新型半固态铝合金的设计与优化研究

学方法很难分析出微量元素对合金的组织和性能的 0. 10 %、0. 14 %、0. 18 % ; Sr 含量分别为 0 %、0. 005 %、
影响 ,通常的方法是根据一些元素固有的性质和对 0. 010 %、0. 020 %、0. 040 %、0. 080 %。Zr 细化处理时
其他元素的影响 ,采用实验的方法逐步确定添加的 连续冷却到 630 ℃,Sr 变质处理时均保温 30 min 再连
为了获得适合半固态加工成形的新合金 ,在合金设
收稿日期 :2005211228 ; 修订日期 :2005212226 基金 项 目 : 国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 ( 863 计 划 ) 资 助 项 目
(2002AA336080) 作者简介 :徐 骏 (19542 ) ,江苏镇江人 ,博士 ,教授. 从事金属半固态
种类和数量 。
续冷却到 630 ℃时分别浇注到冷的不锈钢模具中 ,进
新合金 AlSi6Mg2 的微量元素的优化选择主要是 行电磁搅拌制备半固态浆料 ,搅拌频率为 50 Hz ,搅拌
参考了 A356 、A357 、6061 合金中的微量元素并考虑实 电流为 6 A ,搅拌时间为 20 s 。
验合金具体情况进行的[5 ,6] 。实验中主要选择了 Zr 、
变化率| d f S/ d T|
f S = 0. 3
f S = 0. 6
热处理时析出潜力 , w ( %)
f S ① = 0. 3
f S = 0. 6
ΔC②( Si)
ΔC( Mg)
ΔC( Si)
ΔC ( M g)
AlSi6Mg2 615. 7
58. 5
0. 0126
0. 0048
0. 830
0. 511
能的作用[5 ] 。因此 ,在设计半固态新合金时 ,同样需 Al2Sr 中间合金 ,利用电磁搅拌装置制备半固态坯料 。
要考虑添加适量的微量元素 。一般来说 ,添加微量 合金中 Zr 、Sr 含量是根据电感耦合等离子直读光谱计
元素对基本合金的组织和性能的影响很小 ,用热力 测定的平均收得率计算得到 , Zr 含量分别为 0. 04 %、
micro structure and mechanical prop ertie s in SSP. Ke y w or ds :Aluminum alloy ; Semi2solid ;Alloying de sign
半固态加工技术是极具潜力的近终成形技术之 一[1 ,2] 。目前 ,国内关于半固态加工技术的研究主要 集中在对其工艺技术本身的研究上 ,采用的材料多为 传统铸造铝合金 ,如 A356 、A357 。由于传统铸造铝合 金的局限性 ,使其并不能充分发挥半固态加工技术的 优势 ,因而限制了半固态加工技术在工业上特别是汽 车零部件制造业上的推广和应用 。针对这一情况 ,研 制开发出能充分发挥半固态加工技术特点 ,又具有市 场应用前景的的半固态专用铝合金具有很大的现实意 义[3 ,4] 。本文以 Al2Si2Mg 系作为研究对象 ,利用热力 学计算设计出新型半固态铝合金的主成分为 Al26 % Si22 %Mg ,并实验优化选择了微量元素 Zr 和 Sr 。 1 新型半固态铝合金主成分设计 1. 1 新合金设计的基本条件
根据新合金设计的基本条件 ,采用国际通用的 Thermo2Calc 软件对 Al2Si2Mg 系合 金进 行了 计算 。 表 1 是影响半固态加工主要参数的计算结果 ,其中列 出了商用铝合金 A356 、A357 及 6061 的相关参数 ,以 便于比较 。新合金具有合适的液相线温度 ,液固相温 度区间 Δ TS - L = 58. 5 ℃,满足合金设计的基本条件 。 在计算 d f S/ d T 时 ,分 2 种情况 : f S = 0. 3 和 f S = 0. 6
标准拉伸试样在电子万能试验机 ( A G225 TA) 上
Al211. 5 %Sr 中间合金 。新合金是采用工业纯铝 、铝 测定力学性能 ,每个状态取 3 个试样 。
硅合金和工业纯镁在中频感应炉熔化配制而成 ,合金 2. 2 Zr 对半固态 AlSi6Mg2 合金组织的影响
的化学成分测量是采用常规的化学成分分析方法 ,其
金相试样经过取样 、镶样 、研磨 、抛光 , 用 0. 5 %
Sr 作为添加微量合金元素 。
H F + 1. 5 %HCl + 2. 5 %HNO3 的水溶液侵蚀后 ,在光
2. 1 微量元素优化设计的实验方法
学金相显微镜 (OL YM PU S PM2G3) 下观察组织形态 。
实验材料为新合金 Al Si6Mg2 和 Al25. 47 % Zr 、
Abs t rac t : A main component Al26 % Si22 % Mg of an advanced semi2solid aluminum alloy wa s de signed by thermodynamic calculations with the consideration of the ba sic principle of semi2solid proce ssing ( SSP) . Tiny Zr and Sr addition were selected by optimizing exp eriment methods. Re sult s show that the new alloy AlSi6Mg2 with 0. 10 %～ 0. 14 % Zr and 0. 02 %～ 0. 04 % Sr ha s good
De s i g n a n d Op ti mi z a t i o n of A d v a n c e d S e mi2s oli d Al u mi n u m All o y
XU Jun1 , WANG Ha i2dong1 ,2 , ZHANG Zhi2feng1 , YANG Bi2cheng1 , TIAN Zhan2feng1 ,SHI Li2kai1 , HAN Jing2tao2 ( 1. National Engineering Research Center f or Nonferrous Metal Composites , Beijing General Research Institute f or Nonferrous Metals , Beijing 100088 , China ; 2. School of Materials Science and Engineering , University of Science and Technology Beijing , Beijing 100083 , China)
1. 353
0. 567
A356
615. 6
48. 1
0. 0116
0. 2027
1. 113
0. 068
-
-
A357
614. 9
54. 2
0. 0115
0. 1271
1. 098
0. 116
-
-
6061
652. 1
61. 6
0. 0712
0. 0332
-
-
0. 131
0. 494
注 ①表示固相分数 。
表 1 影响半固态加工主要参数的计算结果 Tab. 1 Calculated result s of main parameters t hat influence t he semi2solid p rocessing
参数
液相线 温度 TL / ℃
液固相温 度区间 ΔTS- L / ℃
固相分数对温度的
加工技术研究.
计时需要根据半固态加工成形的特点来考虑新合金应 满足的基本条件[4] : ①合适的固2液相温度区间ΔTS - L , 在参照常用铸造和变形铝合金固相线与液相线数据的 基础上 ,设定 30 ℃≤ΔTS - L ≤150 ℃,以利于半固态初 生相形成和固相体积分数的控制 ; ②固相分数 f S 对温 度的敏感性 ,如果固相分数对温度的敏感性太高 ,温度 的微小波动就会引起固相分数较大的变化 ,这将会使加 工过程难以控制 ,并导致最终产品的质量不稳定。为 此 ,在合金设计时设计固相分数随温度的变化率 d f S/ d T ≤0. 015 ; ③Mg2 Si 是 Al2Si2Mg 系主要的强化相 ,在 合金设计时应有尽可能多的析出量 ,使合金具有良好的 热处理强化能力 ,以获得高性能的半固态零部件 。 1. 2 热力学计算与设计结果
(1. 北京有色金属研究总院国家有色金属复合材料工程技术研究中心 ,北京 100088 ;2. 北京科技大学材料科学与 工程学院 ,北京 100083)
摘要 :结合半固态加工基本原理 ,利用热力学计算方法 ,设计出了新型半固态铝合金 ,主成分为 Al26 %Si22 %Mg ,并利用实验 方法优化选择了微量元素 Zr 、Sr 。结果显示 : Zr 元素具有明显的细化晶粒作用 , Sr 元素的加入具有改善共晶硅形态的作用 。 合金中 Zr 含量为 0. 10 %～0. 14 %、Sr 含量为 0. 02 %～0. 04 %的新合金 AlSi6Mg2 ,表现出良好的半固态组织和力学性能 。 关键词 :铝合金 ;半固态 ;合金设计 中图分类号 : T G146. 2 + 1 文献标识码 :A 文章编号 :100028365 (2006) 0320249203
电磁搅拌的作用是对凝固过程中的合金熔体进
实际成分 w 为 :5. 80 % Si ,1. 81 % Mg ,0. 10 % Fe ,杂 行搅拌 ,以抑制初生相形成树枝晶 。由图 1 可知 ,在
图 1 Zr 含量对 AlSi6Mg2 合金中α2Al 基体的形貌及大小的影响 Fig. 1 Effect of Zr co ntent o n t he morp hology and size of α2Al mat rix in AlSi6Mg2 alloy
②从液相线温度降到室温时 ,表示合金元素析出量在合金中的质量分数 。
2 新型半固态铝合金微量元素的优化选择实验研究
质 < 0. 01 % ,Al 余量 。
在实际应用的合金中 ,除主要合金元素外 ,添加
采用感应炉中石墨坩埚熔炼 ,温度达到 740 ℃时 ,
微量元素将会起到改善合金组织和提高合金力学性 在新合金中分别加入预先用电子秤秤量好的 Al2Zr 及
Vol. 27 No . 3 Mar. 2006
铸造技术 FOUNDR Y TEC HNOLO GY
·有色合金及其熔炼 Non2ferrous Alloy and It s Smelting ·
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新型半固态铝合金的设计与优化研究
徐 骏1 ,王海东1 ,2 ,张志峰1 ,杨必成1 ,田战峰1 ,石力开1 ,韩静涛2
《铸造技术》03/ 2006
徐 骏等 :新型半固态铝合金的设计与优化研究
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相同的电磁搅拌条件下 ,初生相α2Al 均呈近球状非 枝晶 ,随着合金中 Zr 含量的增加晶粒不断细化 。图 1 (a) 中 Zr 含量为 0 . 04 % ,初生相 α2Al 为非枝晶组 织 ,但晶粒大小不均匀 ;图 1 ( b) 、(c) 初生相α2Al 晶粒 相对圆匀 、细小 , 且 组织 分布 相 对 均 匀 。图 1 ( d) Zr 含量为0 . 18 %对半固态组织α2Al 也存在细化作用 , 但没有图 1 ( b) 、(c) 细化晶粒效果好 。在电磁搅拌和 一定量的 Zr 共同作用下可以得到相对细小 、圆匀的 非枝晶组织 ,组织致密 ,可以减轻合金的偏析倾向 , 从而显著提高其力学性能 ,因此 ,在合金中加入适量 的 Zr 是必要的 。 2. 3 Sr 对半固态 AlSi6Mg2 合金组织的影响
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FOUNDR Y TEC HNOLO GY
Vol. 27 NoБайду номын сангаас. 3 Mar. 2006
分别对应于半固态流变成形和触变成形 , d f S/ d T 越 利于二次加热和压铸成形过程的控制 ,适合触变成形。 小 ,加工过程越容易控制 。当 f S = 0. 3 时 ,新合金的固 新合金α2Al 中ΔC( Si) 、ΔC(Mg) 都大时 ,合金热处理时 相分数对温度的变化率与铸造铝合金 A356 、A357 相 析出强化相 Mg2 Si 量大 ,合金具有良好的热处理强化能 当 ,比变形铝合金 6061 小的多 ,适合流变成形 ; 当 f S 力。综合分析计算结果可知 ,利用热力学计算设计出的 = 0. 6时 ,新合金的固相分数对温度的变化率比铸造铝 主合金成分为 Al26 %Si22 %Mg 新型铝合金 AlSi6Mg2 合金 A356 、A357 和变形铝合金 6061 都小的多 ,这样有 既适合半固态流变成形 ,又适合半固态触变成形 。