1、固溶處理對(duì)快速凝固過共晶鋁硅合金組織性能的影響王愛琴1,2謝敬佩1,2王文焱1,2李繼文1,2李洛利1,2(1.河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院;2.河南省有色金屬材料科學(xué)與加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室摘要利用單輥旋轉(zhuǎn)甩帶法制備快速凝固鋁硅合金薄帶,并對(duì)其進(jìn)行固溶處理,研究了不同固溶熱處理工藝對(duì)合金組織和性能的影響。結(jié)果表明,快速凝固使Si相的形核和析出受到抑制,相領(lǐng)先析出;與鑄態(tài)組織相比,過共晶成分的鋁硅合金經(jīng)快速凝固后得到微納米級(jí)亞共晶組織,且在隨后的固溶處理過程中,隨著保溫時(shí)間的延長,Si元素從基體中脫溶析出并逐漸聚集長大,形成細(xì)小的Si顆粒均勻分布于基體之上。在480下保溫100min并水淬,經(jīng)自

2、然時(shí)效96h后,Si相顆粒細(xì)小且圓整度高,合金硬度(HV達(dá)到最高值241.67。關(guān)鍵詞快速凝固;過共晶鋁硅合金;微觀組織;顯微硬度;固溶處理中圖分類號(hào)T G146.2+1;T G113.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼A文章編號(hào)1001-2249(200903-0219-03DOI:10.3870/tzzz.2009.03.008過共晶鋁硅合金被廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、機(jī)械等行業(yè)的高精密耐磨件1。Si是該類合金組織中的第二相,其形狀和分布與合金的力學(xué)性能密切相關(guān)。快速凝固可以細(xì)化合金組織并能獲得微納米晶組織,高的冷卻速度,使基體及Si相俘獲大量合金元素形成過飽和固溶體,并引起它們晶格發(fā)生嚴(yán)重畸變,使合金系統(tǒng)處

3、于高能不穩(wěn)定狀態(tài),在外場作用下可能發(fā)生過固溶元素的脫溶以及沉淀相析出,使合金的性能發(fā)生變化25。因此,本課題以快速凝固過共晶鋁硅合金為研究對(duì)象,對(duì)其固溶處理后的組織形態(tài)、性能進(jìn)行研究,探討熱處理對(duì)快速凝固鋁硅合金組織形態(tài)及性能的影響。收稿日期:2008208226;修改稿收到日期:2008210220基金項(xiàng)目:河南省國際科技合作項(xiàng)目(084300510006;河南科技大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(2008zy053第一作者簡介:王愛琴,女,1964年出生,教授,河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南洛陽(471003,電話:139*,E-mail:aiqin_wang888 3結(jié)論(1AZ31鎂

4、合金鑄軋板和常規(guī)軋制板在低溫變形過程中發(fā)生局部流變失穩(wěn),變形后的組織主要包括被拉長和破碎的晶粒以及孿晶。隨著變形溫度升高,AZ31鎂合金發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。當(dāng)變形溫度達(dá)到400時(shí),在低應(yīng)變速率變形條件下,AZ31鎂合金板的三叉晶界處產(chǎn)生空洞。(2高溫低應(yīng)變速率條件下,A Z31鎂合金的主要變形機(jī)制是晶界滑移。相同變形條件下,鑄軋板的晶界滑移比常規(guī)軋制板明顯,鑄軋板的空洞尺寸、體積分?jǐn)?shù)和密度均較大。(3AZ31鎂合金在低應(yīng)變速率條件下拉伸變形后的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸在變形溫度為200時(shí)最小,之后隨著溫度的升高晶粒尺寸不斷增加。在高溫條件下,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸隨著應(yīng)變速率的增加而減小。不同變形條件下鑄軋

5、板的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸均小于常規(guī)軋制板。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸和參數(shù)Z呈冪律關(guān)系,冪律指數(shù)為0.090.11。參考文獻(xiàn)1FA TEMI2VARZAN EH S M,ZAREI2HANZA KI A,BELADI H.Dynamic recrystallization in AZ31magnesium alloyJ.MaterialsScience and Engineering,2007,A456:52257.2劉志民,邢書明,鮑培瑋,等.AZ31B鎂合金鑄軋板溫?zé)崂炝髯冃袨檠芯縅.特種鑄造及有色合金,2008(年會(huì)專刊:2232225. 3劉宇,劉天模,肖盼.AZ31鎂合金冷壓縮變形再結(jié)晶的研

6、究J.材料導(dǎo)報(bào),2007,A21(5:3702371.4陳維平,詹美燕,陳宛德,等.變形鎂合金的塑性加工技術(shù)研究及展望J.特種鑄造及有色合金,2007,27(1:40242.5張先宏,崔振山,阮雪榆.鎂合金塑性成形技術(shù)2AZ31B成形性能及流變應(yīng)力J.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2003,37(12:187421877. 6KL IMAN E K P,PO TZSCH A.Microstructure evolution undercompressive plastic deformation of magnesium at different temper2 atures and strain rat

7、esJ.Materials Science and Engineering,2002,A324:1452150.7范永革,汪凌云,黃光勝,等.變形鎂合金高溫變形流變應(yīng)力分析J.重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2003,26(2:9211.8MICHA EL M A,BA KER H.ASM Specialty Handbook:Magnesi2um and Magnesium AlloysM.Ohio:ASM International Materi2 als Park,1999.9劉曉霏,嚴(yán)巍,陳國學(xué).AZ31B鎂合金塑性變形動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的試驗(yàn)研究J.塑性工程學(xué)報(bào),2005,12(3:10212.10SRINI

8、VASN N,PRASAD Y V R K,RAMA RAO P.Hot de2formation behavior of Mg23Al alloy2a st udy using processing mapJ.Materials Science and Engineering,2008,A476:1462156.11LAN GDON G.Grain boundary sliding revisited:development s insliding over four decadesJ.Journal of Materials Science,2006, 41:5972609.(編輯:袁振國

9、912實(shí)用研究特種鑄造及有色合金2009年第29卷第3期 1試驗(yàn)方法試驗(yàn)合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同為:21%的Si 、1.5%的Cu 、0.5%的Mn 、0.8%的Mg 、0.2%的Ti ,余量為Al ,采用金屬型鑄造Al 221Si 多元合金,采用單輥旋轉(zhuǎn)淬冷法制備快速凝固鋁硅合金條帶,輥輪轉(zhuǎn)速為1600r/min ,氬氣壓力為0.04M Pa ,所得薄帶厚度為18m ,寬度為10mm ,其冷卻速度約為4.36×106/s 。沿用過共晶鋁硅合金的熱處理工藝,固溶后水淬并自然時(shí)效96h ,但由于快速凝固鋁硅合金凝固后的組織是亞共晶組織,所以固溶溫度應(yīng)適當(dāng)降低,具體工藝為320&#

10、215;40min 、400×40min 、480×(20、40、60、100、150、250min 。采用金相顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡對(duì)微觀組織形貌進(jìn)行分析,在M H 23型硬度計(jì)上測(cè)量合金的顯微硬度,載荷為25N 。2試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1試驗(yàn)合金快速凝固后的組織特征鑄態(tài)下多元過共晶鋁硅合金變質(zhì)處理后的組織為共晶基體上分布著尺寸為2050m 的多角形塊狀初晶Si ,共晶Si 呈纖維狀或短桿狀,同時(shí)還有少量的金屬間化合物。快速凝固后合金組織細(xì)化,而且組織形態(tài)和相結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化,圖1是試驗(yàn)合金快速凝固后的組織形貌。由圖1可以看出,其組織特征為基體組織上分布著細(xì)小雪花狀等軸

11、枝晶,其主要生長方向上的長度小于1m ,晶粒間充滿大量的灰色晶間物。經(jīng)TEM 分析及衍射斑點(diǎn)標(biāo)定表明(見圖2,雪花狀組織為Si 過固溶于2Al 形成的固溶體,灰色的基體組織為相+Si 共晶體,共晶Si 的電子衍射斑點(diǎn)呈多晶衍射環(huán),表現(xiàn)為超細(xì)微的羽毛針列狀,快速凝固后過共晶成分的鋁硅合金形成了細(xì)微的亞共晶組織 。圖1 快速凝固合金的光學(xué)顯微組織(a TEM 組織(b 對(duì)應(yīng)于A 點(diǎn)的TEM 衍射花樣(c 衍射花樣標(biāo)定圖2合金快速凝固后的TEM 組織形貌2.2快速凝固鋁硅合金固溶處理后的組織圖3為快速凝固合金不同溫度下固溶40min 時(shí)的組織形貌,可以看出,在320下保溫40min 時(shí),合金的組織基

12、本沒有變化,仍然可見大量的初生相;400下保溫40min 時(shí),合金基體中固溶的Si 已經(jīng)開始沉淀析出,但是析出的Si 顆粒非常少且細(xì)小,組織變化不明顯;溫度升至480時(shí),Si 顆粒大量均勻析出,初生相已完全溶解,枝晶特征消失。因此,研究固溶處理對(duì)快速凝固鋁硅合金組織和性能影響時(shí),固溶溫度定在480。(a 320(b 400(c 480圖3合金在不同溫度下保溫40min 后的顯微組織22特種鑄造及有色合金2009年第29卷第3期圖4為在480下保溫不同時(shí)間的快速凝固試驗(yàn)合金的組織,可以看出,隨著保溫時(shí)間延長,從基體中析出的Si 顆粒的數(shù)量和形態(tài)在逐漸發(fā)生著變化,雖然保溫40min 時(shí),合金基體中

13、固溶的Si 已經(jīng)大量沉淀析出,初生2Al 已完全溶解,但是析出的Si 顆粒形態(tài)多為不規(guī)則的帶有棱角的顆粒狀。固溶60100min 并(a 20min (b 40min (c 60min (d 100min (e 150min (f 250min圖4試驗(yàn)合金在480保溫不同時(shí)間的微觀組織時(shí)效后,沉淀析出的Si 顆粒雖有輕微的長大,而其Si顆粒尺寸仍小于3m ,且顆粒圓整度明顯提高(見圖4c 、圖4d 。保溫150min 后析出相Si 顆粒出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的長大現(xiàn)象,且析出相顆粒出現(xiàn)尖角,在250min 固溶時(shí)間下,析出相顆粒粗化和棱角嚴(yán)重惡化。2.3試驗(yàn)合金的硬度圖5為試驗(yàn)合金在不同固溶溫度下的硬

14、度。圖5表明,合金的硬度隨溫度的升高而降低。這是由于單輥甩帶快速凝固使合金具有高達(dá)106/s 以上的冷卻速度,Si 元素在2Al 中的溶解度高達(dá)10%以上,Al 元素在Si 相中的溶解度達(dá)到7%以上,快凝后的合金中2Al 和Si 相均處于嚴(yán)重的過飽和狀態(tài),相應(yīng)的晶格畸變也相當(dāng)嚴(yán)重,晶格點(diǎn)陣上的原子具有較高的勢(shì)能。當(dāng)外部施加能量時(shí)這些原子可能被激活移向其他位置,多個(gè)溶質(zhì)原子被激活后可能發(fā)生偏聚,隨著固溶時(shí)間的延長,溶質(zhì)和溶劑原子不斷相互遷移,溶質(zhì)原子越來越聚集,如同發(fā)生形核和長大。同時(shí),固溶處理時(shí),加熱促使溶質(zhì)原子擴(kuò)散遷移,一部分遷移到固溶體以外發(fā)生脫溶,另一部分遷移到固溶體的低能位置6,7。故

15、合金加熱后基體中過飽和固溶原子在熱激活作用下脫溶析出,減弱過飽和固溶原子對(duì)基體的固溶強(qiáng)化作用,使基體的硬度略有降低。圖6是快速凝固鋁硅合金在480 固溶處理時(shí)硬圖5不同溫度保溫40m in 固 溶處理后合金的硬度圖6480固溶處理后合金的硬度度隨時(shí)間的變化曲線。由圖6可以看出,保溫初期合金硬度呈緩慢上升趨勢(shì),保溫100min 后硬度(HV 達(dá)到峰值241.67,繼續(xù)保溫,硬度開始降低。這是由于合金在保溫時(shí),析出相彌散分布且非常細(xì)小,因此硬度隨析出相數(shù)量增加而升高;隨著固溶時(shí)間進(jìn)一步延長,雖然有彌散相不斷析出,但固溶強(qiáng)化作用的不斷削弱,使合金硬度有所下降,但由于彌散相長大速度很慢,至60min

16、后,由于Si 相的析出,使得合金硬度升高,到100min 后,硬度達(dá)到峰值。隨后繼續(xù)加熱,由于Si 顆粒過于粗大,出現(xiàn)多角化,并且分布不均勻,導(dǎo)致合金的硬度降低,不同固溶處理工藝下合金硬度變化規(guī)律同組織中析出相形態(tài)變化規(guī)律一致。3結(jié)論(1與傳統(tǒng)鑄態(tài)組織相比,快速凝固使Al 221Si 20.8Mg 21.5Cu 20.5Mn 20.2Ti 合金的組織發(fā)生了極大的變化,快速凝固過共晶鋁硅合金形成了微納米級(jí)的亞共晶組織。(2快速凝固過共晶鋁硅合金固溶處理時(shí),Si 原子從2Al 固溶體中脫溶析出,形成微細(xì)顆粒狀的Si 相,過固溶合金的微觀組織特征為:Si 相不斷聚集和粗化,并出現(xiàn)尖角形態(tài)。(3合金的

17、硬度峰固溶熱處理工藝為:480固溶100min 、水淬后自然時(shí)效96h ,硬度(HV 達(dá)241.67。參考文獻(xiàn)1謝壯德,沈平,董寅生,等.快速凝固鋁硅合金材料及其在汽車中的應(yīng)用J .材料科學(xué)與工程,1999,17(4:1012104.2王倩,李青春,常國威.快速凝固技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望J .遼寧工學(xué)院學(xué)報(bào),2003,23(5:41244.3沈?qū)幐?湯亞力,關(guān)紹康,等.凝固理論進(jìn)展與快速凝固J .金屬學(xué)報(bào),1996,32(7:673.4沈軍,孫劍飛,謝壯德,等.快速凝固高硅鋁合金粉末顯微組織及時(shí)效特性J .特種鑄造及有色合金,2001(4:123.5袁曉光,任露泉,張錦峰,等.時(shí)效處理微晶(20

18、24Al 220Si 25Fe 合金的組織及性能J .金屬學(xué)報(bào),1999,35(5:4832486.6陳光,傅恒志.非平衡凝固新型金屬材料M.北京:科學(xué)出版社,2004.7袁曉光,黃瀛,崔成松,等.時(shí)效處理對(duì)鋁硅系合金超細(xì)粉末微觀組織的影響J .哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào),2001,6(5:1122116.(編輯:栗萬仲122固溶處理對(duì)快速凝固過共晶鋁硅合金組織性能的影響王愛琴等thermal T ensile T esting,MicrostructureInfluence of Solution T reatment on Microstructure and Properties of R ap

19、idly Solidif ied H ypereutectic Al2Si Al2 loys Wa ng Aiqin1,2,X ie J ingp ei1,2,Wa ng Wenya n1,2, Li J iwen1,2,Li Luoli1,2(1.School of Materials Science and Engineering,Henan U niversity of Science and Technology,L uoyang,China;2.Henan Key Labora2 tory of Advanced Non2ferrous Metals,L uoyang,Chi2 na

20、2009,29(302190221Abstract:Effect s of different solution p rocesses on mi2 cro st ruct ure and p roperties of rapidly solidified hyper2 eutectic Al2Si alloy st rip s,which were p repared by single roller melt2spinning met hod,were investigated by scanning elect ron microscope(SEMand transmis2 sion e

21、lect ron micro scope(TEM.The result s indicate t hat compared wit h as2cast microst ruct ure,micro2 nanocrystal hypoeutectic p hase in rapidly solidified hy2 pereutectic Al2Si alloy can be o bserved and2Al p hase is p rior to p recipitate from t he Al2Si alloy,which is att ributed to rapid solidific

22、ation rest raining t he nuclea2 tion and p recipitation of Si p hase in t he alloy.Furt her2 more,in t he p rocess of solution t reat ment,Si element can be p recipitated from t he mat rix and gradually ag2 gregated to generate fine silicon particle,which was u2 niformly dist ributed into t he mat r

23、ix,wit h extending holding time.Desirable fine silicon particle wit h high sp heroidization rate can be observed in t he alloy wit h holding for100min at480followed by quenching in water and nat ural aging for96h,which makes maxi2 mum hardness of HV241.67for t he alloy.K ey Words:R apid Solidif icat

24、ion,H ypereutectic Al2Si Alloy,Microstructure,Micro2hardness,Solution T reat2 mentSolidif ication B ehavior and As2cast Microstructure of Permanent Mould C asting Mg210Z n22Al alloy Li Zho ng2 sheng1,2,Pa n Fusheng2,Wu Hulin1,Zha ng J ing2(1. No.59Instit ute of China Ordnance Indust ry, Chongqing,Ch

25、ina; 2.Materials Science and Engi2 neering,Chongqing U niversity,Chongqing,China 2009,29(302220224Abstract:Solidification behavior and as2cast micro2 struct ure of permanent mould casting Mg210Zn22Al al2 loy were investigated by optical micro scope(OM, scanning elect ron micro scope(SEM,X2ray diff r

26、action (XRDand differential scanning calorimet ry(DSC. Meanwhile,p hase t ransformation during solidification p rocess was app roached wit h t he help of DSC analysis and Mg2Zn2Al ternary liquidus p rojection p hase dia2 gram.The result s indicate t hat as2cast micro struct ure of t he alloy is comp

27、o sed of p rimary2Mg p hase,Mg32 (Al,Zn49and MgZn p hase,in which co ntinuous or semi2co ntinuous skeleton Mg32(Al,Zn49p hase is uni2 formly dist ributed in interdendrite and along grain boundaries.The liquidus temperat ure and solidus tem2 perat ure are609.4and300.0,respectively,which makes a wide

28、solidification range of app roxi2 mately309.4.In addition,t he second p hase t rans2 formation start s at332.2and ends at300.0.K ey Words:Magnesium Alloy,Mg210Z n22Al Alloy, Solidif ication B ehavior,MicrostructurePreparation of Foamed Magnesium by Direct Molten Foaming Process Zho u Qua n,Chen Lepi

29、ng(School of Materials Science and Engineering,Nanchang Hangkong University,Nanchang,China2009,29(3 02240226Abstract:Foamed magnesium was prepared wit h ZM5 alloy as matrix alloy and SiC as viscosity2increasing a2 gent as wellas MgCO3as foaming agent by direct mol2 ten foaming process.It is found t

30、hat foamed magnesi2 um wit h low density and high poro sity rate can be suc2 cessf ully p repared.Wit h increasing in MgCO3or SiC content,density of t he foamed magnesium is de2 creased.However,it is slightly increased wit h Mg2 CO3content more t han1.5%or SiC content more t han 15%.Variation of ave

31、rage porous rate in foamed mag2 nesium is oppo site to t hat of densitys.K ey Words:Foamed Magnesium,Direct Molten Foa2 ming Process,MgCO3F abrication and Mechanism of Non2dendrite Structure in Semi2solid Z L101Alloy by Controlled Pouring T empera2 ture Xu Kai1,Liu Huiping2,Wa ng X i aoping1,Y ua n

32、Ba ngyi1,Zha ng Shuqua n1(1.Depart ment of Mechan2 ical Engineering,Anhui Technical College of Mechani2 cal and Elect rical Engineering,Wuhu,China;2.Cen2 ter of Materials Testing and Analysis,Jiangxi Univer2 sity of Science and Technology,Ganzhou,China 2009,29(302270229Abstract:Effect s of pouring temperat ure on non2den2 drite st ruct ure