。
轉(zhuǎn)棒誘導(dǎo)形核法是將合金熔體直接澆注到豎直放置并繞軸旋轉(zhuǎn)的金屬圓柱棒表面，利用熔體與棒之間的粘滯力形成切向運動，以及與熔體下行運動耦合，使合金熔體繞轉(zhuǎn)棒表面鋪展并螺旋向下流動，促使熔體在短時間內(nèi)獲得較大過冷度，極大提高形核率，獲得初生相細小均勻的半固態(tài)組織。本課題以Al-25 Si合金為研究對象，在前期研究的基礎(chǔ)上，重點研究了澆注溫度對轉(zhuǎn)棒誘導(dǎo)形核法制備Al-25 Si合金半固態(tài)組織的影響，并探討了其細化機理。
1 試驗材料與方法
試驗采用純度為99%（質(zhì)量分數(shù)，下同）的工業(yè)純Al和99%的金屬Si配置Al-25Si合金。熔煉過程在坩堝電阻爐(SG2-5-12)中進行，先把純鋁放入石墨坩堝中，再將坩堝放人電阻爐中加熱熔煉，溫度達到740℃后保溫一段時間，然后將用鋁箔包裹好的Si加入到完全熔化的鋁液當中，繼續(xù)加熱到910℃保溫，最后用C2 Cl6進行精煉除氣，保溫0.5 h后澆注。用同步熱分析儀進行差熱分析測得合金凝固溫度區(qū)間為564—775℃。
轉(zhuǎn)棒誘導(dǎo)形核法制漿裝置結(jié)構(gòu)見圖1。先將通冷卻水的轉(zhuǎn)棒的轉(zhuǎn)速調(diào)到600 r／min，再將合金熔體冷卻到一定溫度，通過澆杯以0.5 kg/s的流速澆注到不銹鋼轉(zhuǎn)棒上，熔體經(jīng)轉(zhuǎn)棒處理后流入銅坩堝內(nèi)，獲得合金半固態(tài)漿料。
金相試樣(20 mm×20 mmX 20 mm)從制取的半固態(tài)坯料中心截取，經(jīng)過磨制后采用體積分數(shù)為0. 5%的HF溶液腐蝕。采用Leica金相顯微鏡獲取顯微組織。借助Image-pro plus (IPP)圖像處理軟件量取初生Si的截面面積A和周長P，采用D=2（A/）1/2和S=4A/P2計算初生Si的等效直徑D和形狀因子S。
2 試驗結(jié)果與討論
2.1 轉(zhuǎn)棒誘導(dǎo)對合金組織的影響
圖2為Al-25Si合金普通鑄造顯微組織和采用轉(zhuǎn)棒誘導(dǎo)形核法（785oC澆注）處理后的半固態(tài)顯微組織。兩種顯微組織都由初生Si、基體α-Al和共晶組織(E)組成。經(jīng)轉(zhuǎn)棒誘導(dǎo)形核法處理后：初生Si(尺寸為200～250 μm)形狀由粗大針狀、板條狀、星狀等復(fù)雜形狀轉(zhuǎn)變?yōu)榈刃е睆郊s為27μm的顆粒狀；在基體中的存在形式由團聚分布變?yōu)閺浬⒎植�；普通鑄造過程中由于擴散作用而在初生Si周圍產(chǎn)生的貧Si區(qū)也消失。
可見，轉(zhuǎn)棒誘導(dǎo)形核法對Al-25Si合金中的初生Si相具有顯著的細化效果，同時也能有效改善組織的均勻性。轉(zhuǎn)動的不銹鋼轉(zhuǎn)棒內(nèi)通有冷卻水，當金屬熔體接觸到轉(zhuǎn)棒時，由于存在較大溫差使金屬液獲得較大的過冷度．促使初生Si大量形核。在熔體繞轉(zhuǎn)棒鋪展過程中，大量的初生Si晶核游離到熔體內(nèi)部，作為新的基底進行形核或長大，進而使組織細化。
2.2澆注溫度對合金半固態(tài)組織的影響
轉(zhuǎn)棒誘導(dǎo)形核法能夠顯著細化初生Si和改善其在基體中的分布情況，并且隨著澆注溫度的變化，其細化程度和分布情況也會發(fā)生明顯的變化。圖3為不同澆注溫度下得到的半固態(tài)漿料組織，圖4為初生Si等效直徑和形狀因子隨澆注溫度變化的關(guān)系。通過圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，隨著澆注溫度的升高，初生Si顆粒明顯變得粗大，等效直徑由785 oC時的27 μm（見圖3a）逐步增加至800℃和830oC時的40 Pm（見圖3b）和47 Pm（見圖3c），但在800℃和830oC時初生Si顆粒的等效直徑相差不大，都約是澆注溫度為785℃時的1.5倍。另外，隨著澆注溫度的升高，初生Si的團聚現(xiàn)象也越發(fā)明顯，尤其是在830oC時，還出現(xiàn)了普通鑄造條件下才出現(xiàn)的粗大針狀初生Si組織。
由圖4可以發(fā)現(xiàn)，隨著澆注溫度的逐漸升高，初生Si顆粒的等效直徑呈逐漸增大的趨勢，但其形狀因子則出現(xiàn)了先降低后升高的變化趨勢。這可能是隨著澆注溫度的提高，轉(zhuǎn)棒對合金熔體的激冷效果減弱，在轉(zhuǎn)棒表面形成的初生Si晶核數(shù)量減少。當晶核從轉(zhuǎn)棒表面游離到合金熔體內(nèi)部時，合金熔體還處于較高的溫度，在晶核周圍的Si原子就有充分的時間向晶核擴散，使晶核長大并發(fā)生團聚，初生Si顆粒的形狀反而更加趨向于不規(guī)則的多邊形，形狀因子會相應(yīng)提高。所以，圖3c中初生Si的團聚程度比圖3b中高的多，形狀因子也相應(yīng)較高。
由此可見，澆注溫度對晶粒的細化起著至關(guān)重要的作用。過高的澆注溫度會使轉(zhuǎn)棒的激冷作用減弱，初生Si形核數(shù)量降低，半固態(tài)漿料組織中的固相率下降，對初生Si的細化效果就會減弱，而且澆注溫度太高還會出現(xiàn)普通鑄造中才會出現(xiàn)的粗大針狀組織，團聚現(xiàn)象也
比較嚴重。因此，采用轉(zhuǎn)棒誘導(dǎo)形核法對高硅鋁合金進行處理時，澆注溫度比合金液相線高10℃左右最佳。
3 機理分析
在轉(zhuǎn)棒以一定的速度轉(zhuǎn)動時，熔體在轉(zhuǎn)棒表面受到的離心力及具有的線速度恒定不變。當恒定溫度的熔體澆注到轉(zhuǎn)棒表面時，在熔體內(nèi)部的粘度及熔體與轉(zhuǎn)棒之間的表面張力共同作用下，熔體將隨著轉(zhuǎn)棒轉(zhuǎn)動并在轉(zhuǎn)棒表面鋪展成具有一定面積的薄膜。同時轉(zhuǎn)棒表面也對熔體的流動產(chǎn)生一定的約束作用，使熔體內(nèi)外層的流動速度存在一個差值。隨著澆注溫度的提高，熔體的粘度及熔體與轉(zhuǎn)棒之間的表面張力逐漸降低，轉(zhuǎn)棒表面對熔體產(chǎn)生的約束作用減小。綜合因素下，熔體的運動方向及內(nèi)外層速度差都將不斷發(fā)生變化，致使熔體在轉(zhuǎn)棒表面鋪展的厚度和面積也隨之變化，轉(zhuǎn)棒對合金熔體產(chǎn)生的誘導(dǎo)形核效果也發(fā)生相應(yīng)的變化。
圖5為合金熔體在轉(zhuǎn)棒表面鋪展示意圖及轉(zhuǎn)速一定(600 r／min)時不同澆注溫度下的視頻截圖。由圖5a可以看出，在熔體澆注到轉(zhuǎn)棒上時，在重力及熔體與轉(zhuǎn)棒表面張力的約束下，豎直方向上內(nèi)層流體的速度vGi比外層流體的速度VGo慢，產(chǎn)生一個豎直方向上的流速差VG在徑向方向上，由于表面張力的約束，內(nèi)層流速VTi比外層流速VTo快，在徑向方向上也產(chǎn)生一個流速差VT。當澆注溫度為785℃（液相線附近）時，熔體內(nèi)部的粘度及熔體與轉(zhuǎn)棒之間的表面張力都比較大，熔體徑向內(nèi)層切速度VTi遠比外層切速速VT�？�，徑向速度差VT較大，角度Aα也隨之較大，而豎直方向上速度差VG較小。在VT和VG的綜合作用下，內(nèi)層流體剛離并接觸轉(zhuǎn)棒時的位置，次內(nèi)層流體就接觸該位置，次內(nèi)層流體變?yōu)閮?nèi)層，以此循環(huán)，合金熔體很容易在轉(zhuǎn)棒表面鋪展成厚度很薄的熔體薄膜，此時鋪展面積最大。
根據(jù)對流傳熱牛頓冷卻公式和單層圓筒壁傳熱公式有：
式中，Q為傳熱量，W;h為物質(zhì)的對流傳熱系數(shù)，W (m2．K)；tw為熱源溫度，K;tf為環(huán)境溫度，K; t1為兩種物質(zhì)溫差，K;F為傳熱面積，m2；𝜆為導(dǎo)熱系數(shù)， W/(m2．K)；r1為單層圓筒內(nèi)徑，m;r2為單層圓筒外徑．m；L為單層圓筒高度，m;t1為單層圓筒內(nèi)壁溫度，K：t2為單層圓筒外壁溫度，K；F1為單層圓筒內(nèi)壁面積．m2;F為單層圓筒外壁面積，K; t2為單層圓筒內(nèi)外壁溫度差，K; r為圓筒壁厚，m。
可知，鋪展面積F越大，傳熱量Q越大，此時熔體獲得的過冷度就越大而且均勻，再由形核功公式和形核率公式可知，大的過冷度可以有效降低形核功，增加熔體內(nèi)形核率，在熔體內(nèi)獲得大量細小彌散分布的初生Si顆粒（見圖3a）。當澆注溫度為800oC（見圖5c）時，熔體內(nèi)部粘度較785oC時低，熔體與轉(zhuǎn)棒之間的表面張力也有所降低，徑向流速差VT減小，切速度與豎直方向的偏離角α也隨著減小，而豎直方向上的流速差VG則增大，此時熔體在轉(zhuǎn)棒表面的鋪展效果較差，呈半鋪展狀態(tài)。熔體鋪展的厚度相對增加，面積減小，熔體獲得的過冷度也降低，形核率降低。又由于澆注溫度較高，初生Si顆粒容易長大擴散，個別區(qū)域出現(xiàn)了初生Si團聚現(xiàn)象（見圖3b）。當澆注溫度為830℃（見圖5d）時，熔體的粘度快速降低，偏離角α再次減小，徑向流速差VT也隨之減小，豎直方向流速差VG則再次增大．熔體流動性良好，轉(zhuǎn)棒轉(zhuǎn)動對熔體的粘帶作用很小，基本沒有在轉(zhuǎn)棒表面鋪展，熔體主要依靠重力作用而順善轉(zhuǎn)棒表面流下。此時熔體厚度增加，接觸面積再次減小、獲得的過冷度大幅降低，甚至部分高溫熔液直接流入坩堝內(nèi)，形成鑄態(tài)組織。由于澆注溫度過高，有利于初生Si顆粒的長大與擴散，導(dǎo)致初生Si顆粒尺寸較大且大量團聚（見圖3c）。
4 結(jié) 論
(1)采用轉(zhuǎn)棒誘導(dǎo)形核法對Al-25S1合金熔體處理，隨著澆注溫度的升高，熔體在轉(zhuǎn)棒表面的鋪展情況發(fā)生很大的變化且初生Si相粗化并出現(xiàn)大量團聚。
(2)轉(zhuǎn)棒誘導(dǎo)形核法能夠使Al-25Si合金中初生Si顯著細化且彌散分布在基體中，當澆注溫度為785oC、轉(zhuǎn)速為600 r／min時，細化效果最好，初生Si顆粒的等效直徑約為27 μm，形狀因子為0.8。
5摘要
采用轉(zhuǎn)棒誘導(dǎo)形核法制備A1 25Si半固態(tài)漿料，研究了澆注溫度對合金半固態(tài)漿料組織的影響，結(jié)合熔體運動狀態(tài)探討了其組織細化機理。結(jié)果表明．當澆注溫度約為785oc時，熔體在轉(zhuǎn)棒表面鋪展成面積最大、厚度最小的熔體薄膜，可以獲得尺寸細小、均勻分布于基體中的初生Si顆粒，初生Si顆粒的等效直徑約為27μ/m，形狀因子為0.8。
