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近液相线半连续铸造过程中A390合金初生硅的形成机理

来源期刊:中国有色金属学报2010年第10期

论文作者:王娜 周志敏

文章页码:1895 - 1900

关键词:A390合金;初生硅;半固态成形;近液相线半连续铸造

Key words:A390 alloy; primary Si; semi-solid forming; near-liquidus semi-continuous casting

摘    要:采用近液相线半连续铸造技术制备A390合金坯料,对铸锭显微组织进行金相观察,采用图像分析软件Image-Pro Plus计算晶粒尺寸,研究浇注温度从高于液相线(650 ℃)100 ℃至10 ℃范围内变化对A390合金初生硅尺寸形貌的影响。结果表明:近液相线半连续铸造时,较低的浇注温度以及较均匀的温度场有利于均匀形核,同时减小熔体中Si的浓度梯度,从而消除Si原子聚集成团的条件,抑制初生硅的生长;因此,仅控制近液相线半连续铸造的工艺参数即可改善A390合金半固态坯料中初生硅尺寸形貌,这是制备过共晶铝硅合金半固态坯料的简单、可行、高效和低成本的方法。

Abstract: The A390 alloy billets were prepared using the near-liquidus semi-continuous casting technology. The microstructures of billets were observed by metalloscopy. The grain size was calculated by the Image-Pro Plus software. The influence of pouring temperature from 100 ℃ to 10 ℃ above the liquidus (650 ℃) on the shape and size of primary silicon particles of A390 alloy were studied. The results show that lower temperature and more uniformly distributing temperature field in the melt during near-liquidus semi-continuous casting help to nucleation and decrease concentration gradient of Si, which eliminates the gathering process of Si atoms and restrains the anisotropic growth of primary Si particle. So, controlling the processing parameters of near-liquidus semi-continuous casting can improve the primary Si of A390 alloy semi-solid billets, which will be a simple, feasible and effective method to prepare the semi-solid billets of hypereutectic Al-Si alloys.



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文章编号:1004-0609(2010)10-1895-06

近液相线半连续铸造过程中A390合金初生硅的形成机理

王  娜,周志敏

 (东北大学 理学院,沈阳 110004)

摘  要:采用近液相线半连续铸造技术制备A390合金坯料,对铸锭显微组织进行金相观察,采用图像分析软件Image-Pro Plus计算晶粒尺寸,研究浇注温度从高于液相线(650 ℃)100 ℃至10 ℃范围内变化对A390合金初生硅尺寸形貌的影响。结果表明:近液相线半连续铸造时,较低的浇注温度以及较均匀的温度场有利于均匀形核,同时减小熔体中Si的浓度梯度,从而消除Si原子聚集成团的条件,抑制初生硅的生长;因此,仅控制近液相线半连续铸造的工艺参数即可改善A390合金半固态坯料中初生硅尺寸形貌,这是制备过共晶铝硅合金半固态坯料的简单、可行、高效和低成本的方法。

关键词:A390合金;初生硅;半固态成形;近液相线半连续铸造

中图分类号:TG146;TG113       文献标志码:A

Forming mechanism of primary Si of A390 alloy during near-liquidus semi-continuous casting

WANG Na, ZHOU Zhi-min

(School of Sciences, Northeastern University, Shenyang 110004, China)

Abstract: The A390 alloy billets were prepared using the near-liquidus semi-continuous casting technology. The microstructures of billets were observed by metalloscopy. The grain size was calculated by the Image-Pro Plus software. The influence of pouring temperature from 100 ℃ to 10 ℃ above the liquidus (650 ℃) on the shape and size of primary silicon particles of A390 alloy were studied. The results show that lower temperature and more uniformly distributing temperature field in the melt during near-liquidus semi-continuous casting help to nucleation and decrease concentration gradient of Si, which eliminates the gathering process of Si atoms and restrains the anisotropic growth of primary Si particle. So, controlling the processing parameters of near-liquidus semi-continuous casting can improve the primary Si of A390 alloy semi-solid billets, which will be a simple, feasible and effective method to prepare the semi-solid billets of hypereutectic Al-Si alloys.

Key words: A390 alloy; primary Si; semi-solid forming; near-liquidus semi-continuous casting

A390合金具有密度低、膨胀系数小、热裂倾向小、耐磨性好和耐蚀性好等突出优点,是制造内燃机及发动机活塞的理想材料。但由于其合金元素含量较高,采用常规的金属型铸造法生产时往往存在诸多铸造缺陷,合金中的初生硅呈粗大板条状且产生偏聚等,严重影响材料的强度和使用性能,降低材料的加工性能和产品的表面质量,因此,细化初生硅是提高A390合金性能及实际应用的关键。近年来,国内外学者针对高硅铝合金中初生硅的大小、形貌及分布的控制开展了大量的研究工作,开发了多种细化初生硅的方  法[1-7],如变质处理、悬浮铸造法、喷射沉积法、超声波振动法和快速凝固法等。尽管前人在初生硅的细化和形貌改善等方面开展了较多研究工作,取得了良好的成果,但在制备工艺和合金性能方面仍存在许多需要改进和完善的地方,如变质处理工艺要求严格,实际生产中往往因各种因素影响变质效果;喷射沉积法、超声波振动法需要专用设备,生产成本高;快速凝固法生产试件尺寸小,控制困难,晶粒内应力大。近年来,国内外学者开始关注过共晶Al-Si合金半固态坯料的制备。KIM等[8]采用在冷却过程中连续机械搅拌方法,使AlSi15.5过共晶合金中的初生Si由板块状变为球粒状,并显著细化初生Si相。LEE等[9]和SMITH等[10]详细研究搅拌速度、冷却速度和固相率对合金组织的影响。GARAT等[11]用变质加电磁搅拌方法制得初生Si大小为30~50 μm且呈颗粒状均匀分布的A390过共晶合金锭。李树索等[12]报道采用电磁搅拌法制备的半固态AlSi24合金组织特征。叶春生和潘冶[13]研究等温处理对过共晶铝硅合金半固态组织的影响,认为共晶硅经历了熔断、粒状化和粗化的过程。薛克敏   等[14]采用等径角挤压法,由AlSi30合金粉末制备成半固态坯料。DIEWWANT和FLEMINGS[15]、LIU和CHOU[16]以及OMID等[17]采用电磁搅拌、低过热度弱电磁搅拌、机械搅拌和变质细化复合处理的方法来改善过共晶铝硅合金初生硅的尺寸和形貌。但到目前为止,上述工作仍处于实验室条件下的探索和基础研究。

本文作者研究近液相线半连续铸造过程中过共晶铝硅合金中初生硅的形状、尺寸和分布的变化规律,分析浇注温度等条件对A390合金初生硅形貌、大小及分布的影响。

1  实验

本实验用A390合金化学成分见表1。合金以w[Al]=99.7%的工业纯铝、w[Si]=22%的铝-硅中间合金、纯铜、金属镁等为原料在中频炉内进行熔炼配制而成,先加入高纯铝,760 ℃时加入铝硅中间合金,待铝硅合金完全溶解后加入纯铜,最后加入纯镁,以减少烧损,升温至810 ℃保温15 min,保证金属完全熔化,成分均匀;当炉温降至760 ℃,保温5 min加入无毒精炼剂,经除气和扒渣后的合金熔体转入中间保温包,中间保温包由Pt-Rh/Pt热电偶与计算机控温仪精确控制温度,温度偏差为±1 ℃。保温10 min后,以一定的铸造速度和冷却水流量,不同的铸造温度进行浇注,获得直径100 mm的A390合金的铸锭。半连续铸造设备如图1所示。

实验中用来进行微观组织观察的试样分别在锭坯垂直横截面上的边部、中心部位切取,试样经过粗磨、精磨和抛光后用低浓度混合酸(2 mL HF、3 mL HCl,

表1  实验用A390铝合金的化学成分

Table 1  Chemical composition of experimental A390 alloy (mass fraction, %)

图1  近液相线半连续铸造设备示意图

Fig.1  Schematic diagram of near-liquidus semi-continuous casting process

5 mL HNO3和190 mL H2O)腐蚀,采用Leica DMR显微镜观察金相组织,同时用图像分析软件Image-Pro Plus计算出晶粒等积圆直径(2(A/π)1/2,A为晶粒截面积)与圆度(l2/(4πA),l为晶粒周长)[18]

2  结果与讨论

本研究考察铸造速度为120 mm/min,冷却水流量为0.05 m3/min,浇注温度分别为750、680、670、660 ℃时A390合金铸锭初生硅组织的演变规律,其结果如图2~5所示。

图2所示为在750 ℃浇注时铸锭边部和中心部位的铸态组织,图中灰色部分为共晶组织,暗黑色的为初生硅,白色为α(Al)相。由图2可看出,共晶组织为针状,靠近铸锭边部分布着细小的块状初生硅,向中心位置靠近时,初生硅粗大,呈大块板条状和多角状,甚至出现分枝。利用图像分析软件Image-Pro Plus对图2的整个区域进行初生硅尺寸计算,得到初生硅平均尺寸达60 μm以上,并发生严重的偏聚现象,组织分布极不均匀。

在750 ℃浇注时,浇注温度较高,A390合金液相线温度为650 ℃,温度场和溶质场极不均匀,形核的数量较少,晶粒有足够的空间长大而不至于互相抵触,初生硅沿一定方向生长,生成尖锐棱角;另一方面,由于初生固相和液相之间存在密度差,原本分散的晶粒开始聚集,初生硅分布不均匀,同时靠近结晶器壁的部分散热快,由于激冷作用出现了细小晶粒。

图2  浇注温度为750 ℃时半固态铸锭不同部位的微观组织

Fig.2  Microstructures of different zones of semi-solid billets cast at pouring temperature of 750 ℃: (a) Border; (b) Center

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