凝固速率对铸造铝硅合金组织及力学性能的影响规律

蒲博闻发表于2024/12/23 9:09:43 铝硅合金浇注模具凝固速率

QQ空间新浪微博腾讯微博人人网网易微博更多

摘要

通过使用砂型模、Y形钢模和楔形铜模三种浇注模具，研究凝固速率对铝硅合金的凝固组织及力学性能的影响规律。结果表明，随着凝固速率增加，合金二次枝晶臂间距、共晶硅尺寸和缺陷尺寸均降低，晶粒形貌逐渐转变为树枝晶或细小蔷薇晶粒。在Y形钢模中合金的凝固速率为2~5 ℃/s，相应的凝固组织较为细密且缺陷较少，同时有利于形成少量Al3M初生相。通过建立合金二次枝晶臂间距分别与凝固冷却速率和屈服强度之间的变化关系式，阐述了凝固速率对合金组织及力学性能的影响规律。

铝硅合金具有低线膨胀系数、高气密性且热裂倾向小，表现出良好的铸造性能，被广泛应用于发动机气缸盖等形状复杂的车用铸造部件。铝硅合金铸件的组织对其力学性能起到决定性作用，而铸件的组织通常受到浇注模具、冷铁厚度及位置等外界因素的影响。研究表明，对冒口和冷铁进行合理设计能提升铸件质量和合格率，在热节处适当放置冒口和内、外冷铁可以减轻铸件出现缩松、缩孔缺陷。实际上，这些外界因素的调整一般是通过对铸件的凝固速率的控制，发挥对组织及力学性能的调控作用。然而，目前关于凝固冷速对铝硅合金铸件组织及力学性能影响的研究尚有不足，因此本文利用砂型模、Y形钢模和楔形铜模三种铸造模具控制合金凝固速率，以微合金改性ZL702A铝硅合金为研究对象，研究了模具及模具位置的不同凝固速率对合金组织及力学性能的影响规律，拟为复杂结构铸件的设计与制造提供指导。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

研究用铝硅合金在工业级ZL702A合金基础上添加微量Zr、Sc、Sr元素改性得到，合金的实际成分如表1所示。合金熔炼所用原材料为精铝、Al-12Si、Al-5Ti-B、Al-50Cu、Al-2Sc、Al-2Zr，按成分要求将配制的料装炉熔化并均匀搅拌，控温加Mg后精炼，然后在模具中进行浇注。铸锭的凝固速率通过使用砂型、Y形钢模和楔形铜模三种不同冷却速率的模具进行调控。凝固速率范围分别为0.1~0.5℃/s、2~5 ℃/s和20~30 ℃/s，相应为慢速凝固、中速凝固和快速凝固。合金浇注温度，即凝固初始温度为705 ℃。

1.2 表征测试

利用金相显微镜观察合金的组织，金相样品根据标准金相制样方法制备。利用Image-Pro Plus（IPP）图像分析软件对金相组织照片进行处理，之后通过截距法量取二次枝晶臂间距、硅相、缺陷等组织特征的尺寸并进行统计。合金在拉伸性能测试前进行T6热处理，包括三级固溶：400 ℃×10 h+500 ℃×4 h+525 ℃×10 h；时效工艺为170 ℃×12 h。合金室温拉伸性能根据GB/T228.1—2021规定，在型号为SANS-CMJ5105的万能力学试验机上进行测试，拉伸速率为2 mm/min，试样尺寸如图1所示。每组试样测试三次，以拉伸强度和屈服强度的平均值作为该组试样的力学性能。

图1 拉伸试样尺寸

1.3 计算分析

利用相图与性能计算软件JMatPro辅助计算分析凝固速率对合金组织的影响规律。软件基于功能强大且稳定的热力学模型及数据，保证了计算结果的准确性。本文将对合金凝固过程及相组成进行计算，计算所用合金的化学成分见表1。

表1 合金的化学成分 wB/%

2 结果与分析

2.1 不同凝固速率下的合金微观组织

图2为不同凝固速率下样品金相显微镜照片，图3为不同凝固速率下合金的二次枝晶臂间距（SDAS）、共晶硅尺寸及缺陷尺寸的统计结果。由图2和图3可知，随着凝固速率加快，SDAS、共晶硅尺寸及缺陷尺寸均呈现降低趋势，这种降低趋势在中速凝固与快速凝固样品之间趋缓。中速凝固样品与快速凝固样品的组织较为细密，为树枝晶或细小蔷薇晶粒，SDAS分别为17.7 μm和11.3 μm；共晶硅尺寸接近，分别为1.13 μm和1.04 μm；晶界与枝晶间存在显微疏松缺陷，缺陷尺寸分别为109 μm和41 μm。由于合金中添加了Zr、Sc、Ti元素，其凝固组织往往会出现Al3M（M=Sc，Zr，Ti）初生相。研究合金的初生相形态如图2d-f所示，可以发现随着凝固速率增加，初生相的尺寸和数量明显减少，在快速凝固时几乎很难观察到明显的初生相生成。

图2 不同凝固速率下样品的金相显微镜照片

图3 不同凝固速率下合金的组织特征统计结果

2.2 凝固速率对合金微观组织影响规律分析

采用JMatPro软件计算合金在705~100 ℃降温范围内，0.1~30 ℃/s不同凝固速率的降温曲线，结果如图4所示。合金凝固过程中的特征形核温度如表2所示。计算结果表明，α-Al形核温度约为657 ℃，初生相形核温度约为602 ℃。当凝固速率低于3.5 ℃/s时，降温曲线会在574 ℃左右出现一个明显的共晶反应形核平台；而快速凝固时，形核平台并不显著。之所以会产生形核平台，是因为合金在凝固过程中吸收的热量与合金中硅相通过共晶反应生成释放的热量形成动态平衡，导致温度变化相对趋零。当凝固速率较慢时，共晶硅的形核核心较少，硅相会聚集长大，共晶硅生长释放的潜热难以分散，因此，降温曲线的恒温平台较明显。另外，潜热的集中分布也会使早期形成的枝晶组织不能借助共晶潜热再次熔融，无法完成补缩，造成较大尺寸的铸造缺陷。

图4 不同凝固速率下合金的热分析曲线

表2 合金凝固过程中的形核温度

图5a为计算的合金中α-Al与共晶硅的相对含量变化曲线，在574 ℃附近出现相对含量突变，对应铝硅共晶反应过程，在凝固结束后两相稳定含量分别为91%和7.18%。图5b为计算分析合金中Al3M初生相的元素百分比，结果显示初生相在600 ℃左右成分趋于稳定，相组成对应为Al3（Sc，Zr，Ti）相，其中Sc含量较高，Zr、Ti含量次之。初生相的计算结果与之前研究中的试验表征结果接近。综合分析合金凝固降温曲线中初生相形核温度及形核过程，控制合金凝固速率为2~ 5 ℃/s，即中速凝固，更有利于使合金Al3M初生相在凝固过程中处于理想孕育状态。当中速凝固时，一方面，初生相在α-Al基体开始凝固前在多个位置孕育形成；另一方面，在一定过冷作用下，α-Al凝固长大可以抑制初生相生长（图2e）。当α-Al凝固速率过快时，会阻碍初生相颗粒的形核（图2f），而慢速凝固又会造成初生相尺寸过大（图2d）。

图5 合金中各相元素相对含量计算分析

2.3 凝固速率对合金力学性能的影响规律

对使用Y形钢模以中速凝固的合金样品进行力学性能测试，Y形钢模不同位置的合金样品凝固速率不同，其上部、中部、底部的凝固速率分别为2 ℃/s、3.5 ℃/s和5 ℃/s，结果如表3所示。随着凝固速率的增加，合金的强度明显提高。Y形钢模底部凝固速率最高，合金的抗拉强度达到381 MPa，屈服强度达到296 MPa。

表3 不同凝固速率下合金室温力学性能结果

M. Okayasu等研究发现，凝固速率δ与SDAS之间存在的关系式。合金在Y形钢模上部、中部、底部凝固组织中的SDAS分别为25.4 μm，20.7 μm和18.4 μm，SDAS随凝固冷却速率的变化趋势与关系式：一致，如图6a所示。一些研究表明，与屈服强度（σ0.2）通常存在线性关系，二者的关系式可经试验值拟合得到：，如图6b所示。因此，通过SDAS可间接建立起凝固速率与合金力学性能之间的规律关系。