非桂枝晶a357鋁合金坯料電磁感應(yīng)加熱組織演變規(guī)律

非桂枝晶a357鋁合金坯料電磁感應(yīng)加熱組織演變規(guī)律

自20世紀(jì)70年代初金屬半成形技術(shù)出版以來，經(jīng)過多年的研究和開發(fā)，金屬半成形技術(shù)在汽車零件件件行業(yè)得到了應(yīng)用。鋁合金半固態(tài)觸變成形技術(shù)主要包括非樹枝晶坯料制備、非樹枝晶坯料半固態(tài)重熔以及半固態(tài)觸變成形等,其中坯料重熔在半固態(tài)觸變成形工藝中的作用,在于獲得不同工藝所需的固相率、一定尺寸晶粒和使非枝晶組織逐漸長(zhǎng)大并轉(zhuǎn)化為球狀晶粒組織,為觸變成形創(chuàng)造有利條件。半固態(tài)坯料重熔的方式有多種,比如保溫法、電磁感應(yīng)加熱法等,本研究使用電磁感應(yīng)法對(duì)坯料實(shí)施二次感應(yīng)加熱。近幾年來,研究了鋁合金在半固態(tài)重熔階段的微觀組織和晶粒長(zhǎng)大過程的動(dòng)力演變機(jī)制,但缺乏使用理論模型進(jìn)行分析。本課題對(duì)電磁感應(yīng)加熱的A357合金坯料進(jìn)行定量金相分析,借助理論模型探討其晶粒演變機(jī)制,為坯料組織的控制提供借鑒。1試驗(yàn)材料和工藝1.1圓網(wǎng)狀非枝條晶坯料的制備本試驗(yàn)采用A357鋁合金為原料,其成分見表1。材料的制備采用電磁連鑄技術(shù),將原料制成72mm的圓棒狀非樹枝晶坯料,然后截成長(zhǎng)度為140mm的棒狀坯料。在隨后的二次加熱工藝中,采用美國(guó)IHS公司的旋轉(zhuǎn)式八工位中頻感應(yīng)加熱裝置,控制加熱功率先大后小,以保證坯料的溫度均勻。1.2坯料加熱后溫度變化的觀察和測(cè)量將連鑄后的棒狀坯料置于感應(yīng)加熱裝置上,調(diào)整各工位加熱時(shí)間均為36s,設(shè)備加熱功率為75kW;當(dāng)加熱到第4個(gè)工位結(jié)束時(shí),立即停止電磁感應(yīng)加熱,取下坯料水淬,編號(hào)為4號(hào),依此類推,分別將坯料感應(yīng)加熱到第5、6、7、8個(gè)工位結(jié)束并水淬,分別編為5、6、7、8號(hào),留待組織觀測(cè)。為了得到電磁感應(yīng)加熱過程中坯料的溫度變化,在坯料擬觀察金相的部位附近鉆5mm×35mm的孔,當(dāng)電磁感應(yīng)加熱到預(yù)定工位時(shí)停止,并立即將熱電偶插入孔中,讀取溫度數(shù)據(jù)。在水淬后的坯料上分別按圖1所示位置在其上、中、下3處的中心部位截取制成金相試樣,經(jīng)粗磨、細(xì)磨、拋光后用體積分?jǐn)?shù)為0.4%的HF溶液腐蝕,用Nikon金相顯微鏡隨機(jī)拍取試樣3個(gè)不同視野的顯微組織。采用圖像分析軟件定量計(jì)算每個(gè)部位的α-Al晶粒度大小、形狀系數(shù)和固相率,為Ostwaldripening理論計(jì)算晶粒長(zhǎng)大指數(shù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。平均晶粒度的計(jì)算方法是在金相照片的二維圖像中,每隔2°取一條通過初生α-Al晶粒質(zhì)心的直徑,然后計(jì)算所有數(shù)據(jù)平均值作為初生α-Al晶粒的平均直徑;形狀系數(shù)Fc的計(jì)算方法使用Fc=P24πA(式中,P、A分別表示初生α-Al晶粒的周長(zhǎng)和面積),該數(shù)值為1時(shí)代表圓形,數(shù)值越小越遠(yuǎn)離圓形;而固相率是通過測(cè)量初生α-Al晶粒所占比例來估算的。2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1熱反應(yīng)加熱溫度電磁感應(yīng)加熱坯料在不同工位和不同部位的溫度數(shù)據(jù)見表2。由表2可知,坯料上、中、下3個(gè)部位經(jīng)過電磁感應(yīng)加熱后的溫度都比較均勻,且從第4工位到第8工位加熱的溫度變化亦較為平穩(wěn)。相應(yīng)的金相組織見圖2～圖4,其中灰白色部分為初生α-Al組織,暗黑色部分為共晶組織。從原始坯料加熱到第4工位時(shí)(此時(shí)的溫度為844K),初生α-Al晶粒組織已變得相當(dāng)粗大,隨著電磁感應(yīng)加熱的繼續(xù),液相比例逐漸增加,晶粒逐漸變小,且形狀系數(shù)逐漸改善。上、中、下不同部位表現(xiàn)出了大致相同的組織變化趨勢(shì),但圖4所示的坯料下部在感應(yīng)加熱到第8工位時(shí),液相明顯增多,這是由于坯料中存在的液相因重力作用向下流動(dòng)所致。2.2坯料的均勻性對(duì)于平均晶粒度為34.3μm的原始坯料中心部位在不同感應(yīng)加熱工位所對(duì)應(yīng)的晶粒度變化見圖5。通過計(jì)算得出,在第6工位(303s)加熱結(jié)束后,平均晶粒尺寸達(dá)到最大,在坯料上、中、下部位分別為102.7、113.4、111.8μm;感應(yīng)加熱結(jié)束后分別為87.8、85.0、84.9μm。可見坯料的晶粒大小基本趨于一致,顯示了較好的組織均勻性。定量解析得到的固相率和形狀系數(shù)的變化規(guī)律見圖6。坯料下部組織的固相率始終低于上部和中間部位,這是因重力作用引起的。從感應(yīng)加熱的第6工位到第7工位3個(gè)部位的晶粒形狀系數(shù)變化顯著,而從第7工位到最終的第8工位變化則比較平穩(wěn),這說明半固態(tài)組織的球化過程基本上在第7工位的加熱中完成,晶粒平均直徑的減少說明晶粒的細(xì)化和球化在同時(shí)進(jìn)行。2.3早期的os體晶體生長(zhǎng)和晶體結(jié)構(gòu)鋁合金坯料在電磁感應(yīng)加熱過程中的組織大致可分為共晶組織的熔化和初生α-Al晶粒球化并細(xì)化2個(gè)階段。首先,處在晶界的低熔點(diǎn)共晶組織開始熔化,產(chǎn)生少量的液相,使晶格取向相近的相鄰α-Al晶粒合并生長(zhǎng),在晶粒較快長(zhǎng)大的同時(shí),細(xì)小的初生α-Al晶粒迅速合并粗化,且伴隨著系統(tǒng)能量的迅速降低。在初生α-Al晶粒的球化細(xì)化階段,根據(jù)Wrtten和Sander提出的擴(kuò)散有限聚合(DLA)模型,晶粒表面能高的地方熔點(diǎn)低,易于優(yōu)先熔化。因此,晶粒的棱角部位首先熔化進(jìn)入液相;同時(shí)由于存在液/固相界面張力的作用,根據(jù)最小表面能原理,初生α-Al晶粒向四周均勻長(zhǎng)大,逐漸變得更加圓整。此階段α-Al晶粒仍然以合并方式生長(zhǎng);隨著感應(yīng)加熱的進(jìn)行,液相逐漸增加,初生α-Al晶粒逐漸被隔斷分離,滿足Ostwald模型長(zhǎng)大的物理?xiàng)l件,α-Al晶粒按Ostwald機(jī)制生長(zhǎng),其理論方程為:式中,d0、d分別為原始組織和t時(shí)刻的晶粒直徑,μm;n為長(zhǎng)大因子;t為加熱時(shí)間,s;k可用下式描述:式中,D為元素?cái)U(kuò)散系數(shù),m2/s;V為原子的體積,m3;C(∞)為基體中合金元素的濃度;σ為界面能,J/m2;kb為波爾茲曼常數(shù),J/K;T為熱力學(xué)溫度,K;而式中,D0為擴(kuò)散常數(shù),m2/s;Q為擴(kuò)散激活能,J/mol;R為氣體常數(shù),J/(mol·K);查閱相關(guān)文獻(xiàn)得到,VSi=1.007×10-29m3;C(∞)=0.12;σ=0.12J/m2;R=8.3145J/(mol·K);kb=1.38×10-23J/K;D0=2.56×10-4m2/s;Q=1.37×105J/mol。由于共晶組織中Si原子在晶界擴(kuò)散系數(shù)比同溫度下晶內(nèi)擴(kuò)散系數(shù)約快5個(gè)數(shù)量級(jí),而在液態(tài)的擴(kuò)散系數(shù)比同溫度下晶界擴(kuò)散系數(shù)快2個(gè)數(shù)量級(jí)。據(jù)式(1)～式(3)和試驗(yàn)結(jié)果推算出的長(zhǎng)大因子見圖7,其變化范圍在2.20～2.70之間。當(dāng)長(zhǎng)大因子越逼近3則晶粒越細(xì)小,形狀系數(shù)越小。其中上、中、下在第8個(gè)工位加熱結(jié)束后的長(zhǎng)大因子n分別為2.60、2.62和2.61。2.4感應(yīng)加熱時(shí)間選擇與試驗(yàn)材料相近的A356坯料進(jìn)行了晶粒控制的嘗試。已知原始坯料的平均晶粒尺寸為30.8μm,坯料成形前的溫度為863K,晶粒長(zhǎng)大因子取2.70。從預(yù)設(shè)的最終晶粒度目標(biāo)值為65μm出發(fā),利用上述公式計(jì)算得出感應(yīng)加熱時(shí)間約為285s,遠(yuǎn)低于此前的405s。為實(shí)現(xiàn)這一指標(biāo),本研究采用了增大加熱功率(由原來的75kW增至90kW)并減少加熱時(shí)間(由原來的405s減少到285s)的方法,結(jié)果見圖8。試驗(yàn)操作時(shí)具體數(shù)值略有小幅變動(dòng),實(shí)際感應(yīng)加熱時(shí)間為314s,坯料最終溫度為858K,平均晶粒度為66.3μm,形狀系數(shù)為0.73。據(jù)此實(shí)際數(shù)據(jù)再計(jì)算得出長(zhǎng)大因子指數(shù)為2.68,與2.70的取值十分接近,其感應(yīng)加熱時(shí)間相差約30s。感應(yīng)加熱后A356初生α-Al晶粒比A357鋁合金初生α-Al晶粒減少了21.9%,在原始坯料相近的情況下取得了良好的細(xì)化效果。3os體晶粒生長(zhǎng)和尺寸計(jì)算(1)A357鋁合金半固態(tài)坯料在電磁感應(yīng)加熱過程中組織演變分為2個(gè)階段,首先出現(xiàn)共晶組織的熔化,晶粒以合并長(zhǎng)大方式生長(zhǎng),晶粒尺寸持續(xù)增大;接著初生α