高強(qiáng)耐磨鋁合金制備工藝研究

李秋梅,張 宇,代自瑩,王東輝,謝方亮

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司,遼寧 遼陽(yáng) 111003)

Al-Si系變形鋁合金,是以高Si為主要合金元素的鋁合金,具有熔點(diǎn)低、熔體流動(dòng)性好、易補(bǔ)縮、耐磨性好、熱硬度高和尺寸穩(wěn)定性好等特性[1-2]。由于Si的比重和線(xiàn)膨脹系數(shù)比Al小,同為面心立方晶體,熔化潛熱大,Si加入到鋁基體中,降低合金的收縮量和熱裂傾向,減少疏松、縮孔,提高氣密性,制品經(jīng)過(guò)有效變質(zhì)處理和熱處理后,具有優(yōu)良的機(jī)械性能、物理性能和抗腐蝕性能[3-4]。4Y32鋁合金屬于Al-Si系變形鋁合金,Si含量達(dá)到10%～12%,屬于共晶型鋁硅合金,較多共晶體的存在可提高合金的耐磨性,受到航空、航天及交通運(yùn)輸部門(mén)的重視[5-6]。4Y32合金的化學(xué)成分和化學(xué)相較為復(fù)雜,而現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的元素含量相對(duì)較寬,需要根據(jù)熔煉條件(熔煉溫度、冷卻速率和冷卻時(shí)間等)和變質(zhì)工藝等進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整,以期獲得優(yōu)越的組織和性能。因此,本文通過(guò)改變?nèi)坭T工藝,制備合格的4Y32鋁合金鑄棒。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

使用電阻熔煉爐將高純鋁錠(99.85 ω%)加熱至完全熔化,依次加入Al-Si中間合金(20 ω%)、 Al-Cu中間合金(60 ω%)、Al-Fe中間合金(10 ω%)、Al-Mn中間合金(10 ω%)、Mg錠(99.95 ω%)及AlTi5B絲(5 ω%),制備5 kg鋁合金鑄錠,合金成分見(jiàn)表1。

表1 4Y32鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

1.2 試制工藝

4Y32鋁合金的鑄造工藝見(jiàn)表2。

表2 試制工藝參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方法

按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3246.1—012要求,在鑄錠橫截面上切取金相試樣,試樣磨拋后,使用Keller試劑進(jìn)行腐蝕,采用OLYMPUS(GX51)型金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀(guān)察。按照GB/T 228.1—2010要求,在鑄錠剖面切取拉伸試樣,并采用AG-X 100KNH型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 熔煉時(shí)間對(duì)鋁合金鑄錠質(zhì)量的影響

圖1為冷卻速率為4 ℃/min、熔煉時(shí)間為8 h的鋁合金鑄錠的宏觀(guān)形貌。由圖1可知,鑄棒心部有大量不同尺寸的孔洞;經(jīng)低倍觀(guān)察發(fā)現(xiàn),鑄錠心部存在大量形狀不規(guī)則、內(nèi)壁粗糙的黑色孔洞。其中,最大孔洞尺寸為1159.52 μm,如圖2所示。

(a)剖面圖;(b)低倍組織

圖2 孔洞處的顯微組織(1#工藝)

為了確定孔洞產(chǎn)生的原因,考慮由于熔煉時(shí)間較長(zhǎng),鋁液中的吸氫量較多可能導(dǎo)致孔洞產(chǎn)生。因此縮短熔煉時(shí)間為5.5 h。

圖3為冷卻速率為4 ℃/min、熔煉時(shí)間為5.5 h的鋁合金鑄錠宏觀(guān)形貌。由圖3可知,鑄錠中孔洞尺寸減小,最大孔洞尺寸為120.74 μm。因此排除吸氫較多導(dǎo)致的缺陷。

圖3 孔洞處的顯微組織(2#工藝)

經(jīng)查閱相關(guān)資料,初步判斷該黑色孔洞為鑄造過(guò)程中產(chǎn)生縮孔缺陷。根據(jù)縮孔或縮松的形成機(jī)理,可通過(guò)降低熔體中氫含量、把握好供流速度和傾轉(zhuǎn)速度間的關(guān)系、控制散熱條件等方法,降低縮孔、縮松缺陷的產(chǎn)生。因此,進(jìn)行工藝改進(jìn),提高冷卻速率,采用高冷卻速率的金屬模進(jìn)行澆鑄。

2.2 冷卻速率對(duì)鋁合金鑄錠質(zhì)量的影響

圖4為冷卻速率為20 ℃/min、熔煉時(shí)間為5.5 h的鋁合金鑄錠低倍組織和金相組織。由圖4(a)可知,鑄錠橫截面未見(jiàn)粗大的縮孔、孔洞;在晶界和枝晶界附近存在細(xì)小的縮松缺陷,約9 μm,見(jiàn)圖4(b)。

(a)低倍組織;(b)金相組織

由此可見(jiàn),提高澆鑄過(guò)程中的冷卻速率,對(duì)縮孔的控制起到重要作用。因此,為了確定冷卻速率對(duì)縮孔和縮松的影響,繼續(xù)提高澆鑄過(guò)程中的冷卻速率。圖5為冷卻速率為25 ℃/min、熔煉時(shí)間為5.5 h的鋁合金鑄錠低倍和顯微組織。由圖5(a)可知,鑄錠橫截面未見(jiàn)粗大的縮孔孔洞;由圖5(b)可知,鑄錠中幾乎無(wú)縮松缺陷,黑色難溶相更加細(xì)小,且樹(shù)枝狀形貌更加細(xì)小。

(a)低倍組織;(b)金相組織

圖6為熔煉時(shí)間為5.5 h,冷卻速率分別為20和25 ℃/min的鋁合金鑄錠的力學(xué)性能。由圖6可知,冷卻速率為25 ℃/min時(shí),鑄錠心部和邊部的抗拉強(qiáng)度分別為246和254 MPa,屈服強(qiáng)度分別為194和189 MPa,鑄錠心部和邊部的強(qiáng)度偏差波動(dòng)較小。冷卻速率為20 ℃/min時(shí),鑄錠心部和邊部的抗拉強(qiáng)度分別為245和277 MPa,屈服強(qiáng)度分別為162和157 MPa,鑄錠心部和邊部的抗拉強(qiáng)度偏差波動(dòng)較大。說(shuō)明澆鑄過(guò)程中冷卻速率較大時(shí),合金熔體在凝固過(guò)程中,較大的過(guò)冷可使凝固前沿的固/液界面快速向液相推移并高效率地獲溶質(zhì)原子[7],因此性能更加均勻。

圖6 鑄錠力學(xué)性能

2.3 結(jié)果分析

綜上所述,該缺陷為縮孔和縮松,主要發(fā)生于Al-Si合金鑄件中?？s孔、縮松缺陷形成原理是合金液從液相到固相的凝固過(guò)程中會(huì)發(fā)生體積收縮,一般按照體積凝固的方式凝固,凝固區(qū)內(nèi)的小晶體很容易長(zhǎng)成發(fā)達(dá)的樹(shù)枝晶。當(dāng)固體達(dá)到一定數(shù)量形成晶體骨架時(shí),尚未凝固的液態(tài)金屬被分割成一個(gè)個(gè)互不相通的小熔池。在隨后的冷卻過(guò)程中,小熔池內(nèi)的液體將發(fā)生液態(tài)收縮和凝固收縮,已凝固的金屬則發(fā)生固態(tài)收縮。由于熔池金屬的液態(tài)收縮和凝固收縮之和大于其固態(tài)收縮,兩者之差引起的細(xì)小孔洞又得不到外部液體的補(bǔ)充,便在相應(yīng)部位形成了分散性的細(xì)小縮孔,即縮松。通常大而集中的孔洞成為縮孔,細(xì)小而分散的孔洞成為縮松[8-10]。因此,通過(guò)改變澆鑄過(guò)程中的冷卻速率,縮孔缺陷明顯得到改善。

當(dāng)冷卻速率快時(shí),鑄棒心部與邊部性能更加均勻當(dāng)冷卻速率較快時(shí),凝固組織的α-Al的二次枝晶臂間距尺寸減小,強(qiáng)度提高[11]。另外,冷卻速率較快時(shí),鑄造內(nèi)應(yīng)力大,因此冷卻速率較快的鋁合金鑄錠強(qiáng)度較高。

3 結(jié)論

1)鑄錠心部存在大量形狀不規(guī)則、內(nèi)壁粗糙的黑色孔洞缺陷,該缺陷主要為縮孔和縮松缺陷;

2)冷卻速率為4 ℃/min時(shí),縮短熔煉時(shí)間,孔洞尺寸變小,但縮孔缺陷仍存在;

3)冷卻速率為20 ℃/min時(shí),鑄錠中在晶界和枝晶界附近存在細(xì)小的縮松缺陷,邊部和心部強(qiáng)度偏差波動(dòng)較大;

4)冷卻速率為25 ℃/min時(shí),鑄錠中幾乎無(wú)縮松缺陷產(chǎn)生,邊部和心部強(qiáng)度偏差波動(dòng)較小。