简介概要

冷却速度对多元铝硅铸造合金组织与性能的影响

来源期刊：稀有金属2020年第4期

论文作者：高续森郭永春马志军王建利杨忠李建平

文章页码：394 - 400

关键词：快速凝固甩带;水冷铜模铸造;多元铝硅合金;显微组织;显微硬度;

摘要：近共晶多元Al-Si合金在汽车、航空、军事领域有广阔的应用前景,通过改变合金冷却速度可以有效改善合金的显微组织。本文通过快速凝固甩带和水冷铜模铸造技术获得Al-11.5Si-4Cu-2.7Ni-Mg-0.45Fe合金,采用金相显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X射线衍射（XRD）等分析测试手段,研究了两种冷却速度对合金微观组织和显微硬度的影响。结果表明,甩带样品的硬度相对水冷铜模样品提高32.22%。此外,水冷铜模铸造使合金显微组织中初生硅尺寸相对常规金属型铸造明显减小;快速凝固甩带样品元素分布较水冷铜模样品更加均匀,甩带样品的微观组织由等轴状α-Al枝晶及少量非晶相组成,不存在明显的凝固析出AlCuNi相,尤其是没有明显Si相的析出。而且,快速凝固甩带试样中Fe元素含量在不同的位置差距比较大,而Mg,Ni,Cu元素的含量差距不大,这与不同金属元素的晶格结构有关。快速凝固甩带的铝相各峰的极值位置相对于水冷铜模向左偏移,即衍射发生小角度偏移,这与合金元素的过固溶有关。

网络首发时间: 2019-06-26 17:03

稀有金属 2020,44(04),394-400 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy19030036

冷却速度对多元铝硅铸造合金组织与性能的影响

高续森郭永春马志军王建利杨忠李建平

西安工业大学材料与化工学院

摘要：

近共晶多元Al-Si合金在汽车、航空、军事领域有广阔的应用前景,通过改变合金冷却速度可以有效改善合金的显微组织。本文通过快速凝固甩带和水冷铜模铸造技术获得Al-11.5Si-4Cu-2.7Ni-Mg-0.45Fe合金,采用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)等分析测试手段,研究了两种冷却速度对合金微观组织和显微硬度的影响。结果表明,甩带样品的硬度相对水冷铜模样品提高32.22%。此外,水冷铜模铸造使合金显微组织中初生硅尺寸相对常规金属型铸造明显减小;快速凝固甩带样品元素分布较水冷铜模样品更加均匀,甩带样品的微观组织由等轴状α-Al枝晶及少量非晶相组成,不存在明显的凝固析出AlCuNi相,尤其是没有明显Si相的析出。而且,快速凝固甩带试样中Fe元素含量在不同的位置差距比较大,而Mg,Ni,Cu元素的含量差距不大,这与不同金属元素的晶格结构有关。快速凝固甩带的铝相各峰的极值位置相对于水冷铜模向左偏移,即衍射发生小角度偏移,这与合金元素的过固溶有关。

关键词：

快速凝固甩带;水冷铜模铸造;多元铝硅合金;显微组织;显微硬度;

中图分类号： TG146.21

作者简介：高续森(1995-),男,河南新乡人,硕士,研究方向:铝合金基复合材料;E-mail:2942888798@qq.com;;*郭永春,教授;电话:13519108385;E-mail:yc-guo@163.com;

收稿日期：2019-03-20

基金：陕西省创新人才推进计划-科研创新团队项目(2017KCT-05);陕西省重点研发计划-工业领域项目(2018GY-111)资助;

Microstructure and Properties of Multi-Al-Si Casting Alloy with Cooling Rate

Gao Xusen Guo Yongchun Ma Zhijun Wang Jianli Yang Zhong Li Jianping

School of Materials and Chemical Engineering,Xi'an Technological University

Abstract：

Near-eutectic Al-Si multi-component alloy has broad application prospects in automotive,aerospace and militaiy fields,and the microstructure of the alloy could be effectively improved by changing the cooling rate of the alloy.In this paper,Al-11.5 Si-4 Cu-2.7 Ni-Mg-0.45 Fe alloy was obtained by rapid solidification and water-cooled copper casting technique,and analyzed by metallographic microscope(OM),scanning electron microscopy(SEM),transmission electron microscopy(TEM) and X-ray diffraction(XRD).The effect of two cooling rates on the microstructure and microhar-dness of the alloy were studied.The results showed that the hardness of the rapid solidification sample was increased by 32.22% compared to that of the water-cooled copper casting sample.In addition,the water-cooled copper casting significantly reduced the size of the primary silicon in the microstructure of the alloy compared with the conventional metal casting.The element distribution of the rapidly solidified annealed sample was more uniform than that of the watercooled copper mold,the microstructure of the rapid solidification sample consisted of equiaxed a-Al dendrites and a small amount of amorphous phase,and there was no obvious solidification and precipitation of AlCuNi phase,especially no precipitation of significant Si phase.Moreover,the content of Fe in the samples of rapid solidification was larger at different positions,while the content of Mg,Ni and Cu was not much different,which was related to the lattice structure of different metal elements.The extreme positions of the peaks of the aluminum phase of the rapidly solidified lanthanum were shifted to the left relative to the water-cooled copper mold,that was,the diffraction had a small angular shift,which was related to the over solid solution of the alloying elements.

Keyword：

rapid solidification; water-cooled copper casting; multi-element Al-Si composite material; microstructure; microhardness;

Received： 2019-03-20

多元近共晶Al-Si铸造铝合金由于具有低热膨胀系数、良好耐磨性和抗蚀性等优异的综合力学性能,在汽车,航空与军事工业中有广阔的应用前景 ^[1,2,3] 。但是在常规铸造条件下,这类合金会形成粗大的初生硅、共晶硅以及其他第二相。这种组织会割裂基体,严重损害合金的力学性能和铸造性能,制约该类合金的进一步应用。

冷却速率是影响材料组织和性能的关键因素之一。高的冷却速率可以降低晶粒尺寸,减少材料孔隙率,使材料具有一系列优异性能,如高的强度、硬度、韧性、耐磨性、抗氧化性、耐蚀性及良好的电化学性能和磁学性能 ^[4] 。快速凝固甩带是近几年最热门的快速凝固工艺,利用Fluent软件模拟及数值模拟可以估算出快速凝固甩带的冷却速度为(2～6)×10⁶ K·s^-1 ^[5,6,7] 。目前界内对镍基、铜基、铁基的快速凝固甩带均有一定的研究 ^[8,9,10,11] 此外,对于Al-Si合金,高的冷却速率会减小初生硅,共晶硅以及其他第二相尺寸,从而大大提高合金的力学性能。Hosseini等 ^[12] 研究了冷却速率(0.1～50.0 K·s^-1)对LM13合金的影响,研究发现高的冷却速率可以提高合金的初始形核温度和共晶反应温度,细化初生硅,减小二次枝晶间距以及合金孔隙率。余海洋等 ^[13] 研究了冷却速率和热处理对Al-9.5Si-2Cu-0.4Mg-0.5Ni铸造合金组织和性能的影响,结果显示,随着冷却速度的增加,合金的二次枝晶臂间距减小,抗拉强度,屈服强度以及硬度都有很大提高。目前对于冷却速率对于合金组织和性能的影响主要集中在0.1～50.0 K·s^-1之间,关于更高冷却速率对与合金组织的作用鲜有文献报道。对铝合金的快速凝固甩带研究表明,合金组织主要由铝相和部分非晶成分组成 ^[14] 。2017年,Lin等 ^[15] 通过甩带凝固技术得到了更高显微硬度的7050铝合金。

本文以Al-11.5Si-4Cu-2.7Ni-Mg-0.45Fe铸造铝合金为研究对象,采用快速凝固甩带和水冷铜模工艺,探讨极端冷速条件对Al-11.5Si-4Cu-2.7NiMg-0.45Fe铸造铝合金微观组织结构和性能的影响。以期为甩带和水冷铜模凝固技术在工业上的应用打下坚实的理论基础。

1 实验

1.1 母材的制备

实验采用由西安工业大学复合材料研究所研发的多元铝硅合金为母材,原料为纯铝、Al-10Ni中间合金、Al-50Cu中间合金、Al-20Fe中间合金、纯镁以及纯硅。材料的配比严格按照质量分数Al-11.5Si-4Cu-2.7Ni-Mg-0.45Fe进行,采用中频感应设备对材料进行熔炼,具体熔炼工艺参考文献 [ 16] 。得到的合金实测成分如表1所示。

表1 活塞合金实测成分下载原图

Table 1 Plug alloy measured conmposition (%,mass fraction)

1.2 快速凝固试样的制备

快速凝固甩带在单辊旋转甩带机上制备,采用感应熔炼的方法将母材熔化,待熔化结束后在一定的Ar气压力下快速喷射至高速旋转的辊轴上。单辊的旋转速度为1500 r·min^-1,甩带宽度为4～6 mm,厚度为200μm。

水冷铜模(冷却速率100 K·s^-1 ^[17] )注射成形法是将合金熔体在一定压力的Ar气作用下快速注入水冷铜模,完成凝固过程,获得棒状试样,试样直径为4 mm。

1.3 组织观察与性能测试

取多条快速凝固甩带试样重叠放置、截取5mm长水冷铜模铸造试样分别进行镶嵌。利用莱卡DM2700M正置金相显微镜(OM)、VEGA·ⅡXMU扫描电子显微镜(SEM)、JEM-2010透射电子显微镜(TEM)对试样进行组织观察、相成分分析;利用XRD-6000X射线衍射仪(XRD)对试样进行相成分分析分析;通过显微硬度测试仪测试试样的显微硬度,对比不同快速凝固工艺对合金力学性能的影响。

2 结果与讨论

2.1 显微组织分析

2.1.1 不同冷速对凝固组织的影响

图1是水冷铜模试样与快速凝固甩带试样的显微组织。

常规金属模铸造得到的活塞合金中初生硅平均尺寸为21.6μm ^[18] ,从图1中可以看出,水冷铜模浇铸的合金的组织已经明显细化,初生硅相的尺寸在2～5μm之间,分散比较均匀(图1(a))。快速凝固甩带试样的金相照片中没有观察到初生硅相。相对于水冷铜模试样,甩带试样中的组织更加细小,组织分布更加均匀。除了基体以外不存在明显的相(图1(b))。

图1 水冷铜模浇铸试样与快速凝固甩带试样金相照片

Fig.1 OM images of water-cooled copper mold casting sample and rapid solidification rejection sample

(a) Water-cooled copper mold;(b) Rapid solidification rejection

水冷铜模中初生硅相细小的原因主要是凝固过程中冷却时间短,溶质分配时间有限,抑制了初生硅相的小平面生长,导致初生硅相来不及长大。快速凝固甩带的冷却速度远远高于水冷铜模,冷却时间更短,凝固后合金元素在基体中的固溶度保持了其高温水平,冷却过程中初生硅相来不及形核,因此甩带的金相照片中看不见明显的第二相。

2.1.2 不同冷速对合金元素分布的影响

快速凝固可以使凝固后的试样中的元素保持不同水平的固溶度和偏析,这导致合金中的相不同于常规凝固中的相,通过扫描电镜分析可以得到水冷铜模浇铸与快速凝固甩带对合金中元素分布的影响,通过对合金中不同的相进行能谱分析,可以获得冷速对不同元素偏析的影响。

从图2中可以看出,水冷铜模合金中依然有明显的第二相,说明在冷却过程中,元素存在明显的偏聚(图2(a))。相对水冷铜模,快速凝固甩带的组织更加均匀,不存在明显的相,但是从衬度可以看出,部分合金元素依然发生了偏聚(图2(b))。

如图2(a)所示,对水冷铜模浇铸得到的多元铝硅合金试样组织不同的部位进行能谱(EDS)分析,得到相成分组成如表2所示。由于在背散射状态下硅相与铝基体相衬度接近,无法准确分辨,因此确定了除硅相以外其他几种相的成分。

表2 水冷铜模浇铸试样扫描能谱分析结果下载原图

Table 2 Water-cooled copper mold casting sample scanning energy spectrum analysis results (%,mass fraction)

图2 水冷铜模浇铸试样与快速凝固甩带试样扫描照片

Fig.2 SEM images of water-cooled copper mold casting sample and rapid solidification rejection sample

(a) Water-cooled copper mold;(b) Rapid solidification rejection

由表2不同相元素分布可以看出,不同的相中Al的含量在60%～75%之间,可见除初生硅相以外,其他相全部为以α-Al为基体的固溶体。此外,从表2中可以看出,成分差距比较大的元素有Si,Fe,相对来说差距比较小的元素有Mg,Ni,Cu。

如图2(b)所示,对快速凝固甩带试样组织不同的部位进行EDS分析,得到相成分组成如表3所示。

如表3所示,在衬度不同的3个位置分别测试各元素的含量,结果表明,Fe元素含量在不同的位置差距比较大,而Mg,Ni,Cu的含量差距不大,这与水冷铜模试样的测试结果相同。

已知Ni,Cu的晶体结构与Al相同,均为面心立方结构。Mg属于密排六方结构。Fe比较特殊,它既具有面心立方结构的γ-Fe,又有体心立方结构的α-Fe。这些元素的晶体结构能很好的解释上述不同元素分布的现象。由于相同晶体结构的元素更容易结合,而且密排六方结构与面心立方结构都属于密排结构,所以上述结果中Mg,Ni,Cu 3种元素分布较均匀,而体心结构与面心结构差距较大,在相同的条件下,具有体心立方结构的α-Fe更容易从基体中析出,因此会出现Fe元素分布不均匀的现象。

2.2 甩带试样透射分析

为进一步分析快速凝固甩带试样的微观组织,对该试样进行透射电镜分析。

图3给出了甩带试样透射电镜组织和对应选区的衍射花样及能谱图。组织由大量的不规则等轴晶与少量晶间组织组成。等轴晶晶粒尺寸为1μm左右,经标定为α-Al,对EDX1,EDX2两处进行能谱分析,显示结果也表明等轴晶为α-Al。晶间组织呈细小的枝状,该组织中存在大量的硅和其他合金元素。

图4为等轴晶与晶间区域界面处的高分辨图片与晶间区域的衍射斑点图。界面以右为α-Al相,从高分辨照片中可以看出,界面右侧原子规则分布,而左边分布较为混乱,说明多种合金混合的晶间组织不具有晶体长程有序的特征。而该区域的衍射斑点特征进一步说明该区域的组织为非晶和纳米多晶的混合体。

表3 快速凝固甩试样扫描能谱分析结果下载原图

Table 3 Rapid solidification sample scanning energy spec-trum analysis results (%,mass fraction)

图3 甩带试样透射电镜组织和对应选区的衍射花样及能谱图

Fig.3 TEM image (a) and corresponding selection of rapid so-lidification rejection sample (b)

图4 界面处的高分辨图片与晶间区域的衍射斑点图

Fig.4 High resolution image at interface (a) and diffraction spot map of intergranular region (b)

在透射测试中对甩带试样进行EDS分析,结果如表4所示,从EDS结果中可以看出,等轴晶的成分为Al及少量的Si和Cu,这与前面的分析结果一致。晶间组织的元素成分与等轴晶差异较大,主要为Al,Si,Cu,Ni,由于Fe和Mg在合金中含量较少且可能在晶间组织中偏聚,因此能谱显示这两种元素含量较少。

表4 等轴晶与晶间组织的元素组成下载原图

Table 4 Elemental composition of equiaxed crystals and intergranular organization (%,atomic fraction)

硅元素在液相中呈纳米级的小颗粒聚集状态,其他合金元素在液相中均匀分布,在快速凝固甩带形成的过程中,由于凝固时间极短,该时间远小于合金元素聚集结晶的时间,因此只有铝聚集成了细小的晶粒,而其他元素以及硅团簇聚集在晶间形成了排列无序的非晶结构,因此可以检测出该区域有非晶的存在。合金快速凝固后的组织与平衡态组织相比发生了明显的变化,形成了大量的α-Al等轴晶和少量的非晶。

2.3 X射线衍射相分析

图5是水冷铜模浇铸与快速凝固甩带试样的X射线衍射图。从图中可以看出,这两种试样都含有铝相、富铁相、铝镍相。但是水冷铜模浇铸试样中有硅相,而快速凝固甩带中不存在硅相,但在28.62°处出现一个明显宽化具有圆弧状趋势的峰。

将铝相的5个峰顶对应的衍射角度列表如表5所示。可以看出快速凝固甩带试样(RS)的铝相峰相对水冷铜模浇铸试样(WCMC)发生左移。

造成快速凝固甩带试样中硅相峰明显减少的主要原因是:相对于水冷铜模工艺,甩带的凝固速率大大提高,凝固时间短,瞬间从高温的液态凝固为固态,使得材料中的硅原子及团簇来不及聚集形核长大。反映在金相照片中即快速凝固甩带试样中不存在硅相。虽然甩带试样的X射线衍射中不存在明显的硅相,但是与硅相第一个峰对应衍射角度有一个明显宽化且峰顶不尖锐的峰。这是由于,硅原子在晶界处聚集,而其他元素由于凝固时间短大量固溶于这些硅原子团簇中,导致了峰的宽化,同时由于大量的合金元素打破了硅团簇之间的长程有序状态,使得出现了非晶的倾向。

图5 水冷铜模浇铸与快速凝固甩带试样X射线衍射图

Fig.5 XRD patterns of water-cooled copper mold casting and rapid solidification rejection samples

表5 铝相峰封顶对应衍射角度下载原图

Table 5 Aluminium phase peak caps correspond to dif-fraction angles

快速凝固甩带的铝相各峰的极值位置相对于水冷铜模向左偏移,即衍射发生小角度偏移,的原因也与合金元素的过固溶有关。甩带试样组织中的晶间组织主要为各种合金元素在铝和硅中的过饱和固溶体。各类合金元素平均晶格常数远远大于铝本身,当大量体积较大的元素固溶在铝之中时会导致铝相的晶格常数增大,从而导致衍射峰的小角度偏移。

2.4 显微硬度测试及分析

水冷铜模浇铸与快速凝固甩带的方法冷却速度极快,使得合金的组织发生明显变化。这种组织上的变化必定会影响合金性能的变化。两种试样显微硬度测试结果如下:

不同材料的显微硬度如图6所示,图6中展示的3种材料分别是常规金属模浇铸、水冷铜模浇铸和快速凝固甩带。从柱状图中可以看出不同工艺得到的材料多次测量的显微硬度的平均值以及标准差。

显微硬度测试结果的均值表明,经水冷铜模浇铸和快速凝固甩带得到的试样显微硬度相比常规的金属模浇铸有明显的提高,快速凝固甩带的硬度比水冷铜模浇铸的试样硬度提高约32.22%。从硬度的标准差可以看出,水冷铜模浇铸和快速凝固甩带试样显微硬度的偏差均小于常规浇铸。从组织分析中可以看出快的冷却速度使其组织处于亚稳态结构,较多的亚晶界也会对显微硬度有增强作用。组织的均匀化是快速凝固甩带试样硬度标准差较小的原因。