简介概要

单辊剪切/冷却工艺对LY11半固态合金组织的影响

来源期刊：中国有色金属学报2001年第z1期

论文作者：管仁国陈彦博温景林

文章页码：5 - 8

关键词：剪切；半固态合金；浇注温度；冷却

Key words：shearing； semi solid alloy； pouring temperature； cooling

摘要：利用自行设计的单辊剪切/冷却 (SCR)试验机对LY11合金进行了半固态凝固实验 ,研究了工艺条件对LY11半固态合金组织的影响。结果表明 ,辊靴间隙宽度的适当范围为 2～3mm ;浇注温度影响半固态合金坯料内部晶粒的大小与形状 ,浇注温度在 730～750℃范围内 ,可获得细小、均匀球状或椭球状晶粒组织 ;冷却方式会影响半固态合金坯料晶粒的大小与分布 ,水冷制得的合金晶粒尺寸比空冷的小 2～3个级别 ,而空冷制得半固态合金坯料的晶粒分布较为均匀。

Abstract: A self made single roll shearing/cooling (SCR) machine was used to manufacture semi solid LY11 alloy. Effect of processing factors on the micorstructures were studied. The results show that the optimum gap between roll and shoe varies in 2～3 mm; pouring temperature can affect grain size and its shape of semi solid alloy. When cast at 730～750 ℃, fine and even grains with spherical or elliptical structures can be obtained. Cooling style can affect grain size and distribution. Grain size of alloy produced from water cooling is 2～3 level smaller than that from air cooling, but grains produced from air cooling are even.

DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2001.s1.002

单辊剪切/冷却工艺对LY11半固态合金组织的影响

管仁国陈彦博温景林

东北大学材料与冶金学院

东北大学材料与冶金学院沈阳110006

摘要：

利用自行设计的单辊剪切 /冷却 (SCR) 试验机对LY11合金进行了半固态凝固实验 , 研究了工艺条件对LY11半固态合金组织的影响。结果表明 , 辊靴间隙宽度的适当范围为 2～ 3mm ;浇注温度影响半固态合金坯料内部晶粒的大小与形状 , 浇注温度在 730～ 75 0℃范围内 , 可获得细小、均匀球状或椭球状晶粒组织 ;冷却方式会影响半固态合金坯料晶粒的大小与分布 , 水冷制得的合金晶粒尺寸比空冷的小 2～ 3个级别 , 而空冷制得半固态合金坯料的晶粒分布较为均匀

关键词：

剪切;半固态合金;浇注温度;冷却;

中图分类号： TG136

收稿日期：2000-07-06

Effects of processing factors on microstructure of semi- solid LY11 alloy during single-roll shearing/cooling process

Abstract：

A self made single roll shearing/cooling (SCR) machine was used to manufacture semi solid LY11 alloy. Effect of processing factors on the micorstructures were studied. The results show that the optimum gap between roll and shoe varies in 2～3?mm; pouring temperature can affect grain size and its shape of semi solid alloy. When cast at 730～750?℃, fine and even grains with spherical or elliptical structures can be obtained. Cooling style can affect grain size and distribution. Grain size of alloy produced from water cooling is 2～3 level smaller than that from air cooling, but grains produced from air cooling are even.

Keyword：

shearing; semi solid alloy; pouring temperature; cooling;

Received： 2000-07-06

半固态加工技术已有20多年的历史 ^[1,2,3] 。国外半固态加工在工业生产中所占比例越来越大, 尤其是在汽车工业中半固态加工技术已成为不可替代的加工模式 ^[4,5,6,7,8] 。由于我国半固态加工起步较晚, 与国际先进水平相比还存在一定差距, 特别是由于半固态加工技术具有节约能源与资源、产品性能好等突出优点 ^[9,10,11] , 在我国资源、能源相对短缺的情况下, 开发新型半固态合金的制备与加工技术变得非常紧迫。

单辊剪切/冷却工艺 (SCR工艺) 具有结构紧凑、操作方便、半固态合金的制备与成形可以连续化、制备材料的性能好等特点, 是一种应用前景广阔的新型半固态合金制备与加工技术 ^[12] 。作为一种新型的工艺技术, 还有许多理论与技术问题尚待解决, 主要包括制备原理、设备、近终形加工途径、工艺条件对组织与性能的影响等。本文作者在自行设计的SCR实验机上, 研究了工艺条件对LY11半固态材料组织的影响规律。

1 实验

1.1 实验设备

SCR实验机如图1所示, 主要包括剪切/冷却轧辊、靴座、收料模与卸料板。轧辊与靴座间留有一定空间, 将熔融的合金液通过浇口处的导流器浇注到辊-靴间隙中。轧辊表面具有一定的粗糙度, 由于轧辊与靴座的冷却作用合金液发生凝固转动的轧辊对部分凝固的合金产生剪切搅拌作用, 使合金液转化为半固态浆料, 并通过轧辊施加的摩擦力将半固态合金拖出辊-靴间隙, 通过安装在出料口的卸料板与收料模将制得的半固态合金收集起来, 铸成所需尺寸的铸锭。

图1 SCR实验装置示意图

Fig.1 Schematic diagram of SCR machine

1.2 实验材料

所用实验材料为工业上广泛应用的LY11合金, 其固相线温度为513℃, 液相线温度为641℃;半固态区温度范围为132℃, 半固态区间非常大, 适合于半固态加工。LY11合金属Al-Cu-Mg合金系, 其主要成分 (质量分数, %) 为:Cu3.8～4.8, Mg0.4～0.8, Mn0.40～0.8, Ti≤0.15, Zn≤0.3, Fe≤0.7, Si≤0.7, Ni≤0.1, (Fe+Ni) ≤0.7, 其它杂质≤0.10, Al余量。

1.3 实验过程

将合金加热至800℃, 保温3～4 h, 精炼后通过预热的导流器进入SCR实验机, 在690～790℃之间进行浇注。半固态浆料排出辊-靴间隙后, 直接进入收料模, 在空气中自然冷却;或者进入水冷的收料模进行冷却, 冷却水温度为10～15℃。

2 实验结果与讨论

2.1 辊-靴间隙宽度对半固态合金组织的影响

实验证明, 辊-靴间隙过大, 合金液得不到轧辊的剪切作用, 甚至合金液直接沿靴座表面流出出料口, 此时合金的凝固与常规铸造过程无异。辊-靴间隙为5mm时, 750℃浇注得到的LY11合金坯料冷却后的组织如图2所示。可以看到辊-靴间隙过大, 使合金凝固时得不到有效剪切, 从而枝晶发达, 组织结构粗大。反之, 当辊-靴间隙过小时, 由于辊-靴间隙容纳的合金液量较少, 合金液体层较薄, 合金散热速度很快, 合金液进入辊-靴间隙后, 立即形成凝固壳并紧紧覆盖在轧辊表面, 即使浇注温度较高, 合金在出料口也会发生完全凝固, 从而得不到半固态合金, 凝固在轧辊表面的合金难以清除, 甚至造成“死机”。通过实验, 确定出有效辊-靴间隙宽度为2～3mm。

2.2 浇注温度对半固态合金组织的影响

在不同的浇注温度下, SCR法制得的半固态LY11合金坯料水冷后的显微组织如图3所示, 晶粒度与浇注温度的关系曲线如图4所示。

图2 辊-靴间隙过大时凝固组织

Fig.2 Microstructure after solidification when gap between roll and shoe is much bigger

由图3和图4可见, 1) 随浇注温度降低, 合金内部晶粒由大变小。在较高浇注温度下这种变化不明显, 而低于约750℃时这种变化非常明显;2) 在浇注温度低于约730℃时, 树枝晶开始生长, 温度越低, 树枝晶越发达;3) 在本实验工艺条件下, 浇注温度在730～750℃范围内, 可得到细小、均匀的球状或椭球状晶粒组织。

SCR法制备半固态合金时, 当固相体积分数不太高时, 在轧辊的剪切作用下, 自由晶粒发生运动, 使晶粒受剪切与长大的机会基本趋于均等, 合金晶粒趋于球形, 晶粒大小也基本均匀。在750～790℃浇注时, 热量散失所需时间长, 冷却对晶粒长大的抑制作用较小, 晶粒大小变化不明显;而浇注温度低于750℃时, 热量散失所需时间短, 晶粒长大受到抑制, 冷却后得到的半固态合金坯料的晶粒随温度的降低而明显减小。一般情况下, 合金凝固时枝晶生长与2个因素有关, 一个是凝固界面前沿的温度梯度, 另一个是成分过冷度。浇注温度越低越容易导致凝固界面前沿出现负温度梯度, 出现枝晶生长。实验发现浇注温度低于730℃时, 合金出现等轴枝晶生长, 如图3 (b) 所示, 随浇注温度进一步降低, 枝晶越发达, 如图3 (a) 所示。

图3 不同温度浇注制得的LY11半固态合金材料水冷后的显微组织

Fig.3 Microstructures of semi-solid LY11 alloy produced from different pouring temperatures by water-cooling

(a) —710℃; (b) —730℃; (c) —750℃; (d) —770℃; (e) —790℃

图4 浇注温度与晶粒度的关系

Fig.4 Relationship between grain size level and pouring temperature

2.3 冷却方式对半固态合金组织的影响

用SCR法制备LY11半固态坯料时, 冷却方式主要影响合金晶粒的大小与分布, 而对晶粒形状的影响不明显。图5所示为在750℃与710℃浇注空冷制得的合金坯料的显微组织。与水冷制得的合金坯料相比, 可得到以下几点:1) 不管是空冷或水冷, 都存在相同的浇注温度界限。浇注温度高于约750℃, 晶粒尺寸和形状随浇注温度的变化不明显;浇注温度低于约730℃, 合金坯料内部出现枝晶, 温度越低, 枝晶越发达;浇注温度越低, 合金组织越细小。2) 在相同的浇注温度条件下, 空冷制得的半固态合金坯料晶粒尺寸较水冷时大2～3个级别, 主要是由于大的冷却强度抑制晶粒生长引起的。3) 空冷时得到的合金坯料晶粒组织较水冷时均匀, 这是由于水冷时冷却强度不均引起的。水冷时坯料外层冷却强度较大, 而越靠近中心冷却强度越小, 因此合金坯料内外冷却强度差较大, 使得晶粒生长不均匀;而空冷条件下, 这种内外冷却强度差较小, 晶粒的生长较为均匀。

图5 空冷LY11半固态合金坯料的显微组织

Fig.5 Microstructures of semi-solid LY11 alloy by air-cooling

(a) —750℃; (b) —710℃

4 结论

1) 辊-靴间隙为2～3 mm时才能制得组织细小、均匀的LY11半固态合金材料。

2) 浇注温度影响半固态合金坯料内部晶粒的大小与形状。浇注温度高于750℃时, 随浇注温度的降低晶粒细化不明显;而浇注温度低于750℃时, 随浇注温度的降低晶粒细化非常明显;当浇注温度低于730℃时, 制得的半固态合金开始出现枝晶。浇注温度在730～750℃范围内, 可制得细小、均匀的球状或椭球状晶粒组织的LY11半固态合金。

3) 冷却方式主要影响LY11半固态合金坯料的晶粒大小与分布。水冷制得的合金晶粒度比空冷制得的合金晶粒尺寸小2～3级;而空冷制得的半固态合金坯料的晶粒较水冷的均匀。