简介概要

机械振动对再生铝合金组织和力学性能的影响

来源期刊：稀有金属2014年第2期

论文作者：谭喜平宋东福郑开宏张新明

文章页码：185 - 192

关键词：再生铸造铝合金;机械振动;力学性能;

摘要：通过光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）等分析测试方法研究了机械振动对再生铸造铝合金的微观组织和力学性能的影响。结果表明:在未添加3%Al-3B的再生铸造铝合金凝固过程中施加机械振动使粗大枝晶破碎,初生α（Al）相趋于等轴晶,二次枝晶臂间距减小;在加入3%Al-3B的再生铝凝固过程中施加机械振动,能显著地细化合金中的组织并改善富铁相的形貌,使长针状的富铁相转变为短棒状或球状且均匀的分布于晶界处;同时增大振动频率还能较大幅度地改善再生铝合金的力学性能,当振动频率为40 Hz时,振动效果最佳,晶粒尺寸明显减小,由91μm减小到63μm,且二次枝晶臂间距最小,合金的室温抗拉强度和伸长率分别为171 MPa,4.74%,合金的强度和伸长率相对于无振动条件下的分别提高了约9.6%,34.6%,其合金力学性能最优。

网络首发时间: 2013-12-27 16:49

稀有金属 2014,38(02),185-192 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2014.02.003

机械振动对再生铝合金组织和力学性能的影响

谭喜平宋东福郑开宏张新明

中南大学材料科学与工程学院

广州有色金属研究院金属成型与加工技术研究所

摘要：

通过光学显微镜 (OM) 、扫描电镜 (SEM) 等分析测试方法研究了机械振动对再生铸造铝合金的微观组织和力学性能的影响。结果表明:在未添加3%Al-3B的再生铸造铝合金凝固过程中施加机械振动使粗大枝晶破碎, 初生α (Al) 相趋于等轴晶, 二次枝晶臂间距减小;在加入3%Al-3B的再生铝凝固过程中施加机械振动, 能显著地细化合金中的组织并改善富铁相的形貌, 使长针状的富铁相转变为短棒状或球状且均匀的分布于晶界处;同时增大振动频率还能较大幅度地改善再生铝合金的力学性能, 当振动频率为40 Hz时, 振动效果最佳, 晶粒尺寸明显减小, 由91μm减小到63μm, 且二次枝晶臂间距最小, 合金的室温抗拉强度和伸长率分别为171 MPa, 4.74%, 合金的强度和伸长率相对于无振动条件下的分别提高了约9.6%, 34.6%, 其合金力学性能最优。

关键词：

再生铸造铝合金;机械振动;力学性能;

中图分类号： TG146.21

作者简介：谭喜平 (1986-) , 男, 湖南攸县人, 硕士研究生, 研究方向:再生铝纯净化技术研究;E-mail:txp070819@163.com;;郑开宏, 教授级高级工程师;电话:020-37239080;E-mail:Zhkaihong2003@163.com;

收稿日期：2013-06-20

基金：广东省科技厅产学研重大科技专项项目 (2009A080205004);广州有色金属研究院青年基金项目 (2012B007) 资助;

Microstructure and Mechanical Properties of Aluminum Alloy Recycled by Cast with Mechanical Vibration

Tan Xiping Song Dongfu Zheng Kaihong Zhang Xinming

School of Materials Science and Engineering, Central South University

Institute of Metal Processing and Forming Technology, Guangzhou Research Institute of Nonferrous Metals

Abstract：

The effect of mechanical vibration on microstructure and mechanical properties of recycled casting aluminum alloy was studied by optical microscopy ( OM) and scanning electron microscopy ( SEM) . The experiment results showed that mechanical vibration could make the bulky dendrite break, and the primary phase α was transformed into isometric crystal and the secondary dendrite arm space of alloy decreased during the process of solidification of recycled cast aluminum alloy without addition of 3% Al-3B. The grain size of recycled aluminum alloy with addition of 3% Al-3B and morphology of β phase ( AlSiFe) could be markedly improved through mechanical vibration in the process of solidification with the increase of vibration frequency, the morphology of β phase ( AlSiFe) transformed from long needle-like into short rod-like which uniformly distributed in the grain boundary. The increase of mechanical vibration frequency could also strongly improve the mechanical properties of recycled casting aluminum alloy. When the frequency was 40 Hz, vibration was optimal, the grain size significantly decreased from 91 to 63 μm and the secondary dendrite arm space of alloy arrived at minimum, whose ultimate tensile strength and elongation were 171 MPa and 4. 74% respectively, the values of tensile strength and elongation of recycled casting aluminum alloy were increased by 9. 6% and 34. 6% respectively compared with that under vibration frequency of 0 Hz, and the mechanical properties was ultimate.

Keyword：

recycled casting aluminum alloy; mechanical vibration; mechanical properties;

Received： 2013-06-20

A356 铸造铝合金以其优良的铸造性能、加工性能及力学性能, 广泛应用于航空航天、轮船、汽车工业、电子电器等领域, 是目前应用最广泛的Al-Si系列铸造铝合金之一^［1］。然而, 再生铝中杂质种类繁多, 且极易熔入高含量的Fe, 当铁含量超标后, 在铸造铝合金中形成粗大针状或板片状的富铁相, 既硬又脆, 严重地割裂基体, 使铝合金的力学性能急速下降。因此改变富铁相在铝合金中的存在形态, 以达到减小其对力学性能的危害一直是研究的热点。因此, 采用了许多办法改善富铁相的形貌。如加入中和元素^{［2 － 4］}、熔体高温过热^［5］、热处理^［6］、快速凝固^［7］, 这些方法虽然各有优点, 但也存在一些不足, 如工艺复杂、成本过高等。而机械振动被引入金属凝固领域的研究已有较长时间, 研究表明在合金凝固过程中施加振动能促进渣气析出和上浮、增强金属液体补缩等, 同时还会影响合金中第二相的形态、大小及分布, 从而使铸件金相组织得以改善, 铸件综合性能得到提高^{［8 － 13］}, 然而机械振动对再生铸造铝合金中富铁相形貌的影响及其机制的研究报道很少。本文作者在前期的研究工作基础上, 即探索了添加3%Al-3B对含0. 96% Fe的再生铸造铝除铁效率达到最优, 但还不能完全去除再生铸造铝合金中杂质铁的影响, 因此, 为了进一步减小残留杂质铁对力学性能的危害, 研究了机械振动对再生铸造铝合金富铁相形貌的影响, 并初步探讨了机械振动影响富铁相形貌的作用机制。

1 实验

实验的再生A356 铸造铝锭来自于某废品厂。熔炼采用配以KSW-12-12A型调节式测温控制仪的石墨坩埚电阻炉, 为了避免增铁现象, 熔炼均采用非铁质工具, 熔炼温度为730 ℃, 待铝完全熔化后, 加入3% Al-3B中间合金和几种复合盐组成的除铁剂, 精炼温度为720 ℃, 经过搅拌、扒渣后, 静置90 min, 浇铸温度为710 ~720 ℃, 铸锭均采用固定在低频机械振动台的180 mm × 20 mm × 80 mm规格的金属型浇注 ( 实验方案如表1) , 振动时间60 s后关闭振动台, 待其自然冷却后取出试样。截取试样制备金相, 经粗磨、细磨、抛光, 用0. 5%HF水溶液腐蚀15 s, 在Leica DM IRM光学显微镜 ( OM) 下观察与分析其显微组织; 制备力学性能试样并在Crims DNS200 型电子万能材料试验机上进行力学性能试验; 在JEOL JXA-8100 型扫描电子显微镜 ( SEM) 上进行金相及断口形貌观察。

2 结果

2. 1 振动频率对铸态显微组织的影响

图1, 2 分别为未添加3% Al-3B的中间合金和添加3% Al-3B的中间合金后再生铸造铝合金在不同机械振动频率下铸态显微组织照片。从图1 可以看出, 在没有振动条件下, 再生铸造铝合金显微组织具有以下特点: 白色初生相 α ( Al) 固溶体比例较高, 初生相 α ( Al) 按枝晶形态生长, 晶粒较大且二次枝晶发达、晶界较薄并含有大量的缩孔等缺陷, Si主要以灰色骨骼状或块状不均匀分布于共晶相中, 且长针状的富铁相也混杂在其中, 排列杂乱无章、均匀性较差, 严重地割裂基体, 破坏基体的连续性; 随着振动频率的增加, 枝晶开始发生破碎, 逐步转化为等轴晶, 且二次枝晶间距逐渐减少, 但富铁相的形貌未发生明显的改变。在添加3% Al-3B后再生铸造铝合金施加不同频率机械振动, 由图2 可知, 合金的显微组织和富铁相形貌均发生变化, 在不进行机械振动时, 合金组织的初生相比未添加Al-3B得晶粒更细化, 但二次枝晶发达, 当振动频率10 Hz时, 组织中的部分枝晶被打断但不明显, 组织仍为完整的的枝晶, 晶粒中的缩孔等缺陷消失, 同时粗大的硅相得到破碎, 在枝晶与枝晶之间具有少量的块状共晶体, 但整体仍以同一枝晶的二次枝晶臂之间的片状共晶体为主; 富铁相形貌由于振动使局部温度超过针状富铁相的熔点而发生熔断使其短化, 但仍以长针状为主; 振动频率为20 Hz时, 枝晶组织碎化更为明显, 获得部分的细小等轴晶, 晶界清晰, 部分晶界处的Si相分布均匀, 具有较多块状共晶体, 且长条状的富铁相进一步被短化; 当振动频率为30 Hz时, 组织中的枝晶明显破碎, 形成了一些细小的枝晶, 组织不均匀但比没有振动的铸态组织有明显的改善。振动频率为40 Hz时, 枝晶大部分被打断, 获得大量均匀分布的等轴晶, 晶粒尺寸明显减小 ( 如图3 所示) , 由91 μm减小到63 μm, 且二次臂间距亦减小, 同时有大量长针状的富铁相转变为短棒状或粒状的富铁相, 合金组织得到最好的优化; 当振动频率为50 Hz后, 使合金沿着晶界分布着微观缩松, 这是因为在较大振动频率作用下, 金属液与已凝固枝晶发生较强的相对运动, 使金属液难以进入待补缩的枝晶间, 从而当合金凝固后, 晶粒之间尚未补缩的空间就被遗留下来, 而形成了显微缩松。

表1 变频试验方案Table 1 Scheme of changing frequency experiment 下载原图

表1 变频试验方案Table 1 Scheme of changing frequency experiment

图 1 不同振动频率对未添加 3% Al-3B 的再生铸造铝合金的铸态显微组织照片Fig． 1 OM images of recycled cast aluminum without addition of 3% Al-3B under different mechanical vibrations

( a) 0 Hz; ( b) 10 Hz; ( c) 20 Hz; ( d) 30 Hz; ( e) 40 Hz; ( f) 50 Hz

图2 不同振动频率对添加3% Al-3B的再生铸造铝合金的铸态显微组织照片Fig. 2 OM images of recycled cast aluminum with addition of 3% Al-3B under different mechanical vibrations

(a) 0 Hz; (b) 10 Hz; (c) 20 Hz; (d) 30 Hz; (e) 40 Hz; (f) 50 Hz

2. 2 机械振动对再生铸造铝合金的力学性能的影响

图4 为不同振动频率下再生铸造铝合金的室温力学性能, 在机械振动下再生铸造铝合金的抗拉强度和延伸率都有所增加。无机械振动时, 再生铸造铝合金抗拉强度为155 MPa, 随着振动频率的增加, 在频率为40 Hz时, 抗拉强度达到了最大值171 MPa。与没有施加机械振动时的抗拉强度相比, 施加机械振动后铝合金的最大抗拉强度增加了约9. 6% 。无机械振动时, 其合金的伸长率为3. 16% , 随着频率的增加, 伸长率逐渐增加, 在振动频率为40 Hz时, 伸长率达到了最大值为4. 83% , 与没有施加振动合金的伸长率相比, 机械振动将再生铸造铝合金的伸长率提高了约34. 6% 。这主要是因为在施加机械振动后, 再生铝合金的力学性能普遍得到了提升, 这是因为枝晶发生碎化, 晶粒变小, 从而造成晶界强化, 合金强度提高, 同时与富铁相的形貌、大小、分布有关, 其中细晶强化起主要作用。机械振动使合金中富铁相有粗大的针片状的转变为短棒状、球状的网状结构, 均匀的分布在Al基体的晶界上, 降低了其对基体的割裂作用, 减轻了沿晶脆性倾向, 从而有效提高钝化效果, 提高了其拉伸性能。继续增加振动频率到50 Hz时, 其抗拉强度与伸长率变化不大, 且有下降的趋势, 这是合金的内部组织决定的, 由图2 ( f) 可以看到, 晶界处分布着微观缩松, 这些微观缩松严重地削弱了晶粒的结合强度, 使合金的抗拉强度降低。

图3 不同振动频率对添加3% Al-3B再生铸造铝合金的枝晶间距的影响Fig. 3Influence of mechanical vibration on dentritic distance of recycled cast aluminum with addition of 3% Al-3B

图4 不同振动频率下再生铸造铝合金的室温力学性能Fig. 4 Mechanical properties of recycled cast aluminum under different mechanical vibrations at room temperature

2. 3 拉伸断口分析

图5 为不同振动频率条件下对添加3% Al-3B的再生铸造铝合金拉伸断口形貌的SEM照片, 由图可以看出, 未施加机械振动时, 再生铸造铝合金常温拉伸断口存在较大的解理面, 表明断裂方式是以准解理为主的脆性断裂。断口处还可见有明显的河流花样, 并伴有大量的二次解理面, 当裂纹扩展到一定程度时, 因裂纹尖端的应力集中造成较大应力, 会在裂纹尖端处产生二次裂纹。二次裂纹与初始裂纹垂直, 二次裂纹的形成与扩展加速了材料的断裂, 增大了脆断的倾向。当振动频率增加到30 Hz时, 合金虽然也以解理形式断裂, 但其解理面较小, 且二次解理面也较少, 并在解理面边缘呈现有撕裂的特性, 这说明机械振动改善了再生铸造铝合金的显微组织, 因而合金的力学性能有较大幅度的提高。随着振动频率增加到40 Hz, 枝晶发生碎化, 晶粒变小, 则晶界面积越大, 晶界越曲折, 不利于裂纹的扩展, 从而造成晶界强化, 同时富铁相转变成短棒状和粗大的共晶硅相也呈现颗粒状, 这些相所能承受的应力要大, 而且有一部分裂纹穿过铝基体后绕过了颗粒状共晶硅和短棒状的富铁相, 降低了对基体连续性的破坏, 使基体塑性得以发挥, 因而合金的力学性能进一步的提高。当频率为50 Hz时, 断口表面多处出现铸造缺陷, 且初生相的断面增大并出现少量的二次解理面。此时缩松缺陷是材料最薄弱的区域, 裂纹源更易于在缺陷处萌生形核, 并快速的扩展生长, 当裂纹扩展遇到与裂纹前进方向相异的缺陷时, 将会加速裂纹的扩展, 最后导致试样发生断裂。

图 5 不同振动频率下对添加 3% Al-3B 的再生铸造铝合金的拉伸断口形貌Fig． 5 Tensile fracture SEM images of recycled cast aluminum with addition of 3% Al-3B under different mechanical vibrations

( a) 0 Hz; ( b) 30 Hz; ( c) 40 Hz; ( d) 50 Hz

3 分析与讨论

由试验结果可知, 施加机械振动可以提高再生铸造铝合金的强度与塑性, 而合金性能的改善与合金中主要共晶Si相及富铁相的数量、大小和分布以及晶粒细化、晶界净化有关。

铝熔体在凝固阶段先发生匀晶反应, 从液相中析出初晶 α ( Al) ; 当液相达到共晶点时再发生共晶反应, 形成共晶组织。因此, 合金最终的凝固组织主要为由白色初晶 α ( Al) 和灰色共晶硅两相组成的亚共晶组织。当铸造铝合金中含有铁杂质元素后, 在凝固阶段先析出 α ( Al) , 当液相达到共晶点时发生共晶反应^［14］, 形成三元共晶组织 α ( Al) + Si + β ( Al Fe Si) , 而Fe在Al中的扩散速度非常慢, 通过热处理工艺改变合金富铁相的形态和尺寸效果不佳, 所以对于含0. 96% Fe的再生铸造铝合金来说, 铸态组织基本决定了该合金的力学性能, 要想提高其强度, 只有通过控制凝固过程来细化铁相。金属凝固是晶核形成与长大的过程, 而决定晶粒长大方式和长大速度的主要因素是晶核的界面结构和界面前沿液体中的温度梯度^［15］, 当液相中只有扩散而无对流或搅拌, 在晶粒长大的同时, 不断排出的溶质便在固液界面处堆积, 形成具有一定浓度的溶质边界层, 该溶质浓度随距界面的距离的增加而减小, 又因为合金的平衡结晶温度随溶质浓度的增加而降低, 故其平衡结晶温度也将随离固液界面处的距离增加而上升, 铸型浇注时固液界面前沿一定范围内的液相, 其实际温度低于平衡结晶温度, 出现了一个过冷区域, 而这个过冷区域是由于界面前沿中的成分差别引起的, 当在凝固过程中施加机械振动后, 他会使合金的溶质成分扩散速度加快, 扩散均匀, 凝固前沿的凝固温度升高, 溶质浓度梯度将低, 成分过冷区变窄, 不同程度的抑制柱状树枝晶的生长速度, 使柱状树枝晶趋于等轴晶, 还可以缓解凝固组织的偏析状况。而且, 机械振动会使铝熔体内产生空化作用, 形成大量的空穴, 当这些空穴破裂后, 空穴周围的液体就会将其填充, 液体流动会增大微区的局部压力, 根据Clausius-Clapeyron公式^［16］

d P为铝液的压强变化量, d T_F凝固平衡温度变化量, ΔV_m为铝液的体积变化量, T_m合金的熔点温度, ΔH_m为液体平均摩尔汽化热。

根据这个关系, 液相在转变为固相的过程中, 其体积是减小的, 由公式 ( 1) 可知, 合金的熔点温度与压强的改变值成正比, 合金的熔点温度随着压强改变值的增大而增加。所以机械振动能够在一定程度上提高再生铸造铝熔点的温度, 使金属液结晶的实际过冷度增加, 促进形核; 同时, 振动使金属液对流运动增强, 促进了液固界面处枝晶的熔断, 型壁晶粒脱落及其后续增殖, 还能均匀金属液温度场, 有利于晶核同时析出, 而且液体对流加剧, 提高金属液导热能力, 增加了冷速, 使析出的晶粒来不及长大, 形成了细小的等轴晶。

未经变质处理的A356 铝合金断裂模式为穿晶断裂, 裂纹萌生于共晶硅粒子与基体结合处并沿着枝晶胞扩展^［17］, 而再生铝合金在重熔过程中会不可避免的带入一部分杂质铁元素, 容易在铝硅合金凝固过程中形成粗大的长针片状的 β^［18］ ( Al-Si Fe) 的富铁相, 富铁相与Si相与塑性的铝基体相比都是脆性相, 但富铁相的形貌与断裂行为与Si相不完全相同, Si相发生断裂时会在临近Al基体上产生一定的塑性变形。而富铁相没有发生塑性变形, 因为裂纹萌生位置不但与Si相、富铁相的大小有关, 而且与它们所处的环境有关, Si相、富铁相所处的位置不同, 受力也就不同, 因此发生断裂的难易程度就不同; 而且针片状的富铁相又是非常活跃的气孔形核基底, 微小的气孔造成枝晶区域内的显微疏松, 是材料最薄弱的区域, 更易于裂纹源萌生, 而且它形成位置将决定裂纹的扩展和传播路径。因此在外力作用下, 多处萌生的裂纹沿着富铁相扩展, 发生长大, 并连接到一起, 形成较长的裂纹, 最后导致试样发生断裂。