自孕育法制備ZA27合金半固態(tài)漿料水淬組織
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
邱謹(jǐn)1李元東1，2李明1張繼淵1鄭宏強(qiáng)1
（1．蘭州理工大學(xué)省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；
2．蘭州理工大學(xué)有色金屬合金省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）
摘要采用自孕育法制備了ZA27合金半固態(tài)漿料，研究了不同熔體處理溫度、等溫保溫溫度和等溫保溫時(shí)間對ZA27合金半固態(tài)漿料水淬組織的影響。結(jié)果表明，自孕育法制備半固態(tài)漿料，其形核包括兩個(gè)階段-能夠有效細(xì)化ZA27合金的晶粒，獲得細(xì)小的薔薇狀等軸晶。在等溫保溫球化過程中，隨等溫保溫時(shí)間的延長，平均晶粒尺寸不斷增加，形狀因子先減小后增大。適合ZA27合金半固態(tài)漿料的等溫保溫溫度為470℃，等溫保溫時(shí)問為3min，平均晶粒尺寸為60.02 μm。
關(guān)鍵詞自孕育法；水淬組織；形棱，等溫保溫
中圍分類號TG146.13: TG249 2 6DOI:10. 15980/j .tzzz. 2016. 03. 008
Zn-AI臺金不僅具有優(yōu)良的鑄造性能、較高的強(qiáng)度，而且其制備原材料廉價(jià)豐富，熔鑄工藝簡單，擁有廣泛的用途。在Zn-Al系列臺金中，ZA27合金的力學(xué)性能較優(yōu)，室溫強(qiáng)度可達(dá)400 M Pa以上。然而，ZA27合金的結(jié)晶溫度范圍寬(108℃)，在鑄造過程中容易形成縮松，縮孔，鑄件致密性差，廢品率較高。
20世紀(jì)80年代，半固態(tài)成形技術(shù)由于具有充型平穩(wěn)、尺寸精度高、鑄件內(nèi)部缺陷少等特點(diǎn)，使得鑄件力學(xué)性能、模具壽命提高，可以有效地減少材料在鑄造過程中的縮松、縮孔等缺陷，因此在工業(yè)領(lǐng)域被大量應(yīng)用。隨后，國內(nèi)外學(xué)者相繼開發(fā)出了許多新型半固態(tài)制漿技術(shù)如傾斜板法、CRP技術(shù)、LSPSF法、NRC等。
本課胚運(yùn)用自孕育法制備ZA27合金半固態(tài)漿料，即在低溫近液相線澆注、懸浮鑄造、傾斜板冷卻的基礎(chǔ)上將兩種成分相同，質(zhì)量和溫度不同的臺金固態(tài)液態(tài)、半固態(tài)一液態(tài)、半固態(tài)半固態(tài)混合再通過導(dǎo)流器，利用兩種金屬在不同狀態(tài)下（如溫度表面，張力）的性質(zhì)不同，使合金在熔體中迅速形成大量細(xì)小晶粒。然后再通過后續(xù)的等溫保溫處理，制備出性能良好的半固態(tài)漿料。影響自孕育半固態(tài)漿料制備的主要工藝參數(shù)有孕育劑的加入量和尺寸、孕育處理溫度、導(dǎo)流器的參數(shù)、等溫保溫溫度和等溫保溫時(shí)間等。這里主要研究熔體處理溫度對晶粒的細(xì)化效果和等溫保溫溫度、等溫保溫時(shí)間對ZA27合金半固態(tài)漿料制備的影響。
1試驗(yàn)過程
以工業(yè)純Zn（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同，99. 99%）、純Al(99.95%)、純Mg(99. 99%)、Al-50Cu中間合金為原料，在SG-7. 5-10型坩堝電阻爐中進(jìn)行合金熔煉，其化學(xué)成分見表1。
試驗(yàn)前，將石墨坩堝、鐘罩和扒渣勺加熱到200℃然后涂刷ZnO涂料。熔化過程：首先將純Al和鋁銅合金加熱熔化，然后加入純Zn調(diào)節(jié)溫度，最后在680℃加入純Mg，在720℃時(shí)用C2 C16精煉后扒渣，精煉劑加入量為熔體質(zhì)量的1%，靜置冷卻至預(yù)設(shè)溫度待用。自孕育劑顆粒成分與目標(biāo)合金相同，大小為5 mm×5 mm×5 mm的立方顆粒，用量為熔體質(zhì)量的5%，采用兩股導(dǎo)流器，導(dǎo)流器長度為600 mm，傾斜角為450。自孕育鑄造工藝示意圖見圖1。
分別在560、550、540℃下進(jìn)行熔體處理，然后在480、470、460℃保溫，分別保溫0、3、5、10 min，得到不同參數(shù)下的半固態(tài)漿料，然后水淬取樣。對水淬試樣采取標(biāo)準(zhǔn)金相方法，經(jīng)預(yù)磨、拋光后，用體積分?jǐn)?shù)為3%的HNO3水溶液腐蝕。在MEF-3型臥式金相顯微鏡下觀察其組織形貌，采用Image-Pro Plus5.0軟件測定固相率、平均晶粒尺寸、形狀因子。
2 試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1 傳統(tǒng)鑄造和自孕育流變鑄造ZA27合金的顯微組織
圖2為ZA27合金自孕育法流變鑄造和常規(guī)鑄造的顯微組織，金屬型直徑為15 mm，預(yù)熱溫度為200℃。從圖2a可以看出，常規(guī)鑄造的ZA27合金顯微組織呈雪花狀，樹枝晶發(fā)達(dá)且枝晶數(shù)目多，形成固相骨架能阻礙熔體中液相的流動(dòng)，不利于后期凝固補(bǔ)縮。從圖2b可以看出，自孕育法流變鑄造可以明顯地改善鑄件顯微組織，制備出晶粒細(xì)小圓整的試樣，克服了常規(guī)鑄造由于枝晶發(fā)達(dá)不利于補(bǔ)縮等缺點(diǎn)。為了能夠制備出性能更加優(yōu)良的鑄件，對漿料制備過程中的孕育細(xì)化和保溫球化參數(shù)進(jìn)行了工藝優(yōu)化。
2.2 自孕育處理細(xì)化ZA27合金晶粒尺寸
根據(jù)試驗(yàn)預(yù)設(shè)條件，在560、550、540℃時(shí)加入孕育劑（大約降溫40℃），接著通過股數(shù)為兩股的導(dǎo)流器（大約降溫40℃），最終測得漿料收集器中熔體溫度分別約為480、470、460℃，誤差分別為±1～2℃。然后直接水淬取樣，結(jié)果見圖3。可以看出，不同處理溫度下均可制備出具有細(xì)小的薔薇狀初生晶粒的半固態(tài)漿料。而且熔體處理溫度越高，孕育激冷、沖刷、游離形成的細(xì)小薔薇狀晶粒數(shù)目越少。自孕育處理細(xì)化形核包括兩個(gè)階段：一次形核，加入5%孕育劑，其可以作為內(nèi)冷體，能迅速吸收周圍的熱量。由于成分相同且顆粒尺寸很小，所以會被高溫熔體熔化，但是在孕育劑周圍形成局部過冷區(qū)，在這些局部過冷區(qū)會瞬間形成大量的晶核并迅速長大。由于在加孕育劑的過程中伴隨有強(qiáng)烈的攪拌，會促使溫度場趨于均勻，所以不會形成特別大的枝晶，加之時(shí)間很短，雖然整個(gè)熔體處于過熱狀態(tài)，但熔體中還會存在局部過冷區(qū)，因此保留下了孕育劑的激冷效果。二次形核，將一次形核后的漿料澆入冷的導(dǎo)流器，熔體經(jīng)過兩股導(dǎo)流器流下，在下端匯合流入漿料收集器。在熔體流經(jīng)冷的導(dǎo)流器會發(fā)生激冷，迅速形成大量的晶核，且具有沿垂直于接觸面迅速長大的趨勢。但是在重力作用下漿料具有大的流動(dòng)性，晶粒不斷地被沖刷，在導(dǎo)流器表面翻滾，進(jìn)而被卷入過熱的熔體中，其他過熱熔體又接觸冷的導(dǎo)流器。在這種不斷地沖刷和混合作用下造成局部溫度和成分的不均勻，促使晶粒游離增殖，在導(dǎo)流器下端匯合產(chǎn)生紊流效應(yīng)，最終形成具有均勻初生a-Al相枝晶碎片的半固態(tài)漿料。
2.3 保溫時(shí)間和保溫溫度對ZA27合金半固態(tài)漿料的影響
半固態(tài)漿料經(jīng)兩股導(dǎo)流器流進(jìn)漿料收集器，在兩股液流的混合作用下促使?jié){料中的溫度場和濃度場混合均勻。漿料在流經(jīng)導(dǎo)流器的過程中將大部分勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，流進(jìn)漿料收集器形成紊流，即在等溫保溫初期熔體具有一定的流動(dòng)性，進(jìn)一步使?jié){料混合均勻。不同溫度和保溫時(shí)間ZA27合金半固態(tài)漿料水淬組織見圖4。從圖4a可以看到，漿料的固相率相對于圖3a有少量增加，初生a-Al分布均勻，晶粒數(shù)目有所減少。對比發(fā)現(xiàn)，在保溫初期，初生a-Al晶粒由薔薇狀轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則的球狀。晶粒減少是由于在480℃保溫時(shí)液相較多，熔體處理過程中保留的局部高溫液相在降溫過程中釋放的熱量和晶粒結(jié)晶時(shí)釋放的潛熱導(dǎo)致薔薇狀小品粒再度熔化。隨著保溫時(shí)間的延長，圓整化的晶粒開始發(fā)生合并長大（見圖4b、圖4c），且半固態(tài)漿料出現(xiàn)液相偏析。這是由于隨著保溫時(shí)間的延長，漿料的流動(dòng)性基本消失，ZA27合金固一液相密度差較大，在重力作用下半固態(tài)漿料開始發(fā)生分層現(xiàn)象，初生a-Al晶粒密度較小，浮于熔體表面，不利于漿料的均勻性。從圖4g可以看出，半固態(tài)漿料在460口C保溫3 min時(shí)，初生a-Al顆粒明顯大于圖4a、圖4d的，這主要是由于熔體處理溫度較低，保溫溫度相對較低，導(dǎo)致固相率較高，細(xì)化的薔薇狀晶粒數(shù)目多，初生a-Al晶粒之間發(fā)生接觸的幾率增大，在保溫過程中發(fā)生合并長大。采用水淬法研究半固態(tài)漿料時(shí)，由于水淬法取樣很難控制（多次取樣可以減少誤差），再加之水淬法的精度有限，將導(dǎo)致試驗(yàn)所得的固相率高于實(shí)際固相率。大致可將半固態(tài)漿料等溫保溫過程分為3個(gè)階段：①熔體處理后漿料等溫保溫初期枝晶臂的熔斷及晶粒的增殖。在漿料保溫初期，局部區(qū)域的流動(dòng)作用促使顆粒彼此分離，在液相中均勻分布，部分枝晶碎片根部熔斷，使晶粒增殖，并伴隨有固相率的少量增加。②初生a-Al晶粒在保溫過程中的球狀化。漿料在等溫保溫過程中由于結(jié)晶潛熱的釋放促使熔斷的晶粒進(jìn)一步鈍化，再加之曲率對熔點(diǎn)的影響以及界面能降低的驅(qū)動(dòng)力作用下，促使晶粒圓整化。③初生a-Al晶粒聚集合并長大和Ostwald熟化。固相率稍有增大，其中合并長大和Ostwald熟化在等溫保溫過程中發(fā)生的主次和保溫溫度有一定的關(guān)系。在過高的保
溫條件下，漿料的固相率相對較低，初生顆粒均勻地分布于液相中，此時(shí)晶粒Ostwald熟化占主導(dǎo)作用，相反，在保溫溫度較低的條件下，固相率較高促使初生顆粒間的接觸幾率增大，在后續(xù)保溫過程中晶粒合并長大占主導(dǎo)作用。
圖5是不同保溫溫度和保溫時(shí)間下初生a-Al晶粒平均尺寸、形狀因子和固相率的統(tǒng)計(jì)圖。由圖5a可知，在不同處理溫度下初生a-Al晶粒平均尺寸基本相同，最小值大約為43μm ，漿料在480口C保溫3 min時(shí)平均晶粒尺寸較其他兩個(gè)溫度下的小。這是因?yàn)樵?個(gè)保溫溫度下，480℃保溫時(shí)的溫度最接近ZA27合金的液相線溫度（490℃左右），晶粒在此溫度下長大受到限制，自孕育過程中形成的薔薇狀晶粒有少部分會被熔化，保留下的晶粒薔薇狀邊緣被熔化，導(dǎo)致平均晶粒尺寸(52. 28μm)較其他兩個(gè)溫度的小。隨著等溫保溫時(shí)間的延長，晶粒平均尺寸不斷增大，保溫溫度越低，平均晶粒尺寸越大。460℃保溫10 min時(shí)的平均晶粒尺寸最大，測得其尺寸為118. 74 μm。保溫3 min組織中初生a-Al晶粒有少量團(tuán)聚、合并長大的趨勢，保溫5 min初生a-Al晶粒進(jìn)一步合并長大，出現(xiàn)個(gè)別大尺寸晶粒。保溫10 min初生a-Al晶粒合并成較大的薔薇晶或“8”字狀晶粒（見圖4c、圖4f、圖4j）。由圖5b可知，隨著保溫時(shí)間的延長形狀因子先減小后增大再減小。470℃保溫3 min最小，證明最佳保溫時(shí)間為3 min。由圖5c可知，480℃保溫溫度過高，液相偏多，容易出現(xiàn)液相偏析，達(dá)不到半固態(tài)成形的最佳效果；460℃保溫固相率太高，保溫之后流動(dòng)性差不利于充型，加之初生a-Al平均晶粒尺寸較大，也不適合半固態(tài)加工。最終確定自孕育法制備ZA27合金半固態(tài)流變漿料的最佳工藝參數(shù)是等溫保溫溫度為470℃，保溫時(shí)間為3 min。此時(shí)漿料平均晶粒尺寸為60. 02μm，固相率和形狀因子均滿足流變成形要求。
3 結(jié) 論
(1)采用自孕育法可以制備出適合半固態(tài)流變成形的漿料組織，并能制備顆粒圓整且均勻的鑄錠。
(2) ZA27合金半固態(tài)漿料包括兩次形核，加入孕育劑一次形核，過傾斜板二次形核，采用自孕育法孕育處理能夠有效地細(xì)化合金晶粒。
(3)ZA27合金半固態(tài)漿料在等溫保溫過程中，隨著等溫保溫時(shí)間的延長，平均晶粒尺寸不斷增加，形狀因子先減少后增加。最佳制漿工藝條件：等溫保溫溫度為470℃，保溫時(shí)間為3 min。此時(shí)漿料平均尺寸為60. 02μm。
