近液相线法制备ZL203 半固态坯料研究

时间：2024-07-28

邱辉

（贵州航天风华精密设备有限公司，贵州贵阳 550000）

20 世纪70 年代，美国麻省理工学院的Flemings等人首先提出了半固态成形技术[1]。这一新的成形加工方法综合了凝固和塑性加工的长处，即加工温度比液态低、变形抗力比固态小，可通过一次大变形量便加工成形状复杂且精度和性能质量要求均较高的零件[1-3]。经过近40 多年的发展，特别是在西方一些工业发达国家，已将铝合金的半固态成形技术实现了产业化，例如将其应用到汽车工业、计算机、数码相机等行业[4]。

半固态成形可分为流变成形和触变成形[5]，流变成形的半固态浆料在制备时不容易控制，因此流变成形的研究应用进展较为缓慢；而触变成形的半固态坯料制备方法多，例如电磁搅拌法、近液相线法、应变诱发熔化激活法、喷射成形法等方法[6-8]，且容易控制，应用前景较好。本文采用近液相线法制备ZL203 半固态坯料，该方法具有操作简单、成本低、效率高等优点，且制备出的半固态坯料可为后续的二次加热保温触变成形提供有力的保障。

1 试验内容

1.1 试验合金

试验采用的合金为购置的ZL203 合金锭，该合金的具体化学成分如表1 所示。

表1 ZL203 合金的化学成分

1.2 试验过程

通过查阅二元合金相图可知，ZL203 的液相线温度约为640 ℃。将已经称量好的ZL203 放入感应电阻炉中加热熔化，同时将部分模具放入马弗炉中加热保温备用；待金属全部熔化后，倒入六氯乙烷，静置10 min 后精炼除气，然后进行撇渣，当达到浇注温度时，开始进行试验。第一组试验采用常温模具进行浇注，浇注温度分别为650 ℃、640 ℃、630 ℃。第二组试验采用热模具进行浇注，浇注温度为630 ℃，模具温度分别为150 ℃、100 ℃、50 ℃。

1.3 制样及组织观察

将制备好的坯料切割成10 mm×10 mm×10 mm的小试样，用水砂纸磨制试样，然后用抛光机将试样打磨抛光；用腐蚀液（体积分数为：50%H2O+40%HNO3+6%HCI+4%HF）腐蚀试样，后清洗干净；采用金相显微镜观察金相组织并拍照。

2 试验结果

2.1 浇注温度对ZL203 合金微观组织形貌和尺寸的影响

如图1 所示为浇注温度对ZL203 合金初生α-Al形貌和尺寸的影响，从图1 可看出，当浇注温度为650 ℃，ZL203 合金初生α-Al 的形貌为粗大的蔷薇状，未见等轴状的晶粒；当浇注温度为640 ℃时，出现了一些尺寸较小的等轴状初生α-Al，甚至部分晶粒呈近球状，但仍然存在较多的粗大蔷薇状α-Al；当浇注温度降为630 ℃时，绝大多数的初生α-Al 已成尺寸较小的等轴状或近球状，而蔷薇状的初生α-Al 已很少。

图1 浇注温度对ZL203 合金初生α-Al 形貌的影响

ZL203 合金微观组织尺寸随浇注温度变化曲线如下页图2 所示，从图2 中可以发现，随着浇注温度的降低，晶粒的尺寸不断减小，当浇注温度为630 ℃时，晶粒的平均尺寸最小。

图2 ZL203 合金微观组织尺寸随浇注温度变化曲线图

2.2 模具温度对ZL203 合金微观组织形貌和尺寸的影响

如图3 所示为模具温度对ZL203 合金初生α-Al形貌和尺寸的影响，从图3 可看出，当模具温度为150 ℃时，ZL203 合金初生α-Al 的形貌出现了粗大的蔷薇状，甚至部分为粗大的树枝状，等轴状的晶粒极少；当模具温度为100 ℃时，初生α-Al 的形貌已转变为蔷薇状，晶粒仍然粗大，而等轴状的细小晶粒任然极少；当模具温度为50 ℃时，绝大部分ZL203 合金初生α-Al 的形貌转变为等轴状，同时出现了极少数的近球状晶粒，且晶粒变细，蔷薇状的晶粒已很少。ZL203 合金微观组织尺寸随浇注温度变化曲线如图4所示，从图4 中可以发现，随着模具温度的降低，初生α-Al 晶粒的尺寸随模具温度的降低而减小，当模具温度为50 ℃时，晶粒的平均尺寸最小。

图3 模具温度对ZL203 合金初生α-Al 形貌的影响

图4 ZL203 合金微观组织尺寸随浇注温度变化曲线图

3 分析与讨论

从图1 和图2 可看出，随着浇注温度的降低并接近液相线，ZL203 合金初生α-Al 从粗大的蔷薇状转变为细小的等轴状或近球状。由此可见，在相同的冷却速度下，浇注温度直接影响了ZL203 合金初生α-Al 的形貌和尺寸。Flemings 认为[9]在一定的冷却速度下，若足够多的晶核能在合金凝固初期形成，那么合金在结晶过程中就会形成大量的近球状组织，其关键就是在凝固初期促进大量的形核。根据结构起伏理论，金属熔体在低温时，熔体内存在大量的近程有序排列的准固态原子集团，在一定的过冷度下，大量的原子集团迅速长大成为稳定的结晶的核心[10]。同时，浇注温度低于液相线温度时，熔体产生过冷现象，形核数目增多，晶核间在长大过程中，当长大的晶体彼此相遇时，形成长大阻力，对彼此间长大造成抑制作用，晶体很少或不可能长大成为粗大的树枝晶，进而得到理想的细小近球状晶粒。因此，在一定冷却速度下，采用近液相法浇注，有利于大量晶核的形成，临界晶核半径减小，提高了形核率，晶体间的相互抑制长大作用增强，使得晶粒不能足够长大，从而使晶粒得到细化和球化。

而从图3 和图4 可以看出，在相同的浇注温度下，随着模具温度的降低，ZL203 合金初生α-Al 从树枝状和蔷薇状转变为等轴状或近球状。模具温度的差异从另一个角度反映出来的是冷却速度的差异，即模具温度高，金属熔液的冷却速度慢，而模具温度低，则金属熔液冷却速度快。此时，浇注温度已低于液相线，金属熔体内已达过冷度，结晶开始，但由于模具温度的高低差异，导致进入不同温度模具内的金属熔体冷却速度不同。冷却速度快的熔体，过冷度越大，形核数目越多，结晶后的晶粒也就越细小，而冷却速度慢的熔体，过冷度越小，形核数目越少，结晶后的初生相形貌呈蔷薇状，甚至树枝状，初生相尺寸较大。因此，浇注温度相同时，模具温度低，ZL203 合金初生α-Al 的形貌呈等轴状或近球状，晶粒细小。