多彎道蛇形管澆注法制備半固態A356鋁合金漿料

陳正周, 毛衛民, 吳宗闖

(北京科技大學 材料科學與工程學院，北京100083)

多彎道蛇形管澆注法制備半固態A356鋁合金漿料

陳正周, 毛衛民, 吳宗闖

(北京科技大學 材料科學與工程學院，北京100083)

采用多彎道蛇形管澆注技術制備半固態A356鋁合金漿料。結果表明：在澆注溫度為640～680 ℃的條件下，當彎道數量為3且直徑為20 mm時，可獲得形狀因子F為0.72～0.85和晶粒直徑D為55～75 μm的半固態漿料；當彎道數量為5且直徑為20 mm時，可獲得形狀因子F為0.86～0.92和晶粒直徑D為44～58 μm的半固態漿料；當彎道數量為5且直徑為25 mm時，可獲得形狀因子F為0.76～0.90和晶粒直徑D為48～68 μm的半固態漿料。彎道數量增加或彎道直徑減小，可以改善初生α(Al)晶粒的形貌和尺寸。彎道內的合金熔體具有“自攪拌”的作用，可使初生晶核逐漸演變為球形或近球形晶粒。

半固態; A356鋁合金; 多彎道蛇形管; 初生α(Al); 微觀組織

半固態金屬(Semi-solid melt, SSM)漿料的制備一直是半固態金屬成形領域的一個熱點。近年來，出現了一些用無攪拌裝置來制備SSM漿料的技術，如傾斜板澆注工藝(New rheocasting, NRC)[1?4]、直管法[5]、轉動斜管法[6]、阻尼冷卻管法[7?8]和波浪型傾斜板[9]等。這些工藝的共同特點是不需要外加力場對漿料進行攪拌，因而可以節省攪拌設備的投資費用，降低制備成本。與傳統的機械攪拌和電磁攪拌制漿法相比，上述制漿方法更簡便、靈活，具有很大的發展潛力。

本文作者根據無攪拌裝置制漿方法的基本原理(促進合金熔體在凝固初期大量形核，然后控制各種工藝參數使這些晶核向球晶演變)，設計一種新穎的多彎道蛇形管澆注制備裝置。在制備SSM漿料時，由于合金熔體是在具有一定弧度且封閉的蛇形彎道內流動并多次改變流動方向，合金熔體具有一定的“自攪拌”功能，所以，采用這種方法制備SSM漿料的效果要比上述無攪拌裝置的方法制備SSM漿料的效果要好。本文作者采用具有3彎道和5彎道的蛇形管制備半固態A356鋁合金漿料，并研究彎道數量和彎道直徑對半固態淬火漿料中初生α(Al)的影響，初步探討該工藝條件下初生晶核的球化規律。

1 實驗

以商用A356鋁合金為實驗材料，其成分(質量分數)為：Si 7.1%，Mg 0.31%，Fe<0.20%，Mn<0.10%，Zn<0.10%，其余為Al；其液相線溫度為615 ℃，二元共晶溫度為577 ℃。多彎道蛇形管的結構及漿料制備原理如圖1所示。蛇形管的材質為石墨。熔化設備為坩堝電阻爐。漿料的收集坩堝材質為不銹鋼，其尺寸為d 127 mm×250 mm，壁厚為1.5 mm。采用Ni-Cr/ Ni-Si型熱電偶測量液態鋁合金和半固態漿料的溫度，溫度顯示精度為±1 ℃。

半固態A356鋁合金漿料的制備工藝流程分為3個步驟：首先控制A356鋁合金的澆注溫度，然后進行澆注并測量漿料的出口溫度，最后立即將漿料放入冷水中淬火。制備漿料的工藝參數如表1所列。澆注前，蛇形管和收集坩堝都處于室溫狀態。將完全凝固的淬火漿料從心部區域取出一片厚度約為10 mm的扇形試樣進行粗磨、精磨，拋光后用0.5% (體積分數)HF水溶液腐蝕，然后用Neuphoto光學顯微鏡對這些試樣分別進行觀察。利用公式D=2(A/π)1/2和F=4πA/P2分別計算初生α(Al)的晶粒直徑D和形狀因子F，公式中A和P分別為晶粒的面積和周長。

圖1 多彎道蛇形管澆注工藝制備半固態A356鋁合金漿料的示意圖Fig.1 Schematic diagram of preparing semi-solid A356 Al-alloy slurry by serpentine pipe with multiple curves casting process: (a) Controlling pouring temperature of alloy; (b) Pouring; (c) Slurry quenched; 1—K-thermocouple; 2—Serpentine pipe; 3—Pouring cup; 4—Serpentine curve; 5—Diversion pipe; 6—Melting crucible; 7—Collection crucible; 8—Slurry; 9—Cold water

表1 制備半固態A356鋁合金漿料的工藝參數及淬火漿料的特征Table 1 Process parameters of preparing semi-solid A356 Al-alloy slurries and characteristics of quenched slurries

2 結果與分析

2.1 3個彎道的蛇形管在不同澆注溫度下淬火漿料的特征

圖2所示為采用具有3個彎道且彎道直徑為20 mm的蛇形管在不同澆注溫度下制備半固態A356鋁合金淬火漿料在淬火后的微觀組織，其特征如表1所列。圖2中，白色顆粒為初生α(Al)，灰色部分為剩余液相的凝固組織。在680 ℃澆注時(見圖2(a))，初生α(Al)中薔薇狀晶粒和近球形晶粒幾乎各占一半，其形狀因子F為0.72，晶粒直徑 D為75 μm。在660 ℃澆注時(見圖2(b))，大部分初生α(Al)由球形和近球形晶粒組成，薔薇狀晶粒很少，其形狀因子F為0.80，晶粒直徑D為62 μm。在640 ℃澆注時(見圖2(c))，初生α(Al)幾乎全部由球形和近球形晶粒組成，其形狀因子F提高到0.85，晶粒直徑D減小到55 μm。此實驗結果表明，當蛇形管的彎道數量為3時，只要彎道直徑和澆注溫度選擇合理，就可以制備出組織優良、數量較多的半固態A356鋁合金漿料。

2.2 5個彎道的蛇形管在不同澆注溫度下淬火漿料的特征

圖3所示為采用具有5個彎道的蛇形管在不同澆注溫度下制備半固態A356鋁合金淬火漿料的微觀組織，其特征如表1所列。圖3(a)～(c)所示分別為彎道直徑為20 mm和澆注溫度為680～640℃條件下漿料的微觀組織，漿料質量為1.3～2.5 kg。從圖3(a)可以看出，絕大部分初生α(Al)由球形和近球形晶粒組成，薔薇狀晶粒極少，其形狀因子F為0.86，晶粒直徑D為58 μm。在圖3(b)和(c)中，初生α(Al)幾乎全部由球形和近球形晶粒組成，其形狀因子F分別為0.89和0.92，晶粒直徑D分別為48和44 μm。圖3(d)～(f)所示分別為彎道直徑為25 mm和澆注溫度為680～640 ℃條件下漿料的微觀組織，漿料質量為2.5～5.0 kg。圖3(d)和(e)中，初生α(Al) 由球形晶粒和薔薇狀晶粒共同組成，其形狀因子F分別為0.76和0.82，晶粒直徑D分別為68和60 μm。在圖3(f)中，初生α(Al)幾乎全部由球形和近球形晶粒組成，其形狀因子F為0.90，晶粒直徑D為48 μm。此實驗結果表明，采用具有5個彎道的蛇形管，如果彎道直徑和澆注溫度選擇合理，也可以制備出一定數量且微觀組織優良的半固態A356鋁合金漿料。

圖2 采用具有3個彎道且直徑為20 mm的蛇形管在不同澆注溫度下制備半固態A356鋁合金淬火漿料在淬火后的微觀組織Fig.2 Microstructures of semi-solid A356 Al-alloy quenched slurries prepared by using serpentine pipe with 3 curves and curve diameter of 20 mm at different pouring temperatures: (a) 680 ℃; (b) 660 ℃; (c) 640 ℃

圖3 采用具有5個彎道的蛇形管在不同彎道內徑和澆注溫度條件下制備半固態A356鋁合金淬火漿料在淬火后的微觀組織Fig.3 Microstructures of semi-solid A356 Al-alloy quenched slurries prepared by using serpentine pipe with 5 curves under conditions of different curve diameters and pouring temperatures: (a) 20 mm, 680 ℃; (b) 20 mm, 660 ℃; (c) 20 mm, 640 ℃; (d) 25 mm, 680 ℃; (e) 25 mm, 660 ℃; (f) 25 mm, 640 ℃

3 討論

3.1 彎道內合金熔體的形核及演變

關于半固態金屬漿料中初生球形晶粒的形成機制，概括起來有兩種觀點：一種觀點認為是從破碎的枝晶演變而來[10?14]；另一種觀點認為球形晶粒可以直接從過冷的合金熔體中演變而來[15?16]。本文作者認為多彎道蛇形管澆注法中球晶的演變過程屬于后一種機制。

在蛇形彎道內，初生晶核的形成以異質形核為主。由于彎道內壁處的合金熔體具有較大的過冷度，大大降低了結晶時的形核功，臨界晶核半徑也將減小，這將有利于更多的原子集團成為晶核。更重要的是，蛇形彎道的通道內壁為凹面，能促進形核，這種形核效率比傾斜板的形核效率高得多。這些因受彎道內壁激冷而形成的晶核一部分將游離到彎道內整個熔體的內部，成為新晶核的襯底或者繼續長大；另一部分將留在彎道內壁上繼續長大或結殼。圖4所示為采用具有5個彎道且直徑為25 mm的蛇形管在680 ℃澆注10 s后彎道內凝固殼的照片。彎道內合金熔體的濃度梯度、溫度梯度和固?液界面前沿的擾動情況決定初生晶核的生長形態。彎道內流動的合金熔體將受到本身的重力和管壁的摩擦力作用。如圖5(a)所示，當合金熔體從A處流動到B處時，其速率時刻都在變化。由于受到流體內摩擦力的作用，合金熔體各處的位移大小也不一樣，這必然使合金熔體內部產生剪切力，且剪切力的大小和方向隨合金熔體位置的改變而改變。由于彎道內合金熔體在中心區域與管壁處的密度不均勻，必將引起相互間的對流，對流不僅將型壁處的部分晶核帶到熔體的其他區域，如圖5(b)所示，這是晶粒游離的主要動力來源，而且將使合金熔體的濃度梯度和溫度梯度顯著減小。由于晶核不斷進行游離運動，所以晶核的固?液界面也在不斷發生變化。此結果表明，采用多彎道蛇形管澆注工藝，合金熔體具有“自攪拌”的作用，這種作用有力地促進了初生晶核向球形晶粒的演變。

圖4 具有5個彎道且直徑為25 mm的蛇形管在680 ℃澆注10 s后彎道內凝固殼的照片Fig.4 Photograph of solidified shell after casting at 680 ℃ for 10 s by using serpentine pipe with 5 curves and curve diameter of 25 mm

圖6所示為圖4中凝固殼a和b位置處的微觀組織。圖6(a)中初生晶核主要由比較細小的樹枝晶和不規則細小晶粒組成。圖6(b)中初生晶核主要由薔薇狀和近球形的晶粒組成，它們的晶粒直徑比圖6(a)中晶粒直徑粗大。這個結果進一步表明：合金熔體在經過彎道的作用后，熔體內部的對流、剪切和“自攪拌”作用阻礙了初生激冷晶核進一步向枝晶的演變，而傾向于直接演化成球形晶粒。可以推斷，圖6(b)中初生α(Al)的形貌與導流管出口處半固態漿料中初生α(Al)的形貌相近，但是與收集坩堝里淬火漿料的組織仍有區別，這可以通過與圖3(d)的比較看出。這是因為當漿料流進收集坩堝時，在本身的重力作用下得到進一步的攪拌，漿料的溫度場和濃度場分別得到進一步的均勻化，漿料中的初生α(Al)有充分的時間進行粗化(熟化)，所以，收集坩堝里淬火漿料初生α(Al)的形貌要比導流管出口處初生α(Al)的形貌要圓整得多。

圖5 彎道內合金熔體的狀態及晶核游離示意圖Fig.5 Schematic diagrams of status of alloy melt and nuclei drifting in serpentine curve: (a) Status of alloy melt; (b) Nuclei drifting (Unit: mm)

圖6 圖4中凝固殼a和b位置處的微觀組織Fig.6 Microstructures of solidified shell marked places “a” and “b” in Fig.4: (a) Marked place “a”; (b) Marked place “b”

3.2 彎道數量對漿料的影響

合金熔體每經過一個彎道，“自攪拌”作用就會越劇烈，晶粒游離會更加頻繁，合金熔體的濃度梯度和溫度梯度就越小，固?液界面前沿的干擾頻率也會增大。這些都是初生晶核向球晶演變的有利條件。彎道數量越多，這些有利條件就會加強，還會生成更多的初生α(Al)晶核。比較在具有3個彎道和5個彎道的蛇形管條件下制備的半固態漿料的初生α(Al)組織，在彎道直徑和澆注溫度都相同的情況下，在具有5個彎道的蛇形管條件下制備的初生α(Al)晶粒的形貌和尺寸比前者的改善了很多，這說明適當增加彎道數量可以改善半固態漿料的組織。但是，也有不利的一面，如能夠獲得的漿料的數量減少。

3.3 彎道直徑對漿料的影響

從表1中看到，在彎道數量和澆注溫度都相同的情況下，若彎道直徑從25降至20 mm，晶粒的形狀因子有所提高，晶粒直徑也有所減小。根據以上討論結果，若彎道直徑變小，至少帶來以下3個有利的結果：第一，彎道內表面的曲率變大，彎道內壁越有利于形核；第二，給定容積的合金熔體，在彎道內流過的時間增加，與彎道內壁接觸的表面積增大，這樣就有利于散熱和形核；第三，合金的過熱熱量和部分結晶潛熱能較快地傳遞給蛇形彎道的型壁。但是，彎道直徑變小，凝固殼容易在管壁處形成并向管道中心發展，因此容易發生堵塞，獲得半固態漿料的數量減少。

4 結論

1) 采用多彎道蛇形管澆注法制備半固態A356鋁合金漿料，在澆注溫度為640～680 ℃的條件下，當彎道數量為3且直徑為20 mm時，可獲得初生α(Al)形狀因子F為0.72～0.85和晶粒直徑D為55～75 μm的半固態漿料;當彎道數量為5且直徑為20 mm時，可獲得初生α(Al)形狀因子F為0.86～0.92和晶粒直徑D為 44～58 μm的半固態漿料; 當彎道數量為5且直徑為25 mm時，可獲得初生α(Al)形狀因子F為0.76～0.90和晶粒直徑D為48～68 μm的半固態漿料。

2) 在彎道直徑和澆注溫度都相同的情況下，彎道數量越多，初生α(Al)晶粒的形貌越好、直徑越小；在彎道數量和澆注溫度都相同的情況下，彎道直徑越小，初生α(Al)晶粒的形貌越好、直徑越小。同時，能夠獲得半固態漿料的數量減少。

廣義直流電動機直接轉矩控制同樣遵循直流電動機的自控變頻運行機制，所以才能獲得直流電動機的優良控制性能。

3) 采用多彎道蛇形管澆注工藝制備半固態合金漿料，合金熔體具有“自攪拌”的作用，可使初生晶核演變為球形或近球形晶粒。

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(編輯 陳衛萍)

Semi-solid A356 Al-alloy slurry prepared by serpentine pipe with multiple curves casting

CHEN Zheng-zhou, MAO Wei-min, WU Zong-chuang
(School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

Using serpentine pipe with multiple curves casting process, semi-solid A356 Al-alloy slurry was prepared. The results show that, at pouring temperatures of 640?680 ℃, when the number of the curves is 3 and their diameters are 20 mm, the semi-solid A356 Al-alloy slurry with shape factor of 0.72?0.85 and grain diameter of 55?75 μm can be prepared. When the number of the curves is 5 and their diameters are 20 mm, the semi-solid A356 Al-alloy slurry with shape factor of 0.86?0.92 and grain diameter of 44?58 μm can be prepared. When the number of the curves is 5 and their diameters are 25 mm, the semi-solid A356 Al-alloy slurry with shape factor of 0.76?0.90 and grain diameter of 48?68 μm can be prepared. With increasing the number of the curves or decreasing their diameters, the morphology and size of the primary α(Al) grains will be improved. The alloy melt has the effect of “self-stirring” in the serpentine curve, which can make the primary nuclei gradually evolve into spherical and near-spherical grains.

semi-solid; A356 Al-alloy; serpentine pipe with multiple curves; primary α(Al); microstructure

TG249.9; TG146.2

A

1004-0609(2011)01-0095-07

國家高技術研究發展計劃資助項目(2006AA03Z115); 國家重點基礎研究發展計劃資助項目(2006CB605203); 國家自然科學基金資助項目(5077400)

2010-04-02；

2010-06-01

陳正周，博士研究生; 電話: 13426472778, 010-62332882; E-mail: chzz19710425@126.com