金屬快速凝固冷卻裝置及其實(shí)驗(yàn)應(yīng)用★

郭濤銘， 馮志禹， 徐俊哲， 鞠昊言， 水 麗

（沈陽(yáng)理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110159）

引言

過(guò)共晶鋁硅合金具有密度小、強(qiáng)度高、耐磨性好、導(dǎo)熱強(qiáng)度高、膨脹系數(shù)低以及良好的鑄造性能等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，在航空、航天、內(nèi)燃機(jī)活塞和缸體[3]等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。而且隨著合金中硅含量的增加,合金的耐磨性提高,密度降低，線膨脹系數(shù)減小，熱穩(wěn)定性增加，耐蝕性提高。在普通鑄造條件下,由于冷卻速率慢,析出粗大的不規(guī)則形態(tài)初晶硅,破壞了基體的連續(xù)性,顯著降低了合金的強(qiáng)度、塑性。變質(zhì)處理可以改善初晶硅的形貌、細(xì)化初晶硅[4],但當(dāng)合金中硅含量超過(guò)14%時(shí), 采用變質(zhì)處理方法也無(wú)法根本消除初晶硅形態(tài)粗大帶來(lái)的不利影響。采用快速凝固技術(shù)可以顯著細(xì)化初晶硅相[5-9]。本文研究冷卻速率對(duì)Al-18Si、Al-25Si 合金的凝固組織和拉伸性能的影響, 觀察不同的冷卻速率下Al-18Si 和Al-25Si 合金的微觀組織形貌，測(cè)量不同冷卻速率下合金內(nèi)部初晶硅顆粒尺寸，研究經(jīng)不同冷卻速率凝固后Al-18Si 和Al-18Si 合金的拉伸性能，分析初晶硅顆粒形態(tài)及顆粒尺寸對(duì)合金抗拉強(qiáng)度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 冷卻設(shè)備工作原理

雙控金屬凝固冷卻裝置如圖1 所示，合金凝固結(jié)晶冷卻裝置由液壓元件、循環(huán)泵、熱電偶、冷凝管等組成，上述元件組合成冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、水流速控制系統(tǒng)、溫度測(cè)量系統(tǒng)3 個(gè)部分。打開(kāi)進(jìn)水流量調(diào)節(jié)閥A，向箱體內(nèi)注入冷卻水至刻度線處，溢流排水截止閥B 開(kāi)始工作，接通溢流排水截止閥B 與冷卻水出口C 使得冷卻水持續(xù)流入冷卻裝置循環(huán)系統(tǒng)中，打開(kāi)冷卻水出口F 與進(jìn)水流量調(diào)節(jié)閥A 保證冷卻降溫后的冷卻水重新流入水流速度控制系統(tǒng)中，通過(guò)循環(huán)泵與進(jìn)水流量調(diào)節(jié)閥A 控制水流速度，配合水流測(cè)速儀調(diào)節(jié)水流速度至恒定不變，隨后將經(jīng)過(guò)高溫融化的Al-Si 合金液體倒入實(shí)驗(yàn)裝置中的坩堝D內(nèi)，將熱電偶插入金屬液體中，測(cè)量Al-Si 合金液體溫度，將液體溫度變化數(shù)據(jù)收集反饋至計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)。

圖1 雙控金屬凝固冷卻裝置

1.2 冷卻速度選擇及力學(xué)性能測(cè)試

采用純度為99.95%的純鋁錠和Al-50Si 的工業(yè)鋁硅在井式電阻爐中配制熔煉Al-18Si 和Al-25Si過(guò)共晶鋁硅合金，以不同冷卻速率凝固，觀察不同的冷卻條件下的凝固組織。

1）當(dāng)水流速度為0.9 m/s 時(shí)，合金的冷卻速率約0.2 K/s；

2）當(dāng)水流速度為1.1 m/s 時(shí)，合金的冷卻速率約0.35 K/s；

3）當(dāng)水流速度為2.0 m/s 時(shí)，合金的冷卻速率約0.5 K/s；

4）當(dāng)冷卻箱內(nèi)水流速度為0 時(shí)，合金的冷卻速率約0.1 K/s。對(duì)比不同冷卻條件下的凝固組織。用Carl Zeiss Axioskop 2MAY 型光學(xué)顯微鏡和SEM-IAS數(shù)字圖像分析軟件，對(duì)不同冷卻速率凝固的Al-18Si與Al-25Si 合金中的初晶硅顆粒形貌和顆粒輪廓平均尺寸進(jìn)行定量分析。拉伸試驗(yàn)在CTM-4GD 型拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。拉伸試樣的尺寸為Φ18 mm×160 mm，裝夾試樣，試樣端部連接記錄應(yīng)變變化感應(yīng)片，試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄以Tensile stress（MPa）-Tensile strain（%）曲線的形式自動(dòng)輸出。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同冷卻速率下的合金微觀組織形貌

在快速凝固過(guò)程中，Al-18Si 與Al-25Si 合金內(nèi)微觀組織形態(tài)特征（初晶硅的形貌及顆粒尺寸）與鋁硅合金冷卻速率間存在一定對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)測(cè)量Al-18Si 和Al-25Si 合金內(nèi)部的初晶硅顆粒尺寸和初晶硅顆粒形狀因子來(lái)評(píng)估合金的冷卻凝固速率對(duì)合金微觀組織形貌的影響；通過(guò)測(cè)量合金的拉伸強(qiáng)度，間接確定初晶硅顆粒尺寸和初晶硅顆粒形狀因子與合金拉伸強(qiáng)度間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

甘吉松等[9]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示冷卻速率對(duì)Al-Si合金凝固組織形態(tài)有顯著的影響，冷卻速率不同，初晶硅的形貌和顆粒尺寸大小隨之變化。Al-18Si 和Al-25Si 合金在0.2 K/s、0.5 K/s 冷卻速度下的微觀組織形貌如圖2 所示，微觀組織由（a-Al+共晶Si+初晶硅）相組成，初晶硅顆粒基本上呈放射狀復(fù)雜的多角形，形態(tài)粗大。Al-8Si 合金中初晶硅顆粒平均尺寸約150 μm（0.2 K/s）;共晶硅為針狀，其長(zhǎng)度為30～50 μm（如圖2-1 所示），當(dāng)冷卻速率為0.35 K/s 時(shí)（如圖2-2 所示），共晶硅依然呈針狀，初晶硅和共晶硅相的形貌與0.2 K/s 冷卻速度試樣的微觀組織形貌特征相同，但是初晶硅顆粒和針狀共晶硅相尺寸比0.2 K/s 冷速試樣的尺寸都有所減小，隨著冷卻速率提高至0.5 K/s，Al-18Si 合金中初晶硅顆粒平均輪廓尺寸持續(xù)下降至約50 μm。對(duì)比圖2-3 和圖2-4，可以發(fā)現(xiàn)Al-25Si 合金在不同冷卻速率下初晶硅顆粒平均尺寸演化規(guī)律與Al-18Si 合金在不同冷卻速率下的演化趨勢(shì)相似。Al-18Si 和Al-25Si 合金中初晶硅顆粒平均尺寸隨冷卻速率變化的規(guī)律如圖3 所示，表明冷卻速率越高強(qiáng)化相初晶硅顆粒尺寸越細(xì)小。顆粒的形狀因子反映了初晶硅相形貌的復(fù)雜程度，形狀因子絕對(duì)值越大，說(shuō)明初晶硅的形態(tài)大多為放射狀的復(fù)雜星形多邊形，隨冷卻速率提高，形狀因子逐步下降（見(jiàn)圖4），顆粒形態(tài)趨于簡(jiǎn)單的四邊形和碎塊狀形態(tài)。當(dāng)合金中星形狀初晶硅顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)楹?jiǎn)單四邊形現(xiàn)象發(fā)生，有益于提高合金的力學(xué)性能。

圖2 不同冷速下Al-8Si 和Al-25Si 合金的微觀組織形貌

圖3 不同冷卻速率下初晶硅顆粒輪廓尺寸

圖4 初晶硅顆粒形狀因子隨冷卻速率變化

2.2 不同冷卻速率下鋁硅合金拉伸性能分析

經(jīng)歷不同冷卻速率凝固后的Al-18Si 和Al-18Si 合金加工成片狀拉伸試樣，選取實(shí)驗(yàn)溫度為室溫，進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測(cè)試，Al-18Si 合金拉伸測(cè)試結(jié)果列于下頁(yè)表1 中。表中對(duì)應(yīng)1-1～1-3 組試樣合金的冷卻速率為0.5 K/s，2-1～2-3 組試樣對(duì)應(yīng)的冷卻速率為0.35 K/s，3-1～3-3 組試樣對(duì)應(yīng)的冷卻速率為0.2 K/s，4-1～4-3 組試樣對(duì)應(yīng)的冷卻速率為0.1 K/s，對(duì)比分析表中數(shù)據(jù)，合金的強(qiáng)度和延伸率均隨著合金冷卻速率的提高逐步改善。下頁(yè)圖5、圖6 為Al-25Si 合金冷卻速率分別為0.2 K/s 和0.5 K/s 拉伸試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以看出，在冷卻速率較高的0.5 K/s，圖5 的抗拉強(qiáng)度達(dá)到250 MPa，延伸率接近3%，比冷速為0.2 K/s 試樣的強(qiáng)度和塑性分別提高約25%和30%。可見(jiàn)隨著冷卻速率的提高，過(guò)共晶Al-18Si 和Al-25Si 合金的綜合性能逐步升高。

圖5 0.5 K/s 冷卻速度試樣室溫拉伸曲線

圖6 0.2 K/s 冷卻速率下Al-25Si 合金拉伸試樣的拉伸曲線

表1 Al-18Si 合金不同冷卻速率凝固后合金拉伸性能數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

1）應(yīng)用金屬凝固冷卻設(shè)備，可以定量評(píng)估合金冷卻速率。隨著冷卻速率的增加，Al-18Si 和Al-25Si合金微觀組織中初晶硅顆粒的尺寸逐漸減小，其形狀由放射狀復(fù)雜多角形演化為相對(duì)簡(jiǎn)單多邊形和碎塊狀。

2）在0.1～0.5 K/s 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)合金的冷卻速率，Al-18Si 和Al-25Si 合金的組織結(jié)構(gòu)由（a-Al+共晶Si+初晶硅）相組成。Al-18Si 和Al-25Si 合金在0.5 K/s冷卻速率試樣的抗拉強(qiáng)度比0.1 K/s 冷卻速率試樣的抗拉強(qiáng)度分別提高約12%和17%，延伸率小幅下降約10%和6%，合金的綜合力學(xué)性能提高。

3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙控金屬凝固冷卻設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁合金冷卻速率的調(diào)節(jié)，并對(duì)相關(guān)鑄造實(shí)驗(yàn)提供參考依據(jù)。