DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2002.03.007

形变诱导法半固态加热工艺参数对LY12合金组织和晶粒尺寸的影响

刘昌明 邹茂华 章宗和 谢绍俊 范云强

  重庆大学机械工程学院  

  重庆镁业股份有限责任公司  

  西南铝业(集团)有限责任公司技术中心  

  西南铝业（集团）有限责任公司技术中心 重庆400044  

  重庆400051  

  重庆401326  

摘 要：

对LY12合金采用形变诱导法制备半固态合金料坯的组织演变过程进行了观察 , 对变形率、半固态温度、半固态保温时间对合金半固态组织和晶粒尺寸的影响进行了研究。组织演变过程观察表明 :用形变诱导法制备该合金半固态坯料的合适的半固态重熔温度为 6 18℃ ;合金在该温度重熔过程中 , 形变带状组织首先分解为细小的α多边形晶粒 , 随保温时间的延长 , 晶粒尺寸逐渐变大 , 同时α相逐渐球化 ;在相同的半固态温度和相同的保温时间下 , 宏观变形率大的晶粒尺寸要比变形率小的合金组织晶粒尺寸小 ;变形率大的试样比变形率小的液相出现时间早 ;在同一宏观变形率下 , 试样内部微观形变大的部位晶粒尺寸要比形变小的部位晶粒尺寸小

关键词：

形变诱导法;LY12锻造合金;半固态重熔;半固态组织;晶粒尺寸;

中图分类号： TG292

收稿日期：2001-07-31

Effect of semi-solid melting factors on structure and grain size of LY12 alloy in SIMA processing

Abstract：

Structure evolution of LY12 alloy in remelting procedure in strain induced melt activated (SIMA) semi-solid processing was observed, and effects of the factors, remelting temperature, holding time and strain rate, on structure and grain size of the alloy were investigated. The results show that the proper remelting temperature is 618?℃ and in the remelting procedure, small polygon α crystals are initially formed from breaking the original strip structure obtained during pressing and then grow larger along with more spherical shape. The grain size in the specimen with greater strain rate is smaller than that with smaller one in the same remelting temperature and holding time. Liquid emerges earlier in the specimen with greater strain rate than in the specimen with smaller macroscopic strain rate. The grain size in the location with greater microscopic strain rate in a specimen with a certain macroscopic strain rate is smaller than that in the location with smaller microscopic strain rate.

Keyword：

strain induced melt activated processing; LY12 forging alloy; remelting in semi-solid temperature; semi-solid structures; grain sizes;

Received： 2001-07-31

形变诱导法制备半固态成形料坯技术 (简称SIMA) 是先对铸锭进行预变形, 再在半固态温度下保温一定的时间以得到非树枝晶组织结构。 在加热的过程中, 首先发生再结晶, 然后部分熔化, 使固相晶粒分散在液相基体中。 SIMA技术在铸造中有很好的应用前景, 尤其对制备高熔点高强度工具钢的半固态材料有独特的优越性 ^[1,2,3,4] 。 目前, 国内外对SIMA技术的研究都处于基础理论的研究阶段。 Kapranos等人 ^[5,6,7,8] 分别对M2工具钢和7075锻造铝合金采用SIMA技术制备半固态料坯的工艺参数进行了实验研究, 得到了优化方案。 国内哈尔滨工业大学对锻造铝合金SIMA技术进行了研究。 国内多单位对铸造铝硅合金电磁搅拌法和机械搅拌法半固态技术的理论研究比较深入 ^[9,10,11,12] , 但对锻造铝合金采用SIMA技术的研究比较少。 本文作者采用SIMA技术制备了LY12合金非树枝晶合金半固态料坯, 研究了SIMA技术的工艺参数对合金组织和晶粒尺寸的影响。

1 实验

1.1 实验材料及变形工艺

试验用LY12硬铝热挤压棒材, 经机械车削加工成直径18 mm的圆柱棒, 再切成每个高为 (20±0.1) mm的圆柱体试样。 试样在60吨万能材料试验机上进行冷压缩变形, 变形率分别为18%, 25%, 33%, 43%和54%。

1.2 半固态重熔实验方法

重熔实验在SKY可控硅温度控制仪控制的电阻炉内进行, 在605, 610, 615和620 ℃进行寻求合适的重熔温度的实验。 温度的控制精度为±1 ℃。 保温40 min后在炉内进行切割实验, 确定618 ℃为合适的重熔温度。 在此温度研究了保温时间对半固态合金组织和晶粒尺寸的影响。 保温时间分别为1, 3, 5, 10, 15, 20和40 min。 试样保温后水淬以保持半固态组织。

1.3 半固态组织观察及晶粒尺寸的测定

观察了分别在605, 610, 615和620 ℃保温40 min后在炉内进行切割实验的试样的宏观组织。 将在618 ℃重熔并保温不同时间的水淬试样用常规方法制备金相试样, 在光学显微镜上观察并拍摄了微观组织, 用截距法测定了固相球状晶的平均直径。 微观组织的拍摄和晶粒尺寸的测定分别在试样的4个位置进行 (见图1) , 即: 试样的顶-边部 (A点处) , 顶-中部 (B点处) , 心部 (C点处) 和中-边部 (D点处) 。

图1 试样中测定部位示意图

Fig.1 Locations measured in specimens

2 结果及分析

2.1 合适的半固态重熔温度

将试样分别加热到605, 610和615 ℃保温40 min, 用小刀切开, 马上水淬, 得到的宏观组织如图2所示。 由图可以看出: 605 ℃保温的试样需用力才能切开试样, 切口整齐 (图2 (a) ) ; 610 ℃保温的试样切口整齐, 切面已经出现液相滑动组织, 此时的试样已有一定的流动性 (图2 (b) ) ; 615 ℃保温的试样顺着刀口移动方向自然滑开, 有很好的流动性, 切口整齐, 观察切口发现试样中间部分紧实度大, 无液相滑动, 四周均出现液相滑动, 并有少许粘于刀口上 (图2 (c) ) ; 620 ℃时保温20 min的试样液相含量太高, 试样发生流淌, 不能保持外形。 用变形率为33%的试样作了618 ℃保温40 min的实验, 发现试样保持完整, 基本无外观变形, 所以就将半固态保温温度定在618 ℃。 通过Scheil公式计算, 半固态温度为618 ℃时合金的固相率为53% ^[13] 。

2.2 半固态重熔保温时间对组织的影响规律

重熔过程半固态组织的变化过程如图3所示。 试样在半固态保温1 min, 条状组织分解转变为颗粒状α相。 随着保温时间的延长, 重结晶颗粒组织慢慢变大, 晶粒也越来越圆整。 晶粒起初由颗粒状向六边形转变, 因为六边形为最稳定的组织结构。 保温10 min后, α相晶界开始出现液相 (水淬后为晶界上的细小晶粒簇) , α相开始圆整化; 保温15 min时液相量达到最大值, 获得较为理想的非枝晶半固态组织; 到20 min时液相量减少。 据分析, 液相的产生是形变产生的畸变能促成的。 该合金含Cu仅为3.8%, 为亚共晶成分, 熔点较高, 由形变产生的液相恢复为α相的能力强, 以致液相逐渐减少。

2.3 宏观形变对组织的影响规律

本实验分别对4种变形率的试样进行保温实验。 图4所示为变形率为54%的试样在不同保温时间的显微组织, 与图2比较表明, 变形率对组织变化具有两个明显的作用: 1) 固相晶粒尺寸随变形率的增加而变小, 同时圆整度增加; 2) 变形率大的试样比变形率小的试样液相出现时间早, 持续时间长。 变形率为18%时, 在10 min时开始出现液相, 最大液相量出现在15 min; 而变形率为54%时, 在3 min时就开始出现液相, 最大液相量出现在20 min。 形变大的试样其组织内部位错严重, 晶界上能量集中, 在重熔过程中, 这些地方容易产生液相, 所以变形率大的试样先出现液相。

2.4 宏观变形对晶粒尺寸的影响规律

2.4.1 不同宏观变形率下晶粒尺寸与重熔保温时间的关系

测定了不同变形率下A, B, C和D各取样点在不同的保温时间晶粒的尺寸大小, 得到了在同一个取样点, 各个变形率下晶粒尺寸随保温时间的变化关系。 图5所示为B取样点在各个变形率下晶粒尺寸随保温时间的变化关系曲线。 由图5可以知道: 1) 晶粒尺寸随保温时间的增加而增大; 2) 宏观变形率越大, 晶粒尺寸越小。 在同一保温时间, 变形率为54%的试样晶粒比变形率为18%的试样晶粒约小20 μm; 3) 在1～5 min范围内, 晶粒的长大速度比较快, 5 min后长大速度明显放慢。 结合重熔过程的组织变化规律可知, 5 min前液相还未出现, 组织处于重结晶阶段, 与常规的重结晶温度相比较高, 因此在此时间阶段, 晶体生长速度快。

图2 LY12合金不同半固态温度下保温40 min切口宏观组织

Fig.2 Macrostructures of incisions of ingots remelted with 40 min holding at various temperatures

(a) —605 ℃; (b) —610 ℃; (c) —615 ℃

图3 变形率为18%的试样在618 ℃下保温不同时间的显微组织

Fig.3 Microstructures of specimens deformed to 18% and remelted at 618 ℃ with different holding time

( a) —1 min; (b) —3 min; (c) —5 min; (d) —10 min; (e) —15 min; (f) —20 min

2.4.2 不同保温时间下晶粒尺寸与宏观变形率的关系

图6所示为D部位在保温3 min和5 min时的晶粒尺寸随变形率的变化曲线。 由图可以看出, 宏观变形量对晶粒尺寸有极大的影响。 另外, 在保温的初期, 随着保温时间的增加, 变形率对晶粒尺寸的影响有所减弱。 这一点可以通过比较图中两条曲线的走势看出。

2.5 微观形变对晶粒尺寸的影响规律

试样冷压缩以后, 由于各个部位所受的微观形变不同, 在相同的宏观形变下, 试样中心的形变最大, 即C, D两点的微观形变大于A, B两点。 随半固态保温时间的变化, 致使各部位组织转变和晶粒大小不一。 在形变率为54%的宏观形变下, 试样各取样点晶粒尺寸随保温时间的变化曲线示于图7。 由图7可以看出: C, D两曲线低于A, B两曲线, 这就说明在同样的保温时间时, 微观形变大的部位的晶粒尺寸小于微观形变小的部位的晶粒尺寸。 由于微观形变越大, 位错越严重, 使得晶界不易迁移, 因而在保温初期的重结晶阶段晶粒不易长大。

图4 变形率为54%的试样在618 ℃下保温不同时间的显微组织

Fig.4 Microstructures of specimens deformed to 54% and remelted at 618 ℃ with different holding time

(a) —1 min; (b) —3 min; (c) —5 min; (d) —10 min; (e) —15 min; (f) —20 min

图5B部位晶粒尺寸随保温时间的变化曲线

Fig.5 Relations between grain size and holding time at location B

图6 D部位不同保温时间下晶粒尺寸随宏观变形率的变化曲线Fig.6 Relations between grain size and deformation rates at location D

图7 变形率为54%时试样各部位晶粒尺寸随保温时间的变化

Fig.7 Relations between grain size and holding time in specimens with 54% deformation rate at various locations

3 结论

1) 用形变诱导法制备锻造LY12合金半固态坯料的合适半固态重熔温度为618 ℃。

2) 半固态重熔过程中, 随保温时间的延长, 晶粒尺寸逐渐变大, α相逐渐球化和圆整化。

3) 在相同的半固态温度下保温相同的时间, 变形率大的合金组织的晶粒尺寸要比变形率小的合金组织晶粒尺寸小。 变形率大的试样比变形率小的液相出现时间早。

4) 在同一宏观变形率下, 相同的重熔温度和相同的保温时间时, 试样内部微观形变大的部位晶粒尺寸要比形变小的部位的晶粒尺寸小。

参考文献

[1]　KirkwoodDH .Europeantrendsinsemi solidprocessing[A].KiuchiM .Proceedingsofthe3rdInternationalConferenceonAlloysandComposites[C].Tokyo:Insti tuteofindustrialScience, UniversityofTokyo, 1994.19-23.

[2]　苏华钦, 朱鸣芳, 高志强.半固态铸造的现状及发展前景[J].特种铸造及有色合金, 1998 (5) :1-5.　　SUHua qing, ZHUMing fang, GAOZhi qiang.Presentconditionsandprospectsofsemi solidcasting[J].SpecialCastingandNonferrousAlloys, 1998 (5) :1-5.

[3]　毛卫民, 赵爱民, 钟雪友.半固态金属应用的新进展与前景展望[J].特种铸造及有色合金, 1998 (6) :33-36.　　MAOMei min, ZHAOAi min, ZHONGXue you.Newprogramsandprospectofapplicationsofsemi solidmetals[J].SpecialCastingandNonferrousAlloys, 1998 (6) :33-36.

[4]　叶春生, 潘　冶, 范红征.半固态加工工艺在汽车制造业中的应用与发展[J].汽车工艺与材料, 2000 (12) :1-4.　　YEChun sheng, PANYe, FANHong zheng.Applica tionsanddevelopmentofsemi solidtechnologyinthein dustryofautomobilemanufacturing[J].TechnologiesandMaterialsforManufacturingAutomobile, 2000 (12) :1-4.

[5]　PibworthK , AtkinsonHV , KirkwoodDH , etal.Thixoformingofanormallywroughtaluminumalloy[A].KirkwoodDH , KapranosP .Proceedingsofthe4thInternationalConferenceonSemiSolidProcessingofAlloyandComposites[C].Sheffield:TheUniversityofSheffield, 1996.83-86.

[6]　TurkeliA , AkbasN .Formationofnon dendriticstruc turein7075wrouhtaluminumalloybySIMAprocessandeffectofheattreatment[A].KirkwoodDH , KapranosP .Proceedingsofthe4thInternationalConferenceonSe miSolidProcessingofAlloyandComposites[C ].Sheffield:TheUniversityofSheffield, 1996.71-74.

[7]　KapranosP , KirkwoodDH , SellarsCM .Thixoforminghighmelting pointalloysintonon metallicdies[A ].KirkwoodDH , KapranosP .Proceedingsofthe4thIn ternationalConferenceonSemiSolidProcessingofAlloyandComposites[C ].Sheffield:TheUniversityofSheffield, 1996.306-311.

[8]　KapranosP , KirkwoodDH , SellarsCM .Propertiesofthixoformedtoolsteels[A].KiuchiM .Proceedingsofthe3rdInternationalConferenceonAlloysandCompos ites[C].Tokyo:InstituteofIndustrialScience, Univer sityofTokyo, 1994.117-126.

[9]　毛卫民, 钟雪友, 李立强.AlSi7Mg非枝晶合金半固态重熔加热时的组织演变[J].铸造, 1998 (8) :10-12.　　　MAOWei min, ZHONGXue you, LILi qiang.Struc tureevolutionofnondendriticalalloyinsemi solidremelt ingprocessing[J].Casting, 1998 (8) :10-12.

[10]　唐靖林, 曾大本.非枝晶半固态金属浆料制备技术的现状[J].轻合金加工技术, 1997, 25:19-22.　　　TANGJing lin, ZENGDa ben.Presentconditionofthepreparationtechnologyofsemi solidslurryofnondendriticalalloys[J].ManufactureTechnologiesforLightAlloys, 1997, 25:19-22.

[11]　LIUChang ming, HENai jun, LIHua ji.Semi solidcharacteristicsandthixoformingofhypereutecticAlSialloy[J].TransNonferrousMetSocChina, 2000, 10 (3) :309-313.

[12]　LIUCM , HENJ, LIHJ .StructureevolutionofAlSi6.5Cu2.8Mgalloyinsemi solidremeltingprocessing[J].JournalofMaterialsScience, 2001, 36:1-5.

[13]　陈海清, 李华基, 曹　阳.铸件凝固过程数值模拟[M ].重庆:重庆大学出版社, 1991.　　　CHENHai qing, LIHua ji, CAOYang.SolidificationSimulationsforCastings[M ].Chongqing:ChongqingUniversityPress, 1991.