目的 研究搅拌速度和时间ACSR 工艺制备的 7075 铝合金半固体浆料组织的影响,研究和比较了传统压铸和流变压铸 7075 铝合金的组织和性能。方法通过改变搅拌速度和搅拌时间制备 7075 铝合金半固体浆料,采用金相显微镜、扫描电子显微镜、通用试验机研究样品微观组织、拉伸性能和断裂形状,探索 7075 合金半固体浆料组织的搅拌速度和搅拌时间,研究和比较传统压铸和流变压铸 7075 铝合金的组织性能。因此, 在一定范围内提高搅拌速度和时间有利于 α 1 -Al与传统压铸 7075 铝合金相比,流变压铸合金具有更好的机械性能,T6 热处理后,抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为 547 MPa、494 MPa 和 3.2%。结论 ACSR该工艺可制备出组织细小圆整的 7075 铝合金半固料,流变压铸可提高 7075 铝合金的力学性能。
关键词:7075 铝合金;半固体浆料;ACSR 工艺;流变压铸;组织性能
高强度 7075 变形铝合金被认为是实现铝代替钢的重要材料之一。高强度铝合金的开发和应用有利于汽车、机械、军事等领域的轻量化,但 7075铝合金由于合金元素含量高,在凝固过程中容易产生组织厚度和成分不均匀,采用普通铸造方法难以直接铸造完整的铸件,特别是传统的压铸工艺。压铸作为一种高效、低成本的近净成型工艺,广泛应用于铝合金铸件制备领域,但传统的压铸工艺容易造成缩孔、孔、夹杂缺陷,因此7075铝合金铸造特性和传统压铸工艺缺陷极大地限制了合金在更多领域的工程应用。
与传统液体成形相比,半固体成形温度较低,浆料中含有一定体积分数的非枝晶球形或近球形初生固相,可显著改善成形件的组织和铸造缺陷,大大提高成形件的性能;此外,与固体锻造相比,由于浆料具有良好的流动性,具有成形复杂结构件的能力,大大降低了成形过程中的模具损耗,延长了模具的使用寿命。因此,半固体成形技术受到许多企业的青睐和关注。特别是近年来,半固态浆料制备与压铸工艺相结合形成的流变压铸工艺具有巨大的成本优势、性能优势和效率优势,广泛应用于铝合金结构件的生产领域。气冷搅拌杆(Air-cooledstirringrod,ACSR)工艺是一种先进高效的铝合金半固态浆料制备工艺,该工艺利用机械搅拌和通气强冷搅拌杆使铝合金熔体快速冷却至半固态温度区间并促进形核[8-10]。目前该工艺已结合压铸机成功实现 Al-Si-Fe、Al-Si-Cu 等铸造铝合金流变压铸工业化,但该工艺针对 7 Al-Zn-Mg-Cu 高强度铝合金的研究和应用仍然空白。
文中采用ACSR对 7075 铝合金半固态浆料制备及流变压铸进行了研究ACSR工艺参数(搅拌速度和搅拌时间)对7075铝合金半固体浆料的组织影响,结合拉伸样品压铸模具,研究和比较流变压铸和传统压铸7075铝合金的组织和拉伸性能。
1 实验
1.1 材料
实验材料为商用7075变形铝合金,化学成分如表1所示。采用 SETARAM TGA- 7075 合金高温综合热分析仪差热分析(DSC)7075合金的液体和固相线分别为639 ℃和476 ℃。
ACSR半固态浆料装置工艺制备示意图如图1所示。具体工艺流程如下:首先,将7075铝合金铸锭放入井式电阻炉中,加热至720 ℃熔体温度调整到 660 ,直到完全熔化,精炼、除气和剥渣℃;然后,勺子从电阻炉中舀出7075铝合金熔体,搅拌棒深入勺子,开始对 7075 铝合金熔体进行强冷凝,具体 ACSR 处理步骤见文献,文中 ACSR熔体温度为660 ℃,搅拌速度为200-800 r/min,气体流量为4L/s,搅拌时间为15-40s;制浆后,从浆料中取样水淬,观察半固态组织;将剩余的半固态浆料倒入压铸机压室进行流变压铸,流变压铸采用力DCC400 冷室压铸机具体压铸工艺参数为60MPa,慢压速为 0.2m/s,快速压射速度为3.0 m/s,模具温度为180℃,如图2所示。为了比较,传统液压铸造的熔体浇注温度为660 ℃,压铸工艺参数与流变压铸一致。
1.3 组织观察和拉伸性能测试
7075铝合金试样粗磨、细磨、抛光keller 用于试剂侵蚀Neophot 21 型金相显微镜观察样品组织,拉伸棒断口形状为 ZEISS-SUPRA40 扫描电镜用于观察。Image-Pro Plus 软件对初生晶粒 α 1 -Al 的平均直径 D 形状因子 F 计算见式(1)和式(2)。
式中:A 为晶粒面积;P 晶粒界面周长。形状因子 F平均值越接近 1,初生晶粒越圆。拉伸试样如图 2 箭头所示,拉伸试样为 MTS810 电子万能实验机应变速率为 1 mm/min,用 5 根拉伸试样测试拉伸结果的平均值。
2 结果与讨论
2.1 混合速度对 7075 铝合金半固体浆料组织的影响
浇注温度为660℃,空气流量为4L/s,搅拌时间为25s, 200搅拌速度~800 r/min 的工艺条件下制备的 7075 铝合金半固态浆料显微组织见图3。图4统计了搅拌速度对7075铝合金半固态浆料组织特征影响,可以看出,随着搅拌速度由200r/min 提高到800r/min,α1 -Al 晶粒尺寸为97μm 细化到51μm,形状因子由0.51 提升到0.83.这是因为搅拌速度与 7075 铝合金熔体的对流强度有关,影响半固体浆料制备过程中各物理场的变化,增加搅拌速度,增强合金熔体的对流换热效果,熔体中的热量和物质混合越充分,熔体内的温差和浓度差降低,晶粒在短时间内处于各向温差和浓度差的范围内,抑制其最佳生长,有利于初生晶粒各方向均匀生长,但搅拌速度不是越高越好,搅拌速度过高会导致浆料内部过多的卷气,因此,在保证浆料内部卷气量较小的情况下,提高搅拌速度有利于改善半固体浆料组织。
2. 7075 铝合金半固态浆料组
浇注温度为660℃,空气流量为4L/s,搅拌速度为800 r/min,搅拌时间为15~40 s 7075 铝合金半固态浆料显微组织见图5。图6统计了不同搅拌时间下 7075 铝合金半固体浆料的组织特性。可以看出,随着搅拌时间从15岁开始s增加到25s,α1-Al 平均晶粒尺寸减小,圆整度增加;随着搅拌时间的延长,α1-Al 晶粒尺寸增大,圆整度基本不变。这是因为搅拌时间在一定范围内延长(15~25 s)它可以提高熔体核率。混合引起的强制对流促使晶体核更多地分散在整个熔体中。熔体的温度场和成分场越均匀,新生晶粒的各向等轴生长,机械搅拌和碰撞摩擦晶粒的概率增加,有利于晶粒的磨圆和球化,但在ACSR在制浆过程中,熔体内的主要晶核来源是舀勺内壁和搅拌杆外壁产生的大量晶核和气冷搅拌产生的晶粒增殖。当搅拌时间超过25时s之后,晶体核的数量和分散程度以及半固体浆料中成分场和温度场的均匀性难以继续提高。随着搅拌时间的延长,合金熔体不断冷却凝固,初生会有一定程度的增长。
2.与传统压铸相比,3 流变压铸和7075 铝合金组织
如图7所示,传统压铸和流变压铸7075铝合金的金相组织,可见传统压铸7075铝合金组织α-Al 为粗枝晶,如图 7a 所示;流变压铸合金中有大量细球形 α1-Al,如图 7b 显示。对于传统的压铸,由于局部过冷,熔体首先在压力室内壁上形成核,随着熔体流动,晶体核进入熔体,部分被过热熔体熔化,另一部分存活并逐渐生长,受过冷梯度的影响,晶体核生长为分支晶体,分布不均匀。
对于ACSR流变压铸工艺、机械搅拌和气体强冷的协同作用,使熔体迅速冷却到液相线温度以下。以勺子内壁和搅拌杆外壁为基础的不均匀核所需的稳定核较小,容易产生大量稳定的晶体核。由于混合作用,这些晶体核不能形成稳定的凝固壳,在冲刷作用下游离到熔体内部,为熔体晶体的小圆形非分支晶体的初始生长准备条件。根据生长动力学计算,初始晶粒球的生长条件为 :
式中:Rг以球形形式为初生晶粒生长的临界半径;λS和λL固相和液相合金的热导率;R*是初生晶粒的临界半径。在过冷的熔体中,一些晶核会以勺子内壁和搅拌杆上树枝晶体的形式生长;ACSR处理后的合金熔体处于动态凝固状态,具有局部相对均匀的成分场和浓度场,从而抑制枝晶的最佳生长;此外,在表面能量的作用下,游离枝晶逐渐趋于球形 ,以减少表面积的趋势生长。
传统的7075铝合金压铸和流变压铸 SEM图8显示了传统压铸和流变压铸7075铝合金中的强化相T(AlZnMgCu)分布状态差异很大。(AlZnMgCu)相是 7075 铝合金熔体凝固时在晶界处沉淀,T晶界分布较多,因为传统的压铸晶粒是粗大的枝晶,所以枝晶臂之间也有一些T此外,成型过程中的压力作用会导致部分枝晶有一定的方向性,进而导致枝晶臂之间的压力作用T相分布有一定的方向性,对铸件的性能影响很大 。对于流变压铸,由于浆料中的初生固相细化圆整,其凝固方向均匀,因此T最后在晶界处均匀沉淀,形成网状骨架,加强铝合金基体。
2.4 流变压铸和传统压铸 7075 铝合金拉伸性能
表2为铸态与T6热处理后,传统压铸与流变压铸7075铝合金的力学性能进行了比较。可以看出,无论是否通过 ,传统压铸 7075铝合金的强度和伸长率T6.热处理不如流变压铸7075铝合金。铸造7075铝合金ACSR 抗拉强度为351MPa,屈服强度为254MPa 伸长率为3.9%,经过T6热处理后,抗拉强度、屈服强度和伸长率可达547 MPa、494MPa和3.2%,伸长率降低,但抗拉强度和屈服强度显著提高,表明 ACSR 流变压铸工艺制备的流变压铸合金可通过后续热处理大大提高其机械性能。此外,与传统液压铸7075铝合金相比,铸态下流变压铸合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别提高了20%、10%和117%,T6下流变压铸合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别提高了10%、7%和113%,因此可以得出结论ACSR与传统压铸成型相比,流变压铸成型 7075 铝合金具有明显的优势。
传统压铸与流变压铸7075铝合金在拉伸性能上的巨大差异主要由铸件的显微组织结构形状决定,其组织结构形状的差异主要是由于凝固和结晶方式的不同造成的。首先,传统压铸合金的颗粒尺寸远大于流变压铸合金;其次,浇筑温度高会导致金属熔体湍流充电、缩孔等缺陷,增加7075铝合金的热裂纹倾向;此外,流变压铸7075铝合金T(AlZnMgCu)均匀分布α-Al 晶粒的晶界处,且相连形成网状,强化基体,从而提升7075铝合金力学性能。
图9为T6.传统压铸和流变压铸7075铝合金热处理后的拉伸断口形状。传统压铸断口出现微裂纹和孔隙缺陷,解理面较多,韧窝的存在几乎无法观察到(见图 9a),表现出典型的脆性断裂特征。流变压铸断口含有大量的撕裂边缘和少量的解理面,局部有大量的小韧窝(见图片 9b),局部塑性断裂是其断裂模式。
3 结论
1)对于 ACSR工艺制备7075铝合金半固体浆料,提高搅拌速度有利于 α1-Al细化和球化晶粒,搅拌速度为800r/min时,α1-Al 的平均尺寸和形状因子分别为51μm和0.83。
2)随着ACSR制浆工艺搅拌时间 延长,α1-Al的平均晶粒尺寸先减小后增大,形状因子先逐渐增大后基本保持不变。
3)与传统压铸7075铝合金相比,ACSR流变压铸合金组织细小、圆整且均匀;同时,ACSR流变压铸合金具有更高的拉伸性能,T6热处理后,其抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为547MPa、494MPa和 3.2%。
(文章来源:第一铸造)
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