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中国有色金属学报

DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2001.05.020

熔体温度处理工艺对A319合金组织和性能的影响

何树先孙宝德王俊周尧和

上海交通大学材料科学与工程学院

上海交通大学材料科学与工程学院上海200030

摘要：

研究了熔体温度处理工艺对A319合金凝固组织的影响 , 通过对冷却速度和混合熔体停留时间的考察 , 发现不同的冷却速度对经过和不经过熔体温度处理的凝固组织初生枝晶尺寸作用不大 , 但对凝固组织中的晶间化合物相的析出有很大影响。研究结果表明 , 熔体温度处理工艺有利于抑制晶间化合物的析出 , 促进组织的均匀性。随着混合熔体停留时间的延长 , 试样的拉伸性能表现出由低到高、再由高到低的变化规律 , 从原子团簇的角度分析了熔体温度处理工艺对凝固组织的作用机制

关键词：

熔体温度处理;A319合金;凝固组织;原子团簇;

中图分类号： TG292

收稿日期：2000-12-27

基金：国家 973重点基础研究资助项目 (G19990 6 490 0 -4 );美国GM (中国 ) 公司基金支持;

Effect of melt temperature treatment on solidification structure of A319 alloy

Abstract：

The effect of a new process, the melt temperature treatment (MTT) process on the solidification structure of A319 alloy has been studied. Through the investigation of the cooling rate and the holding time of the mixing melt, the results show that the cooling rate has little effect on the size of the primary dendritic either treated with MTT or not, however, the MTT process can restrain the intercrystalline compound phase from precipitating and promote the homogenization of the microstructure. With the holding time of the mixing melt going, the tensile strength of the samples measured appears low→high→low trend in values. The mechanism of the MTT was analyzed with the theory of atom clusters.

Keyword：

melt temperature treatment; A319 alloy; solidification structure; clusters;

Received： 2000-12-27

随着凝固技术和团簇学的发展, 人们越来越关注熔体的结构对最终凝固组织的影响 ^[1] 。对凝固过程的研究逐步延伸到凝固开始前的液态金属结构对凝固组织的影响 ^[2,3,4,5,6] 。

混合法熔体温度处理细化金属组织的思想是由前苏联科学家在上世纪60年代提出的, 但由于人们没有给予足够的重视, 致使混合法熔体温度处理的研究没有得到进一步的发展。随着人们对生态环境保护的日益重视, 生产中一直沿用添加细化剂细化金属组织的化学方法的弊端得到关注 ^[7] , 因此人们正在致力于寻求一种工艺更简单、成本更低廉、对环境的影响更小的生产工艺进行铝合金组织细化, 提高铝合金铸件力学性能。在此思想指导下, 上世纪90年代初, 日本学者Ohmi等 ^[8,9,10] 和西北工业大学 ^[11] 相继研究了混合熔体法细化过共晶Al-Si合金初生Si的研究, 细化效果比较显著。但对于生产中广泛应用的亚共晶Al-Si合金尚无研究报道。基于此, 作者根据混合熔体法温度处理的原理对亚共晶A319铝合金进行了系统的研究, 重点研究了冷却速度和混合熔体停留时间对熔体温度处理凝固组织的影响, 并且在理论上从原子团簇的角度对试验结果进行了分析。

1 实验材料

试验采用A319合金, 成分如表1所示。

表1 A319合金的化学成分

Table 1 Component of A319 alloy

Elements	Si	Mg	Fe	Cu	Zn	Ti	Al
Mass fraction/%	6.16	<0.1	0.75	3.20	0.30	<0.1	Balance

采用硅钼棒高温炉 (SSG2-12-16) 和电阻炉 (SG2-7.5-1.3) 作为高低温熔体的熔化设备。采用石墨坩埚来熔化合金。

2 实验方法

为了确定所用合金的液相线温度, 通过自行设计制作的热分析仪测试了A319合金的砂型和金属型冷却曲线。

熔体混合处理过程如图1所示, 首先把通过计算称好的合金放在第一个坩埚内升温至750 ℃熔化, 经过C₂Cl₆精炼并静置一段时间, 然后把熔体定量地转移到第二和第三坩埚内。将第三个坩埚熔体迅速降温至630 ℃成低温熔体, 第二个坩埚熔体则快速升温至950 ℃成高温熔体, 高低温熔体经过保温后进行混合、浇注。由于浇注温度对凝固组织影响较大, 为了使混合后的温度达到统一, 可通过调整高低温熔体的质量比, 使得混合后熔体的温度保持在 (720±5) ℃, 然后将混合熔体浇入预热金属锭模内 (预热温度为220 ℃) 。为了考察冷却速度对经过熔体温度处理的凝固组织的影响, 我们利用楔形永久型模具 (如图2) 浇注试样, 即对混合熔体采取即混即浇的方式进行浇铸, 图2中A, B, C为测试冷却速度、取样观察微观组织的位置。

最后, 有关试样经过切割、磨平、抛光和侵蚀, 在图像分析仪 (LECO-IA32) 和扫描电镜 (SEM) 上进行凝固组织观察、测量及分析。抗拉试样在WE-60型液压式万能材料试验机上测试拉伸性能。

图1 熔体温度处理工艺示意图

Fig.1 Flow process chart of melt temperature treatment (MTT) experiment

3 实验结果

3.1 冷却速度对熔体温度处理效果的影响

图3所示为A319合金砂型和金属型冷却曲线测试结果, 通过曲线可以确定A319合金的液相线温度为605.8 ℃。图4所示是晶间化合物相的扫描电镜照片, 经过能谱分析, 图中针片状组织为AlSiFe相, 块状组织为AlSiCu相。图5是经过温度处理的不同冷却速度的A319合金凝固组织金相照片, 图6则是没有经过温度处理的不同冷却速度的A319合金凝固组织金相照片, 二者的浇注温度相同 (720±5) ℃, 由图6 (a) 到 (c) 冷却速度依次增大。图中白色为初生α相, 灰色为析出的晶间化合物AlSiFe相和AlSiCu相。

从图中的组织来看, 一次枝晶尺寸和二次枝晶臂尺寸随冷却速度的增加而显著减小, 但是在相同的冷却速度条件下, 经过熔体温度处理和没有经过熔体温度处理的一次枝晶尺寸却没有很明显的区别, 只是二者晶界化合物的分布不同, 其中没有经过温度处理的试样在晶界析出的化合物相的数量明显多于经过温度处理的试样, 如图5 (a) 和图6 (a) 所示。这些析出的化合物相数量与冷却速度有关, 试样冷却速度越慢, 析出化合物数量的差异越大; 反之, 这种差异则越小, 如图5 (c) 和图6 (c) 。这种现象说明熔体温度处理有利于抑制晶间化合物的析出, 从而能够提高合金的组织均匀性。

3.2 混合后停留时间对熔体温度处理效果的影响

图2 考察冷却速度用的楔形永久型模具 (unit: mm)

Fig.2 Wedge-shaped permanent mold used for studying effect of cooling rate on solidification structure

图3 A319合金冷却曲线

Fig.3 Cooling curve of A319 alloy with different mold

图4 A319合金常规凝固组织晶间化合物相的电镜照片

Fig.4 SEM photogragh of interstitial phase of A319 alloy

通过实验发现, A319合金高低温熔体混合后的不同停留时间对试样的拉伸性能有着重要的影响, 如表2和图7所示。从表中可以看出, 熔体混合后停留一段时间, 抗拉强度呈现出由低到高、再由高到低的规律。延伸率随抗拉强度增大而增大, 减小而减小。为了便于比较, 利用常规铸造方法浇注抗拉试样进行拉伸性能测试, 结果如表2。可以看出, 经过温度处理后, 只有混合熔体停留时间为0 s和120 s时, 试样的抗拉强度才低于常规铸造, 其余都高于常规铸造, 其中温度处理120 s时试样的延伸率要高于没有经过温度处理的试样。

图5 A319合金经过熔体温度处理后, 不同冷却速度下的凝固组织

Fig.5 Solidification structures of different cooling rate of A319 alloy sample with MTT

4 分析与讨论

研究者 ^[12,13] 发现, 金属熔体的组织结构随熔体温度及成分的不同而不同, 熔体温度较低时, 熔体中含有许多短程有序的类固相原子集团, 也可称为原子团簇。随熔体温度升高, 这种类固相原子团簇不断熔化, 逐步变成无序状态。熔体温度处理工艺实质就是把无序状态的高温熔体与有序状态的低温熔体相混合, 使混合熔体在微观结构上呈现一种具有较大的温度起伏、能量起伏和成分起伏的非平衡状态。图8是熔体温度处理工艺混合模型, 在这

图6 A319合金不经过熔体温度处理, 不同冷却速度下的凝固组织

Fig.6 Solidification structures of different cooling rate of A319 alloy sample without MTT

表2 混合熔体停留不同时间的拉伸性能测试结果

Table 2 Tensile properties of different holding time of mixing melt

Holding time/s	Tensile strength/MPa	Elongation ratio/%
Without MTT	171.7	1.68
0	164.8	1.17
15	203.8	2.16
30	210.2	2.86
60	221.1	4.67
90	181	3.33
120	154	2.83

图7 熔体温度处理后, A319试样的拉伸性能

Fig.7 Tensile test results of A319 alloy with MTT process with different holding time of mixing melt

图8 混合熔体模型示意图

Fig.8 Schematic of model of mixing melt

个模型中, 混合熔体在微观上可分为3个不同的区域: 即高温熔体区、温度过冷区和低温类固相团簇区。根据试验, 假设在A319合金熔体中, 其存在的主要类固相团簇类型有: Al-Al, Al-Si, Si-Si, Al-Si-Fe, Al-Si-Cu。其中Al-Al的键合能最小 (25 ℃时键合强度为186.2 kJ/mol) ^[14] 。因此, 在熔点附近的熔体中主要存在Al-Si, Si-Si, Al-Si-Fe, Al-Si-Cu等类固相团簇。

对于晶界化合物相的偏析而言, 凝固速度越快, 枝晶偏析程度越小 ^[15] 。所以在即混即浇的熔体温度处理过程中, 当凝固速度很快时, 枝晶偏析将受到抑制, 如图5 (c) 和6 (c) 。当凝固速度较慢时, 如图5 (a) 和6 (a) , 枝晶偏析比较明显, 从凝固学角度分析, 没有经过熔体温度处理的凝固过程, 凝固偏析受冷却速度和液固界面的温度梯度影响较大, 如下式 ^[1] :

$- \frac{G_{Τ}^{2}}{ε} > - \frac{2 β m ω_{c 0}}{D_{L} (1 + k) (2 + k)} ? ? ? (1)$

式中 G_T—温度梯度; ε—冷却速率; β—凝固收缩率; m—液相线斜率; ω_c0—合金中溶质的平均质量分数; D_L—液相扩散系数; k—溶质分配系数。

由式 (1) 知, 温度梯度G_T小, 冷却速率ε大, 有利于偏析的形成。而经过温度处理后, 如图8, 熔体中存在很多微观上的温度起伏, 固液界面前沿的温度梯度很大, 因此, 在冷却速率一定的情况下, 经过温度处理的凝固过程有利于抑制偏析的形成。

高低温熔体混合后, 高温熔体和低温熔体要达到均匀混合需要一段时间, 均匀混合只是表示熔体宏观物性的均匀, 如熔体温度。但在微观上实际是不均匀的, 存在着明显的非平衡现象, 如温度起伏、成分起伏和能量起伏等。高低温熔体混合后, 高温熔体骤然降温, 低温熔体急剧升温, 受热力学和动力学的控制, 低温熔体中尺寸较大的、键合能较小的类固相原子团簇开始熔化, 随时间的延长, 可以设想当这些大尺寸的原子团簇熔化减小到一定尺寸时凝固过程开始, 并且这些团簇恰好达到凝固结晶非均质形核所需的尺寸, 将会有大量的形核质点存在于混合熔体之中, 最后不仅凝固组织会因此得到细化, 而且试样的力学性能也将得到提高; 如果高低温熔体混合后立即浇注, 由于混合不均匀, 低温熔体中大的类固相原子团簇没有来得及熔化, 这些大尺寸的团簇就在随后的凝固过程中成为凝固结晶的核心, 由于存在相当大的温度梯度, 因而枝晶生长速度很快, 导致最后凝固组织比较粗大, 性能较低。而当熔体混合后停留时间过长, 则容易导致低温熔体中大的原子团簇全部熔化消失, 从而使最后凝固结晶所需的核心数量减少, 这无疑与常规铸造没有什么区别。因此达不到细化组织、提高性能的目的。当然, 不同成分、不同温度的低温熔体中的原子团簇的状态是不同的, 这有待于进一步研究。