简介概要

7075合金液相线半连续铸造与二次加热的合金组织

来源期刊：中国有色金属学报2001年第2期

论文作者：路贵民董杰崔建忠

文章页码：211 - 215

关键词：液相线铸造；半连续铸造；半固态； Al合金；非枝晶

Key words：liquidus casting; semi-continuous casting; semi-solid; Al alloy; non-dendrite

摘要：提出了液相线半连续铸造制备铝合金半固态浆的新工艺，研究了液相线半连续铸造7075合金的微观组织及其在二次加热过程中的变化。在液相线温度下(908 K)半连续铸造的7075合金组织为均匀、细小的蔷薇状组织，晶粒平均等积圆直径为29.7μm，晶粒平均圆度为1.87。经二次加热后，铸造组织逐渐转变为等轴晶。在849 K下加热60]min后，晶粒平均等积圆直径为57.6 μm，平均圆度为1.49。在869 K下加热30 min后，晶粒平均等积圆直径为47.2μm，平均圆度为1.54。结果表明，液相线半连续铸造可以获得理想的7075合金半固态浆料。

Abstract: A new process， liquidus semi-continuous casting(LSC) to produce semi-solid slurries of aluminum alloy, was presented. The casting and remelted microstructures of 7075 alloy cast by LSC were studied. The microstructures cast at liquidus temperature(908 K) by LSC is uniform， fine and rose flowered. The average equal-area-circle grain diameter is 29.7 μm and the average roundness is 1.87. The casting microstructures are gradually turned into equiaxed grains by being remelted. After the casting billet are soaked at 849 K for 60 min， the average equal-area-circle grain diameter is 57.6 μm and the average roundness is 1.49. After the casting billet is soaked at 869 K for 30 min， the average equal-area-circle grain diameter is 47.2 μm and the average roundness is 1.54. The results show that fine semi-solid slurries of 7075 alloy can be obtained by LSC.

DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2001.02.011

7075合金液相线半连续铸造与二次加热的合金组织

路贵民董杰崔建忠

东北大学材料与冶金学院!沈阳110006

摘要：

提出了液相线半连续铸造制备铝合金半固态浆的新工艺 , 研究了液相线半连续铸造 70 75合金的微观组织及其在二次加热过程中的变化。在液相线温度下 (90 8K) 半连续铸造的 70 75合金组织为均匀、细小的蔷薇状组织 , 晶粒平均等积圆直径为 2 9.7μm , 晶粒平均圆度为 1.87。经二次加热后 , 铸造组织逐渐转变为等轴晶。在849K下加热 6 0min后 , 晶粒平均等积圆直径为 5 7.6 μm , 平均圆度为 1.49。在 86 9K下加热 30min后 , 晶粒平均等积圆直径为 47.2 μm , 平均圆度为 1.5 4。结果表明 , 液相线半连续铸造可以获得理想的 70 75合金半固态浆料

关键词：

液相线铸造;半连续铸造;半固态;Al合金;非枝晶;

中图分类号： TG292

收稿日期：2000-04-10

基金：国家自然科学基金资助项目! (5 99740 0 9);

Casting and remelted microstructures of 7075 alloy cast by liquidus semi-continuous casting

Abstract：

A new process, liquidus semi continuous casting (LSC) to produce semi solid slurries of aluminum alloy, was presented. The casting and remelted microstructures of 7075 alloy cast by LSC were studied. The microstructures cast at liquidus temperature (908?K) by LSC is uniform, fine and rose flowered. The average equal area circle grain diameter is 29.7 μm and the average roundness is 1.87. The casting microstructures are gradually turned into equiaxed grains by being remelted. After the casting billet are soaked at 849 K for 60 min, the average equal area circle grain diameter is 57.6 μm and the average roundness is 1.49. After the casting billet is soaked at 869 K for 30 min, the average equal area circle grain diameter is 47.2 μm and the average roundness is 1.54. The results show that fine semi solid slurries of 7075 alloy can be obtained by LSC. [

Keyword：

liquidus casting; semi continuous casting; semi solid; Al alloy; non dendrite;

Received： 2000-04-10

半固态加工作为一种高效节能的现代材料成型新技术, 近年来得到了迅速发展, 应用范围不断扩大, 基础研究也不断深入。该技术因具有一系列独特优点而备受世人瞩目, 必将成为本世纪最具发展潜力的材料成型技术 ^[1,2,3] 。

在半固态加工过程中, 浆料的制备是关键的技术环节, 也是半固态领域研究的重点问题。目前有关半固态浆料的制备方法主要有电磁搅拌法、应变诱发熔化激活法、喷射成型法、紊流效应法、粉末冶金法和液相线铸造法等 ^[3,4,5] , 其中电磁搅拌法和应变诱发熔化激活法已经进入工业应用阶段。

液相线铸造法是近年来作者在大量研究的基础上开发的一种新型制浆技术, 即在合金液相线温度下保温形核后, 进行浇注获得均一细小的非枝晶组织, 以适合于半固态成型。该技术尤其适合于变形铝合金浆料的制备。作者曾对2168及7075合金铁模铸造进行过详细研究 ^[6,7,8] , 并在此基础上开展了液相线半连续铸造的研究工作。本研究的目的是探索液相线铸造过程的熔体凝固机理与工艺条件, 以期为实现工业化生产奠定基础。

1 实验

合金以工业纯铝 (含Al99.7%) 、电解铜、金属镁、锌、锰剂为原料, 在坩埚式电阻炉内进行熔炼。经分析, 合金的化学成分如表1。

精炼后的合金转入静置炉内进行二次深度净化后, 在计算机程序控温仪精确控制下冷却与保温。控温精度为±1℃。达到预定温度与保温时间后, 在立式半连续铸造机上进行铸造。改变铸造结晶器的内部结构可控制一次冷却强度, 冷却强度由弱至强用0, A, B, C表示。通过冷却水流量控制二次冷却强度。冷却水流量为0～0.1 m³/min, 铸造速度可调范围为0～300 mm/min。铸锭尺寸为d100mm×1200mm。

表1 实验用7075合金成分 Table 1 Composition of experimental 7075 alloy

合金的液相点采用差热分析法 (DTA) 测定。实验用7075合金的液相点为907.5K。

试样再加热设备为管式电阻炉, 其恒温带长150mm。温度控制采用计算机程序控温仪。试样加热实际温度以测温仪测定的温度为准。测温偶为S型热电偶。

采用光学显微镜与电子显微镜观察分析金相组织, 用图像分析仪测定晶粒尺寸与圆度。

2 结果及分析

2.1 7075合金铸造组织

不同条件下的铸锭组织如图1, 2所示。

图所示为下的铸造组织, 其铸造条件为:1013 K保温30 min, 一次冷却强度B, 二次冷却水流量0.025m³/min, 铸造速度120mm/min。图2 (a) 所示为铸造温度915K, 其它条件与图1相同的铸造组织。图2 (b) , (c) , (d) 所示均为908K下的铸造组织, 铸造条件分别为:图2 (b) 保温3min, 一次冷却B, 二次冷却水流量0.025m³/min, 铸造速度145mm/min;图2 (c) 保温30 min, 一次冷却B, 二次冷却水流量0.025m³/min, 铸造速度145mm/min;图2 (d) 保温30 min, 一次冷却A, 二次冷却水流量0.075m³/min, 铸造速度180 mm/min。

图1 1 013 K 7075合金铸造组织

Fig.1 Microstructure of 7075 alloy cast at 1013K

2.1.1 浇注温度对合金组织的影响

在常规铸造 (1013K) 条件下, 铸锭组织为粗大的树枝晶, 而在低温直至接近液相线温度时, 转变为蔷薇状及近球形的非枝晶组织, 且晶粒逐渐细化。根据结构起伏理论, 在低温时, 熔体内存在大量的近程有序排列的准固态原子集团, 这些原子集团在一定的过冷度下, 便迅速长大变成稳定的结晶核心 ^[9] 。另外, 当温度足够低时, 熔体有过冷的可能, 发生大量异质形核, 从而使铸锭完全由细小的等轴晶组成。因此认为, 降低浇注温度有助于等轴晶的形成 ^[10] 。

2.1.2 恒温时间对合金组织的影响

图2 (b) , (c) 所示分别为在908K下恒温3min与30min后的铸造组织。恒温时间很短时, 铸锭组织形状与大小很不均匀, 当恒温达到一定时间后, 其组织变得均一、细小。这是由于熔体传热速度滞后于冷却速度, 造成熔体内温度场不均, 局部产生温度梯度, 导致在凝固过程中形核不均以及晶粒生长条件不同。而当恒温时间较长时, 熔体内温度趋于一致, 晶核分布与晶体生长条件比较一致, 晶核数量有所增加, 得到的铸锭组织均一、细小。

图2 不同铸造条件下的7075合金组织

Fig.2 Microstructures of 7075 alloy under different cast conditions

(a) —915 K; (b) —908 K, 3 min, coaling intensity B; (c) —908 K, 30 min, cooling intensity B; (d) —908K, 30min, cooling intensity A (A<B)

2.1.3 冷却强度对合金组织的影响

通过改变一次冷却强度和二次冷却强度可发现, 在降低一次冷却强度而提高二次冷却强度, 并提高铸造速度的条件下, 铸锭组织有所改善, 如图2 (c) , (d) 所示。实验表明, 降低一次冷却强度, 有得利于降低熔体中的温度梯度, 抑制枝晶的长大速度;提高二次冷却强度, 可有效降低液穴深度, 有利于促进形核与铸锭组织的均匀。

通过图像分析仪对图2 (d) 所示试样进行分析, 晶粒平均等积圆直径为29.7μm, 最小直径为3.8μm, 最大直径为86μm, 其中等积圆直径小于55μm的晶粒占95%以上。晶粒平均圆度为1.87, 最小圆度为1.2, 最大圆度为6.4。

2.2 二次加热的合金组织

2.2.1 849K下等温加热的合金组织

7075合金液相线半连续铸造试样在849 K下恒温加热不同时间后的组织如图3所示。

在849K下加热5 min后, 晶界上的共晶组织开始熔化, 晶粒有球化倾向。但由于加热时间短, 组织变化并不明显, 仍保持蔷薇状组织。当恒温时间达到20min后, 共晶组织熔化量增多, 枝晶逐步消失, 晶粒明显球化。但通过扫描电镜二次电子像 (SME) (见图4) 可以看出, 晶粒边界并不光滑, 局部仍存在微小花瓣。说明在此条件下合金组织的转变不完全。经图像分析仪测定, 在849 K下恒温加热20min后, 晶粒平均等积圆直径48.6μm, 晶粒平均圆度1.59。当恒温时间达到60min后, 共晶组织进一步熔化, 液相比例增多, 晶粒球化更加明显。图像分析结果表明, 晶粒平均等积圆直径57.6μm, 晶粒平均圆度1.49。从SEM像可以看到, 晶界比较光滑, 枝晶或花瓣状晶已完全转变为等轴晶。同时, 在晶粒内部有液相析出。经扫描电镜分析, 在晶界及晶内液相中主要是富含Cu相。

2.2.2 869K恒温加热的合金组织

液相线半连续铸造7075合金在869 K下恒温加热后的组织如图5所示。在869K下恒温加热5min后, 合金组织开始出现明显变化, 晶界共晶组织开始溶解。恒温加热15 min后晶粒已明显球化。经测定, 晶粒平均等积圆直径45.8μm, 晶粒平均圆度1.52。加热30min后, 晶界与晶粒内部有大量液相析出, 晶粒已全部转化为等轴晶。晶粒平均等积圆直径47.2μm, 晶粒平均圆度1.54, 与加热15min的组织相比, 晶粒尺寸及圆度变化不大。

3 结论

1) 通过液相线半连续铸造7075合金获得了均一、细小的蔷薇状组织。晶粒平均等积圆直径为29.7μm, 晶粒平均圆度为1.87。经二次加热后转变为均匀、细小的等轴晶。

图3 849K下二次加热的合金组织

Fig.3 Microstructures of non-dendritic samples remelted in semi-solid state at 849K

(a) —5 min; (b) —20 min; (c) —60 min

图4 849 K下合金的二次电子像

Fig.4 Secondary electron micrographs of non-dendritic samples remelted in semi-solid state at 849K

(a) —20 min; (b) —60 min

图5 869 K下二次加热的合金组织

Fig.5 Microstructures of non-dendritic samples remelted in semi-solid state at 869K

(a) —5 min; (b) —15 min; (c) —30 min

2) 在849K下恒温加热60min后, 可完全转变为等轴晶, 晶粒平均等积圆直径为57.6μm, 晶粒平均圆度为1.49。在596℃下恒温加热15min后, 即可全部转变为等轴晶, 晶粒平均等积圆直径为45.8μm, 晶粒平均圆度为1.52。恒温时间延长至30min后, 除液相比例增加外, 晶粒圆度及尺寸基本不变。

3) 液相线半连续铸造是制取7075合金半固态浆料的有效方法