![]() 原標(biāo)題:鑄造方式對(duì)A356鋁合金組織、熱導(dǎo)率和力學(xué)性能的影響 摘要:以商用A356鋁合金為研究對(duì)象,研究鑄造方式(金屬型鑄造、液態(tài)擠壓鑄造、半固態(tài)擠壓鑄造)對(duì)其組織、熱導(dǎo)率和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明,液態(tài)和半固態(tài)擠壓鑄造顯著減少鑄造缺陷,提高合金致密性。其中,液態(tài)擠壓鑄造制件相較于金屬型鑄造晶粒明顯細(xì)化,共晶Si相從粗大的板條狀轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)桿狀,合金抗拉強(qiáng)度由179.930 MPa提高到209.446 MPa,伸長(zhǎng)率從3.19%提高到6.93%,硬度(HB)由55提高到64,熱導(dǎo)率由150.064 W/(m?K)升高到153.072 W/(m?K);經(jīng)半固態(tài)擠壓鑄造后,初生α-Al晶粒分布均勻,形狀圓整。共晶Si相尺寸減小,邊界圓鈍,偏析消除。合金抗拉強(qiáng)度為223.514 MPa,伸長(zhǎng)率達(dá)到13.68%,硬度(HB)達(dá)到71,熱導(dǎo)率提高到160.220 W/(m?K)。 鑄造鋁合金由于具有優(yōu)異的鑄造性能,良好的耐蝕性能,比強(qiáng)度高,生產(chǎn)成本低而廣泛應(yīng)用于汽車制造和航空工業(yè)等領(lǐng)域。A356鋁合金是常用的鑄造Al-Si合金,因其流動(dòng)性好、氣密性好、收縮率小和熱烈傾向小通常用來(lái)制造汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋、滑塊構(gòu)件及輪轂等具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鑄件。隨著汽車行業(yè)的發(fā)展,其應(yīng)用范圍的擴(kuò)大對(duì)零件的力學(xué)性能、散熱能力等提出了更高的要求。金屬型鑄造A356合金的抗拉強(qiáng)度約為180 MPa,伸長(zhǎng)率約5.0%,室溫下熱導(dǎo)率約為150.7 W/(m?K)。影響鑄造鋁合金力學(xué)性能的主要因素包括合金中相的種類、尺寸及形貌,鑄造缺陷的性質(zhì)、數(shù)量和分布。擠壓鑄造過(guò)程中由于壓力的作用,對(duì)晶粒具有細(xì)化作用,并使得組織致密度提高,從而提高鑄件的力學(xué)性能。液態(tài)擠壓鑄件抗拉強(qiáng)度可達(dá)208.975 MPa、伸長(zhǎng)率可達(dá)8.58%。另外,隨著鑄造壓力的提高,合金熱導(dǎo)率顯著增大。但液態(tài)擠壓鑄造由于金屬液充型速度較快,難免裹挾氣體后造成鑄造缺陷。制備半固態(tài)漿料后進(jìn)行擠壓鑄造,提高漿料粘度,能最大限度的消除鑄造缺陷。朱亮采用半固態(tài)擠壓鑄造制備A356鋁合金墩粗試樣,由于顯微組織中α-Al的球化以及共晶Si的細(xì)化,力學(xué)性能得到提升,較連續(xù)鑄造的抗拉強(qiáng)度提升了7.8%,伸長(zhǎng)率提高了350%。 本課題分別采用金屬型鑄造(Permanent Mould Casting,PMC)、液態(tài)擠壓鑄造(Liquid Squeeze Casting,LSC)和半固態(tài)擠壓鑄造(Semi-solid Squeeze Casting,SSC)3種鑄造方式制備A356合金試樣,觀察其顯微組織及共晶Si相形貌,并對(duì)其熱導(dǎo)率和力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試分析,以拓展A356鋁合金的應(yīng)用領(lǐng)域。 1、試驗(yàn)材料和方法 1.1 試驗(yàn)材料 試驗(yàn)材料采用商用A356鋁合金,其成分見表1。
表1:A356鋁合金化學(xué)成分表 1.2 試驗(yàn)方法及設(shè)備 試驗(yàn)分別采用PMC、LSC和SSC等3種不同的鑄造方式。其中,PMC使用SG-7.5-10井式坩堝電阻爐將商用A356鋁合金重新熔化,當(dāng)溫度升至720 ℃后,加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的26進(jìn)行精煉(除氣、除渣)后靜置,再澆入250 ℃預(yù)熱的模具中得到鑄件。擠壓鑄造選用600T臥式擠壓鑄造機(jī),壓射力為784 kN,比壓為101 MPa,保壓15 s。鋁合金液在精煉扒渣靜置后澆入預(yù)熱250 ℃的擠壓鑄造機(jī)料筒中,再將合金漿料頂入預(yù)熱250 ℃的模具中擠壓。而SSC則是將熔煉好的A356鋁合金熔液澆入滾筒式半固態(tài)制漿料機(jī)內(nèi)制漿后(出口溫度590 ℃),再注入擠壓機(jī)料筒中擠壓成形。成形件尺寸為160 mm×170 mm×8 mm。
不同鑄造方式試樣經(jīng)粗磨、細(xì)磨將表面磨平并拋光后,采用0.5%的HF溶液腐蝕20 s。在金相顯微鏡(4XG-MS)下觀察3種鑄件的顯微組織。采用掃描電鏡(QUANTAFG-450)觀察共晶Si相和拉伸斷口。使用X射線衍射儀(D/max-2400)進(jìn)行物相分析,2θ為20°~90°,并利用Jade5.0軟件分析晶格常數(shù)。采用LFA457激光法導(dǎo)熱分析儀測(cè)量熱擴(kuò)散系數(shù),測(cè)試溫度為25 ℃,試樣尺寸為φ12.7 mm× 式中,α為熱擴(kuò)散系數(shù),m㎡ /s; ρ為密度,g/cm³;J/(g?K)。 使用線切割機(jī)割拉伸試樣(見圖1),利用WDW-100D型電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)其進(jìn)進(jìn)行拉伸測(cè)試,并記錄試樣的抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率。采用HB-3000B型布氏硬度計(jì)進(jìn)行合金硬度的測(cè)試。
圖1:拉伸試樣示意圖 2、試驗(yàn)結(jié)果 2.1 對(duì)顯微組織的影響 圖2為PMC、LSC、SSC 3種鑄造方式所得試樣的顯微組織。合金組織主要為初生α-Al及共晶Si相。從圖2a中看出,α-Al相呈較為粗大的樹枝晶,取向無(wú)明顯規(guī)律,且由于α-Al相晶粒尺寸粗大,分布雜亂,其晶界處析出的共晶Si相也存在明顯的偏析集聚現(xiàn)象。從圖2b看出,α-Al相較PMC明顯細(xì)小,呈薔薇狀或等軸晶。組織更加致密,排布更加均勻。但晶間析出相的偏析現(xiàn)象未能消除。從圖2c看出,由于初生α-Al相是經(jīng)過(guò)半固態(tài)制得,凝固時(shí)從薔薇狀逐漸演化成形狀較為圓整的類球狀,氣孔、縮孔等鑄造缺陷和微觀偏析現(xiàn)象明顯減少,晶粒最為圓整,組織最為均勻。
圖2:不同鑄造方式制備A356鋁合金試樣的顯微組織 用Image-pro Plus 6.0軟件對(duì)基體晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見圖3。PMC過(guò)程凝固過(guò)冷度小,α-Al晶粒為粗大的樹枝晶,平均晶粒尺寸為137.807 μm。擠壓鑄造過(guò)程大大改善鑄型與鑄件間的熱交換條件,且在擠壓作用下,合金熔點(diǎn)相較于傳統(tǒng)鑄造時(shí)的升高,增大了合金熔體凝固時(shí)的初始過(guò)冷度。LSC過(guò)程中合金的凝固潛熱較快釋放,阻礙合金熔體中原子的擴(kuò)散,抑制初生α-Al相的長(zhǎng)大,使晶粒尺寸細(xì)小,平均晶粒尺寸驟降至43.512 μm。過(guò)冷度作為凝固的驅(qū)動(dòng)力,其增加使臨界形核半徑減小,形核率上升,使晶粒數(shù)量增多。半固態(tài)制漿時(shí),熔體在滾筒的攪拌作用下產(chǎn)生對(duì)流,使晶粒之間產(chǎn)生碰撞,抑制粗大樹枝晶的生成,將枝晶臂打斷,形成許多細(xì)小的晶粒。隨著溫度的降低,這些細(xì)小的晶粒無(wú)明顯取向的均勻長(zhǎng)大,α-Al相整體形貌比較圓整,平均晶粒尺寸為64.824 μm。
圖3:不同鑄造方式制備A356鋁合金α-Al晶粒尺寸 Al-Si共晶通常被認(rèn)為是不規(guī)則共晶,其生長(zhǎng)方式為小平面生長(zhǎng),用掃描電鏡對(duì)共晶Si相進(jìn)行進(jìn)一步觀察,見圖4。圖4a是PMC試樣的共晶Si相電鏡照片,由于α-Al基體不規(guī)律、不均勻的排布使得析出在其晶界上的共晶Si也明顯的偏析和集聚的問(wèn)題。共晶Si相呈現(xiàn)出的是尺寸較大的針狀或板片狀,分布在基體晶界處,嚴(yán)重地割裂基體。LSC試樣的共晶Si晶粒得到了較大程度的細(xì)化轉(zhuǎn)變?yōu)樾∑瑺詈烷L(zhǎng)桿狀(圖4b),但偏析現(xiàn)象依然存在。轉(zhuǎn)變漿料狀態(tài)為半固態(tài)后,見圖4c,SSC試樣的共晶Si相的尺寸明顯減小,邊緣明顯圓鈍,整體形狀彎曲,呈現(xiàn)出蠕蟲狀的形貌,說(shuō)明SSC過(guò)程中對(duì)共晶Si相產(chǎn)生了一定程度的球化。
圖4:不同成形方式制備A356鋁合金的共晶Si相形貌 A356鋁合金屬于亞共晶Al-Si合金在凝固時(shí),首先析出初生α-Al相,Si相在共晶時(shí)析出,分布在α-Al基體晶粒的晶界處,因此共晶Si相的形貌一定程度上受到基體晶粒的影響,共晶反應(yīng)的結(jié)束也標(biāo)志著凝固過(guò)程的結(jié)束。統(tǒng)計(jì)并計(jì)算共晶Si相等積圓直徑,長(zhǎng)徑比和形狀因子見圖5。PMC試樣中共晶Si相尺寸分布較為分散,僅存在極少量直徑為2~3 μm的小尺寸晶粒,平均直徑為4.40 μm,最大達(dá)8.32 μm;長(zhǎng)徑比為7.92,形狀因子為0.34。LSC試樣由于擠壓力對(duì)晶粒的細(xì)化作用,共晶Si相尺寸分布較PMC也有所集中,尺寸顯著減小,平均等積圓直徑下降到2.05 μm,最大直徑降為4.11 μm;長(zhǎng)徑比為6.48,形狀因子為0.398。SSC澆注溫度較低而充型后冷卻速度較快,使共晶Si尺寸進(jìn)一步減小,形貌發(fā)生變化,多數(shù)晶粒半徑小于2 μm,平均直徑降至1.61 μm,最大半徑僅為3.5 μm;長(zhǎng)徑比下降至3.64,形狀因子上升到0.472。 圖6為不同鑄造方式鑄件的X射線衍射圖譜??梢钥闯?,成形方式并不會(huì)改變合金的相組成,3種方式鑄造的試樣組織中主要相組成均為α-Al和Si相,同時(shí)存在強(qiáng)化相(Mg2Si)和富Fe相(Al2Fe3Si4)。由于擠壓力的存在加快了凝固速率,可能使少量基體中的Fe和Mg原子固溶在基體內(nèi)形成固溶體,來(lái)不及擴(kuò)散析出并相互結(jié)合形成第二相(Mg2Si)和富Fe相(Al2Fe3Si4)。
圖5:不同鑄造方式制備A356鋁合金共晶Si的尺寸分布及形狀變化
圖6:不同鑄造方式制備A356鋁合金的XRD圖譜 2.2 對(duì)熱導(dǎo)率的影響 圖7為不同鑄造方式鑄件的導(dǎo)熱性能檢測(cè)結(jié)果。可以看出,鑄造方式對(duì)合金熱導(dǎo)率與熱擴(kuò)散系數(shù)具有明顯的影響。PMC試樣的熱導(dǎo)率最低,LSC試樣的熱導(dǎo)率比PMC提高了2.0%,SSC試樣的熱導(dǎo)率最高,較PMC試樣提高了6.7%。具體數(shù)值見表2。
圖7:不同鑄造方式制備A356鋁合金的導(dǎo)熱性能
表2:不同鑄造方式制備A356合金中共晶Si相形貌和合金導(dǎo)熱性能 2.3 對(duì)力學(xué)性能的影響 圖8為不同鑄造方式試樣的硬度、抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率,PMC試樣的抗拉強(qiáng)度為179.930 MPa,伸長(zhǎng)率為3.19%硬度(HB)為55,LSC試樣的抗拉強(qiáng)度為209.446 MPa,伸長(zhǎng)率為6.93%,硬度(HB)升高到64;而SSC的試樣抗拉強(qiáng)度提高至223.514 MPa,伸長(zhǎng)率為13.68%,硬度(HB)提高至71。
圖8:不同鑄造方式制備A356鋁合金力學(xué)性能 3、分析與討論 3.1 導(dǎo)熱性能
鋁合金導(dǎo)熱的物理過(guò)程主要依靠自由電子的遷移實(shí)現(xiàn),由一定的溫度梯度作為驅(qū)動(dòng)力,電子在延溫度梯度下降的方向定向移動(dòng)的過(guò)程中通過(guò)不斷碰撞將所攜帶的能量由高溫區(qū)域傳遞到低溫區(qū)域完成導(dǎo)熱。由Wiedemann-Franz定律表示如下: 即非低溫條件下,金屬材料的熱導(dǎo)率(λ)與它的電導(dǎo)率(σ)之比約為常數(shù)。故從導(dǎo)電性入手,探究合金的導(dǎo)熱機(jī)理。
電子在兩次碰撞間運(yùn)動(dòng)的平均距離稱為平均自由程。由Bloch定理推論,鋁合金中電子的平均自由程受到晶體結(jié)構(gòu)完整程度的限制。溫度梯度一定時(shí),鋁合金的晶體結(jié)構(gòu)越完整,平均自由程越長(zhǎng),導(dǎo)電能力就越強(qiáng)。由Matthiessen定律合金電阻具體構(gòu)成為:
式中,ρT為合金的基礎(chǔ)電阻,僅與溫度有關(guān),ρR為雜質(zhì)電阻,其構(gòu)成為: 式中 和分別為析出相、固溶度、位錯(cuò)和晶界對(duì)合金原子和引起的電阻。 對(duì)電子運(yùn)動(dòng)的影響程度主要取決于位移、晶界、合金元素固溶和晶間析出相等缺陷的數(shù)量和結(jié)構(gòu)。位錯(cuò)密度和晶界面積越大,散射電子的越多,合金的熱導(dǎo)率越低;合金中的元素固溶度越高,引起基體的晶格畸變就越嚴(yán)重,破壞鋁基體中原子的有序程度和原有周期性電場(chǎng)的分布,產(chǎn)生缺陷和應(yīng)力場(chǎng);晶間析出相的數(shù)量越多,尺寸越大,對(duì)電子的散射作用越強(qiáng),電子平均自由程減小,導(dǎo)致合金導(dǎo)熱性能的下降。 室溫下,低密度空位和位錯(cuò)對(duì)電阻率的影響甚小,且在僅改變鑄造方式而未進(jìn)行塑性變形及退火的情況下,不同試樣之間的位錯(cuò)密度并無(wú)明顯差異,故可忽略其對(duì)熱導(dǎo)率的影響。冷卻速率的變化會(huì)一定程度上改變Al基體晶粒尺寸和晶界的總面積,LI B等也指出晶粒尺寸的變化對(duì)熱導(dǎo)率的影響微乎其微,熱導(dǎo)率并未隨晶粒的顯著細(xì)化而明顯下降。 對(duì)Al-Si合金而言中,Si和Al形成置換固溶體,但Si在Al中固溶度很小,最大飽和固溶度僅為1.65%,而室溫下僅為0.05%,其余的Si會(huì)以單質(zhì)形式與Al一起形成Al-Si共晶組織。A356鋁合金中Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為7.06%,僅有極少量固溶在Al基體內(nèi),而更多的是以Al-Si共晶形式析出。Si原子半徑(0.134 nm)與Al(0.143 nm)十分接近,Si原子固溶引起的Al基體晶格畸變很小,因此基體中固溶的Si對(duì)Al的熱導(dǎo)率影響不大,而主要是晶界處析出的共晶Si帶來(lái)的影響。李斌等也認(rèn)為當(dāng)Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.0%~12.8%時(shí),Al基體的晶格畸變程度很小,且隨Si含量的變化不明顯。 晶間析出相對(duì)基體的割裂是導(dǎo)致A356鋁合金熱導(dǎo)率較純Al下降的主要原因。依照3種鑄造方式試樣共晶Si相的SEM照片繪制其對(duì)電子遷移的阻礙作用示意圖見圖9。PMC試樣中共晶Si相尺寸粗大的板條狀,集聚分布,電子難以通過(guò)或繞過(guò)共晶Si晶粒完成能量的輸運(yùn)。在機(jī)械擠壓力的作用下,合金致密度提高,原子間距縮短,基體連接性增強(qiáng),自由電子自由程增大,對(duì)合金熱導(dǎo)率起到了提升作用。LSC在細(xì)化α-Al基體晶粒時(shí)難免增大了晶界面積,但同時(shí)也完成了對(duì)共晶Si晶粒顯著的細(xì)化作用,使其變?yōu)殚L(zhǎng)桿狀,面積大幅縮小,拓寬了電子輸運(yùn)的通路,整體上表現(xiàn)為能量輸運(yùn)效率的提高即熱導(dǎo)率的上升;SSC試樣晶間共晶Si相得到了一定的破碎和球化,邊緣變得圓鈍,整體變?yōu)槿湎x狀。鈍化的共晶相邊緣能降低散射作用發(fā)生的概率,其機(jī)制主要包括減小散射面積、改散射碰撞為切過(guò)和增加電子在基體中的自由程并改變散射方向幾種途徑,見圖10??梢姽簿i相的球化將很大程度上減弱其對(duì)自由電子遷移的阻礙作用,改善A356鋁合金的導(dǎo)熱性能。
圖9:自由電子在共晶Si相上散射原理示意圖
圖10:晶粒邊界形狀對(duì)電子散射的影響 3.2 力學(xué)性能 擠壓鑄造的試樣力學(xué)性能普遍高于金屬型鑄造,是由于在機(jī)械壓力的作用下晶粒得到明顯細(xì)化,根據(jù)Hall-Petch公式,制件強(qiáng)度隨晶粒尺寸的減小而提高,即完成細(xì)晶強(qiáng)化。同時(shí),晶界增多且其間分布的共晶Si和少量的強(qiáng)化相Mg2Si對(duì)α-Al基體中的位錯(cuò)也具有釘扎作用。此外,鑄造缺陷極大地影響著合金的斷裂伸長(zhǎng)率,而擠壓鑄造的外加壓力能減少鑄件內(nèi)部的鑄造缺陷使得鑄件組織致密度提高,宏觀表現(xiàn)為試樣強(qiáng)度的提高。 面心立方結(jié)構(gòu)的α-Al基體,在受到與滑移面垂直方向的載荷時(shí)會(huì)開動(dòng)滑移系,發(fā)生滑移而非解理,基本上不存在解理斷裂。進(jìn)一步拍攝并觀察不同鑄造方式鑄件的斷口形貌電鏡照片,圖11為PMC、LSC、SSC試樣的拉伸斷口形貌。從圖11a中看出,共晶Si在晶界處形貌為狹長(zhǎng)的片狀,易產(chǎn)生裂紋并沿著晶界擴(kuò)展,但晶粒取向雜亂,尺寸粗大,裂紋的延展在晶界處受阻,隨著應(yīng)力的累積被撕裂,并留下明顯的撕裂棱、層次清晰的小平面和河流狀紋樣。其斷裂方式為介于脆性斷裂和韌性斷裂之間的過(guò)渡模式,為偏向脆性斷裂的準(zhǔn)解理斷裂。從圖11b看出,拉伸斷口中的撕裂棱變窄,密集分布著小而深的韌窩,斷口整體無(wú)明顯層次,未見解離臺(tái)階或小平面,因此判斷其斷裂形式偏向韌性斷裂。從圖11c看出,韌窩尺寸稍大、分布均勻、形狀圓整,符合等軸韌窩的特征;同時(shí)斷口上存在較少的撕裂棱,試樣整體表現(xiàn)為韌性斷裂。研究發(fā)現(xiàn),試樣的伸長(zhǎng)率受到枝晶尺寸和共晶Si相的長(zhǎng)徑比控制,結(jié)合前文,擠壓鑄造的試樣伸長(zhǎng)率較金屬型鑄造有所改善。且SSC試樣共晶Si相細(xì)化,減少了脆性相裂紋源,韌窩尺寸大表明試樣中的微孔發(fā)生集聚,裂紋的擴(kuò)展路徑增長(zhǎng),宏觀上表現(xiàn)為伸長(zhǎng)率的大幅上升。
圖11:不同鑄造方式鑄件的拉伸斷口形貌 4、結(jié)論 (1)鑄造方式顯著影響A356鋁合金的組織形貌。金屬型鑄造試樣的α-Al晶粒呈粗大的樹枝晶,平均尺寸為137.807 μm,共晶Si相以板條和層片狀存在,平均直徑為4.04 μm;經(jīng)液態(tài)擠壓鑄造試樣中晶粒明顯細(xì)化,呈最為細(xì)小的胞狀晶,平均尺寸僅43.512 μm,共晶Si相變?yōu)槔w細(xì)的長(zhǎng)桿狀,平均直徑下降到2.05 μm;半固態(tài)擠壓鑄造得到的晶粒平均尺寸為64.824 μm,較液態(tài)擠壓鑄造稍有長(zhǎng)大,但形狀更為圓整,共晶Si相平均直徑下降到1.61 μm,變?yōu)槌叽缂?xì)小,形狀彎曲,邊緣圓鈍的蠕蟲狀。 (2)空位及位錯(cuò)、晶界、元素固溶等均會(huì)引起合金熱導(dǎo)率較純金屬偏低,但A356鋁合金熱導(dǎo)率對(duì)共晶Si相形貌最敏感。隨著共晶Si相尺寸和長(zhǎng)徑比的減小以及圓度的增加,熱導(dǎo)率及熱擴(kuò)散系數(shù)呈上升趨勢(shì)。金屬型鑄件熱導(dǎo)率為150.064 W/(m?K),液態(tài)擠壓鑄件熱導(dǎo)率提升至了2.0%,而半固態(tài)擠壓鑄件α-Al晶粒較大,形狀圓整,共晶Si尺寸細(xì)小,邊界鈍化,降低其對(duì)自由電子的散射概率,熱導(dǎo)率達(dá)到160.220 W/(m?K),較金屬型鑄造提升了6.7%。 (3)通過(guò)擠壓鑄造,能減少A356鋁合金內(nèi)部鑄造缺陷,提升其力學(xué)性能。金屬型鑄件的抗拉強(qiáng)度為179.930 MPa,伸長(zhǎng)率為3.19%,硬度(HB)為55,液態(tài)擠壓鑄件抗拉強(qiáng)度達(dá)到209.446 MPa,伸長(zhǎng)率6.93%,硬度(HB)升高到64;半固態(tài)擠壓鑄件抗拉強(qiáng)度達(dá)到223.514 MPa,伸長(zhǎng)率13.68%,硬度(HB)提高到71,較金屬型鑄件有明顯提升。
文章作者 |