简介概要

半固态铝合金设计与试验研究

来源期刊：稀有金属2004年第2期

论文作者：刘玉芹石力开田战峰樊中云徐骏

关键词：合金设计; 半固态金属; 铝合金;

摘要：在半固态加工的基本原理基础上采用合金热力学计算方法设计了Al-Si-Mg系半固态新合金, 并进行了初步的试验验证.结果表明, 新合金在铸态和半固态下的组织和力学性能特点与预测结果基本一致,并且发现适当增加Mg, Si含量可以改善铝合金半固态加工性能和提高合金的力学性能.这对进一步开发新型的实用半固态合金具有一定的指导作用.

稀有金属 2004,(02),358-361 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2004.02.017

半固态铝合金设计与试验研究

田战峰石力开刘玉芹樊中云

北京有色金属研究总院国家有色金属复合材料工程技术研究中心,北京有色金属研究总院国家有色金属复合材料工程技术研究中心,北京有色金属研究总院国家有色金属复合材料工程技术研究中心,英国Brunel大学,英国Brunel大学北京100088 ,北京100088 ,北京100088 ,UB83PH,英国 ,UB83PH,英国

摘要：

在半固态加工的基本原理基础上采用合金热力学计算方法设计了Al Si Mg系半固态新合金 , 并进行了初步的试验验证。结果表明 , 新合金在铸态和半固态下的组织和力学性能特点与预测结果基本一致 , 并且发现适当增加Mg , Si含量可以改善铝合金半固态加工性能和提高合金的力学性能。这对进一步开发新型的实用半固态合金具有一定的指导作用。

关键词：

合金设计;半固态金属;铝合金;

中图分类号： TG249

收稿日期：2003-09-09

基金：国家高技术研究发展计划 (863计划 ) 资助项目 (2 0 0 2AA3 3 60 80 );

Design and Experimental Investigations of Semisolid Aluminum Alloys

Abstract：

The development of semi-solid metal (SSM) processing was limited by using conventional cast aluminium alloys. Therefore one of the main researches for SSM processing is to design special alloys for SSM processing in order to realize its full potential. In this paper, the new SSM alloys of Al-Si-Mg ternary system were designed and optimized by thermodynamic calculations with the consideration of basic principle of SSM processing, and tested. The result shows that microstructures and properties of the new alloys both in as-cast and semisolid states are quite correspond with the results of thermodynamic calculations. It is found that the processing properties of semisolid alloys can be improved as the Mg and Si contents are increased properly.

Keyword：

alloy design; semisolid metals; aluminum alloys;

Received： 2003-09-09

半固态加工技术的特点是通过改变加工方式来充分挖掘材料性能的潜力, 实现零部件的近终成形, 并降低零部件制造的综合成本 (主要指降低能源、材料和模具消耗) , 这些已在铝合金的应用中得到了验证 ^[1,2,3,4] 。目前, 产业化的铝合金半固态加工技术路线是半固态浆料制备、二次加热半固态坯料、触变压铸或触变锻造成形, 采用的材料为传统的铸造铝合金。这种加工路线的最大优点是可控性高、易于实现工业化规模生产并明显提高铸造铝合金的综合性能。但是, 随着工业化应用的深入, 上述加工路线的缺点日益显著, 原因之一是过去十几年主要是套用传统铸造铝合金 (如A356, A357) 来研究开发半固态加工技术装备和工业化应用。由于传统铸造铝合金本身的局限性, 使其并不能充分有效地发挥半固态加工技术优势, 半固态加工技术为铸造铝合金带来的力学性能的改善不足以抵消采用该技术所增加的成本, 因而限制了半固态加工技术在工业上特别是汽车零部件制造业上的推广和应用。针对这一情况, 研制开发能充分发挥半固态加工技术特点, 又具有明确市场应用前景的半固态专用铝合金, 使这种合金既有低的成本和良好的半固态加工性能又有接近变形合金的力学性能, 已成为半固态研究的新热点 ^[5,6,7,8,9] 。

本文试图通过对Al-Mg-Si系的合金热力学计算, 设计出适合半固态加工的合金成分范围, 以减少新合金研究的试验工作, 缩短新合金开发的研究周期。在合金设计的基础上, 选择出4种Al-Mg-Si三元合金成分进行了半固态加工的基础研究, 得到了一些有益的实验数据, 为进一步优选适合半固态加工的低成本高性能铝合金提供了一些实验依据。

1 合金成分设计

1.1 新合金设计的基本条件

为了获得一种适合半固态触变成形的新合金, 在合金设计时需要根据触变成形的工艺特点来分析新合金应满足的基本条件 ^[10] 。首先, 新合金应具有较宽的固-液相线区间, 以利于半固态初生相的形成和固相体积分数的控制; 其次, 新合金的初生相与剩余液相的数量应具有一个合理的配比, 使初生相的体积分数能够满足触变成形所需要的固相分数, 以利于二次加热时固-液相分数的控制; 最后, 新合金中的强化相Mg₂Si在初生相中应具有较大的溶解度, 使合金具有良好的可热处理强化性, 以获得高性能的半固态零部件。

1.2 热力学计算方法与设计结果

根据在新合金设计中考虑的基本条件, 采用国际通用的Thermo-Calc软件对Al-Si-Mg系合金进行了设计计算。图1为计算出的适合半固态触变成形的Al-Mg-Si系成分点, 表1是影响半固态加工主要参数的计算结果, 其中列出了商用铝合金A356, A357及6061的相关参数, 以便于比较。

2 实验步骤

根据上述热力学计算结果, 并与商用铝合金进行对比后, 首先排除了α体积分数小的Al-6Si-4Mg和Al-7Si-5Mg合金成分点, 又排除了合金元素在α铝中固溶度较低的Al-3Si-2Mg合金成分点, 选择了剩余的4种Al-Si-Mg合金成分进行试验研究, 合金的名义成分分别为Al-4Si-2Mg, Al-5Si-2Mg, Al-6Si-2Mg和Al-6Si-3Mg。分别熔炼出4种成分的合金锭各2 kg, 经化学成分分析确定出合金

图1 设计出的Al-Si-Mg系半固态合金成分点 ? 适合触变成形的成分点

Fig.1 Projection of semisolid alloy compositions in Al-Mg-Si system

表1 影响半固态加工主要参数的计算结果

Table 1Calculated results of parameters that influence semisolid processing

合金	液相线温度/℃	液固相线温度区间/℃	初生相 α体积分数/%	合金元素在α铝中的固溶度/%
合金	液相线温度/℃	液固相线温度区间/℃	初生相 α体积分数/%	Si	Mg
Al-3Si-2Mg	633.5	76.3	79	0.613	0.816
Al-4Si-2Mg	627.7	70.5	81	0.844	0.729
Al-5Si-2Mg	621.8	64.6	71	1.090	0.645
Al-6Si-2Mg	615.7	58.5	63	1.353	0.567
Al-6Si-3Mg	611.9	54.7	66	1.212	0.705
Al-6Si-4Mg	608.1	50.9	42	1.071	0.806
Al-7Si-5Mg	598.7	41.5	28	1.169	0.734
商用铝合金
A356	615.6	48.1	53	/	/
A357	614.9	54.2	57	/	/
6061	652.1	61.6	61	0.131	0.494

的实际成分; 然后, 采用高纯石墨坩埚熔化合金, 加热至720 ℃用六氯乙烷精炼后静置3~5 min, 将盛满熔融铝液的坩埚放在电磁搅拌器中进行搅拌 ^[11] , 搅拌频率为7.6~8.0 Hz。当坩埚内合金的温度降至600~615 ℃时, 停止搅拌, 立刻水冷。分别测定和观察4种半固态合金的相变点、力学性能和金相显微组织。

3 结果与讨论

3.1 合金成分及性能研究

表2是试验测定的4种合金成分及性能结果。按照合金的名义成分配置合金, 经熔炼后获得的合金实际成分列于表2中。由于Mg, Si在熔炼时有部分烧损, 实际合金成分均低于其名义成分。

根据DSC分析结果表明, 在Mg含量一定的条件下, 随Si含量的增加合金熔点下降, 固液相线温度区间缩小; 而Mg含量增加 (4^#样品) 对合金的熔点和固液相线温差影响不大。这与热力学计算结果是一致的。

关于合金的力学性能, 从上表可以看出, 铸态下4种合金的共同特点是强度偏低, 拉伸试样全为脆性断裂, 表明这4种合金在使用传统的砂型或金属型铸造方法时铸件的力学性能很差。经过电磁搅拌后, 合金的强度变化不明显, 但塑性得到了很大改善。这一结果与目前A356, A357实际使用情况非常一致 ^[11,12] 。

3.2 合金微观组织结构研究

图2为1^#~4^#合金铸态组织的金相照片。可以看出, 除α相和共晶相之外, 还有部分先析出的Mg₂Si相。由于Mg和Si在Mg₂Si相中的质量比为Mg∶Si=1.73∶1, 因此, 随着Mg含量的增多, 先析

表2 Al-Mg-Si系新合金成分及性能测试结果

Table 2Compositions and properties of new alloys for Al-Mg-Si system

编号成分	液相线温度/ ℃	固液相线温度区间/℃	铸态力学性能		半固态力学性能
编号成分	液相线温度/ ℃	固液相线温度区间/℃	σ_b/ MPa	δ₅/ %	σ_b/ MPa	δ₅/ %
1^# 3.6Si-1.71Mg	638	84.0	137	<1	156	<1
2^# 4.74Si-1.83Mg	632	77.2	225	<1	205	3.5
3^# 5.8Si-1.81Mg	624	69.0	196	<1	213	3
4^# 5.68Si-2.72Mg	622	66.8	198	<1	195	2

出Mg₂Si相也增多。图2 (d) 与前3者的比较可以清楚的反映这一现象。

图3为1^#~4^#合金电磁搅拌后的金相显微组织。通过合金组织状态可以看出2^#, 3^#, 4^#的初生相约占60%左右, 而且分散比较均匀, 而1^#合金的初生相偏聚现象比较严重, 这表明在现有条件下, Mg, Si含量的增加对半固态组织的形成是有利的。

通过上述试验分析, 基本可以排除1^#样品; 2^#~4^#样品具有较大的固液相线凝固区间和较好的力学性能, 可形成较好的半固态组织, 基本满足半固态加工的条件。

图2 铸态合金的金相组织 (a) Al-4Si-2Mg (1#) ; (b) Al-5Si-2Mg (2#) ; (c) Al-6Si-2Mg (3#) ; (d) Al-6Si-3Mg (4#)

Fig.2 Microstructures of as-cast alloys

图3 电磁搅拌合金的金相组织 (a) Al-4Si-2Mg (1#) ; (b) Al-5Si-2Mg (2#) ; (c) Al-6Si-2Mg (3#) ; (d) Al-6Si-3Mg (4#)

Fig.3 Microstructures of alloys by electromagnetic stirring

4 结论

本文利用合金热力学方法并结合半固态加工的基本原理来设计Al-Si-Mg系半固态新合金, 理论计算和试验分析研究表明, 在电磁搅拌作用下, 新合金的塑性均有不同程度的改善, 并能够获得较好半固态组织; 同时表明, 适当地增加Mg, Si含量不仅有利于改善合金的半固态加工性能性, 而且有利于提高半固态坯料的力学性能。

以上只是初步开展了设计和试验研究适合半固态加工的新型铝合金; 只有进一步深入研究新合金的触变性能、热处理强化性能和微量合金元素的影响作用等之后, 才能实现新合金的应用。