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晶粒细化对半固态Al-7%Si合金流变行为的影响

时间:2012-11-24 02:51:00 来源: 点击:4368次
严 密 (浙江大学材料科学与工程系,浙江 杭州 310027) 摘要:研究了化学晶粒细化对半固态亚共晶Al-7%Si合金流变行为的影响,添加细化剂为K2TiF6、K2TiF6+石墨、K2TiF6+Ti以及Al-5Ti-B,采用Couette同轴圆筒式黏度计测量合金的表观黏度变化,并观测在不同固相

严 密

(浙江大学材料科学与工程系,浙江 杭州 310027)


摘要:研究了化学晶粒细化对半固态亚共晶Al-7%Si合金流变行为的影响,添加细化剂为K2TiF6、K2TiF6+石墨、K2TiF6+Ti以及Al-5Ti-B,采用Couette同轴圆筒式黏度计测量合金的表观黏度变化,并观测在不同固相质量分数下试样的微观组织。实验结果表明,化学细化法可有效细化晶粒,明显改善半固态Al-7%Si合金的流变性能,大大降低其表观黏度;Al-5Ti-B细化效果最明显,K2TiF6和石墨或Ti的组合较单一的K2TiF6细化效果显著。

关键词:半固态;细化剂;表观黏度;亚共晶Al-Si合金

Effects of grain refining on rheological behavior of semi-solid Al-7%Si alloy

YAN Mi

(Department of Material Science and Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)


Abstract:The effects of grain refining on the rheological behavior of hypoeutectic Al-7%Si alloy were experimentally investigated.K2TiF6,K2TiF6 plus graphite,K2TiF6 plus Ti and Al-5Ti-B were selected as refiners. The apparent viscosity of semi-solid Al-Si alloys during solidification was measured using Couette viscometer. Samples with different solid fractions were quenched to observe the microstructures. It is found that chemical refining processing can significantly refine the microstructure of semi-solid A1-Si alloy. Grain refining notably lowers the apparent viscosity of semi-solid A1-7%Si alloy, which leading to the improvement of rheological behavior.Among selected refiners,the effect of A1-5Ti-B is the best.The effect of K2TiF6 plus graphite or Ti is better than that of K2TiF6 alone.

Key words:semi-solid;refiner;apparent viscosity;hypoeutectic A-Si alloy


自20世纪70年代初美国麻省理工学院Spencer等人[1]开发出半固态金属成形方法以来,该方法即以其一系列独特的优点和潜在的应用前景得到迅速发展。目前半固态金属成形研究主要集中在半固态合金制备、枝晶演变机理、流变行为和触变行为,以及半固态合金充型过程的数值模拟等。半固态合金制备是半固态金属成形的关键,目前主要通过机械搅拌法、电磁搅拌法、超声振动搅拌法、应变激活法、喷射沉积法、紊流效应法和化学细化法[2-6]等获得。化学细化法通过加入化学细化剂细化晶粒并抑制枝晶生长,无需特殊的搅拌系统即可获得半固态浆料,具有巨大的发展潜力。在美国、瑞士等国,化学细化法已应用于镁合金的生产。

半固态合金流变学作为成形的重要理论基础倍受关注,目前一般采用Couette[7]或Searle[8]同轴圆筒式黏度计测定合金的表观黏度来研究。国内外在这方面已经取得许多研究成果,但研究还不完善。亚共晶Al-7%Si合金是应用非常广泛的铝合金,若能通过化学细化法进行半固态生产,意义十分重大。本文对亚共晶Al-7%Si合金加入不同的化学细化剂,主要研究其表观黏度的变化、合金微观组织以及两者之间的关系。

1 实验方法

实验用Al-7%Si合金采用纯度为99.9%的工业纯铝和纯度为99.99%的纯硅自行熔炼配置。将在8kW电阻炉中精炼好的Al-7%Si液态合金转入石英坩埚中,按预定质量分数分别加入细化剂K2TiF6、K2TiF6+石墨、K2TiF6+Ti以及Al-5Ti-1B(实验配方见表1),在液相线温度附近开始测量熔体的黏度变化。本实验采用自行研制的Couette旋转黏度计,测量头插入熔体中,利用外杆带动外筒旋转,使内外筒间隙中的铝液在内筒表面产生切应力,传递到内杆上产生一个扭矩,从而在表盘刻度上得到一个黏度读数。为保证测量精度,外筒旋转速度控制在10r/min以下。实验装置见图1。

表1 铝合金实验配方

Table 1 Addition amounts of elements in Al alloys

试样序号 Si K2TiF6 石墨 Al-5Ti-1B Ti Al

1 7.0 0.50 - - - 余量

2 7.0 0.46 0.04 - - 余量

3 7.0 - - 0.50 - 余量

4 7.0 0.50 - - 0.10 余量

5 7.0 0.50 - - 0.20 余量


在测量黏度的同时对熔体进行取样、淬冷,制备金相试样,每组取3个试样。试样经切割、砂纸研磨、抛光,用质量分数为1%的HF溶液腐蚀后,利用光学显微镜(OPM)和扫描电镜(SEM)观察其微观组织。

2 实验结果及讨论

未经细化处理和加入同等质量的不同细化剂细化处理后的Al-7%Si合金在连续冷却过程中表观黏度随温度的变化见图2。由图2可知,在冷却过程中熔体的表观黏度变化存在一临界温度,低于临界温度后,表观黏度迅速增加。同时经细化处理后,临界温度降低,表观黏度大大减小。其中细化剂Al-5Ti-1B对熔体表观黏度的影响作用最大,K2TiF6+石墨较单一的K2TiF6作用效果明显。            


细化剂加入到Al-Si熔体中生成TiAl3、TiC和TiB2金属间化合物相,并在这些颗粒周围形成富Ti或富B的液相层,局域的化学成分不均匀性是细化Al-Si合金的前提。K2TiF6加入到铝液中,分解后与铝液反应而形成TiAl3;K2TiF6+石墨在熔体中通过K2TiF6+2C=TiC+CF4+2KF反应而生成TiC,此时熔体中TiC和TiAl3并存;Al-5Ti-1B加入到铝液中,同时释放出TiAl3和TiB2。TiAl3和Al晶面间存在良好的晶格匹配关系,Al原子可以在几个TiAl3晶面上同时外延生长,TiAl3通过包晶反应L+TiAl3→α-Al促使α-Al成核[9](其中L代表液相)。根据Jones等人[10]的形核理论,并经Mohanty等人[11]的实验证实,在亚共晶Al-Si合金中,当TiB2独立存在时,其颗粒被生长着的固液界面排挤,分布在枝晶间或晶界上,不能作为A1的形核基底。但TiA13的溶解提供了过剩的Ti,Si也偏聚到TiB2颗粒表面,在其表面择优析出“薄层梯状”Ti(A11-x,Six)3(x≤0.15),此薄层经过包晶反应使A1成核。TiC在高温下稳定,点阵常数和A1相近,与其有较好的共格关系,是A1异质成核的质点,利于A1成核。因此,TiB2和TiC的存在,促进TiA13使A1成核,与TiA13组合的结果是细化效果较单一的TiA13更显著。

图3为熔体经K2TiF6、K2TiF6+石墨和Al-5Ti-1B细化处理后当固相质量分数fs=0.5时的金相组织。可以看出,细化处理后半固态合金的凝固初生相结构都形成类球形或蔷薇花样的非枝晶轮廓,它们相互独立,被剩余液体激冷形成的细共晶体完全浸润。正是细化处理后组织的变化使得半固态合金表现出不同的流变行为,晶粒细化致使其表观黏度减小。比较可发现,A1-5Ti-1B的细化效果好于K2TiF6+石墨,而K2TiF6+石墨要好于单一的K2TiF6,这与表观黏度的变化是一致的。


             a                             b                            c

图3 经不同细化剂处理的Al-7%Si合金的显微组织(a) K2TiF6 (b) K2TiF6+石墨 (c)Al-5Ti-1B

Fig. 3 Micrographs of Al-7%Si alloys after refining treatment using different additives (a) K2TiF6 (b) K2TiF6+graphite (c)Al-5Ti-1B

未经细化处理的Al-7%Si合金经质量分数为0.5%的K2TiF6与不同质量分数的Ti组合细化处理后在连续冷却过程中表观黏度随温度的变化曲线见图4,相对应的金相显微组织见图5(fs=0.45)。由图4、5可知,Ti的加入,增强了晶粒细化效果,半固态合金表观黏度大为降低,凝固组织更趋于蔷薇形结构,均匀度提高(见图5(b)、(C)),组织结构上的差异与熔体表观黏度的变化相对应。



A1-7%Si合金经0.5%K2TiF6+0.2%Ti细化处理后在不同固相质量分数条件下显微组织的演变见图6。在较小的固相质量分数(fs=0.40)下,初晶比较细小、圆整和均匀,类球形或蔷薇形结构较多,合金流变性能比较好,表观黏度较小;随着固相质量分数的增加,晶粒粗化,组织变得不规则、不均匀,枝晶粗化形成网络状结构,颗粒间相对滑动困难,使表观黏度急剧增大。图6(c)中晶粒迅速粗化是Oswald熟化的结果,较大的枝晶颗粒吞噬周围的小颗粒而形成粗大颗粒。

3 结论

(1)A1-7%Si合金在冷却过程中其黏度变化存在一临界温度。低于临界温度,熔体表观黏度迅速增大。加入细化剂可使临界温度降低,且使表观黏度随温度降低而增大的趋势变缓。

(2)化学细化法可有效细化晶粒,初晶组织更趋于类球形和/或蔷薇花样的非枝晶结构,明显改善半固态Al-7%Si合金的流变性能,降低其表观黏度。Al-5Ti-1B细化效果最明显,K2TiF6和石墨的混合物次之,而单一的K2TiF6作用最小。

(3)TiB2和TiC促进TiA13使Al成核,晶粒细化效果增强。

(4)Ti或石墨和K2TiF6的组合,较单一的K2TiF6细化效果更显著。

参考文献(Reference)

[1]Spencer D P, Mehrablian R, Flemings M C. Rheological behavior of Sn-15 Pct Pb in the crystallization range [J].Metallurgy Transaction, 1972, 3 (5):1925-1929.

[2]Lehuy H, Masounave J, Blain J. Rhelogical behavior and microstructure of stir-casting zinc-aluminum alloys [J]. Jounal of Materials Science, 1985, 20 (1):105-113.

[3]Vives C. Electromagnetic refining of aluminum alloys by the CREM process [J]. Metallurgy Transaction, 1989, 120B (10):623-643.

[4]Flemings M C. Behavior of metal alloys in the semisolid state [J]. Metallurgy Transaction, 1991, 22A (4):957-981.

[5]Vives C. Elaboration of semisolid alloys by means of new electromagnetic rheocasting processes [J]. Metallurgy Transaction, 1992, 23B (4):189-206.

[6]Bao X F, Li F, Li X F, et al. Function of modification and refinement of rapidly solidified master alloy Al-Ti-Zr [J]. Journal of Materials Science.1998, 33 (3):99-102.

[7]Nickodemus G H, Wang C M, Kirwood H, et al. Rheology of materials for semi-solid metalworking applications [A]. Proceedings of the 5th International Conference on Semi-solid Processing of Alloys and Compositions [C].Colorado: The University of Sheffield, 1998:29-34.

[8]Quak C J, Kool W H. Properties of semi-solid aluminum matrix compositions [J]. Materials Science and Engineering, 1994, 183A (4):247-252.

[9]Larnberg L, Backerud L, Klang H. Grain refinement of aluminum [J]. Metal Technology, 1982, 1:1-6.

[10]Jones G P, Pearson J. Factors affecting the grain refinement of aluminum using titanium and boron additives [J].Metallurgy Transaction, 1976, 7B (1):223-234.

[11]Mohanty P S, Gruzleski J E. Mechanism of grain refinement in aluminum [J]. Acta Metallurgica Et Materialia, 1996, 44 (9):3749-3760.