挤压铸造零件沿流程方向的成分偏析及组织偏聚

工程科学学报，第39卷，第7期：1041-1046,2017年7月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.7:1041-1046,July 2017 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.009:http://journals..ustb.edu.cn 挤压铸造零件沿流程方向的成分偏析及组织偏聚 郭莉军)，邢书明四，敖晓挥”，郭洪钢) 1)北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京1000442)长城汽车股份有限公司，保定071000 区通信作者，E-mail:smxing(@btu.cdu.cn 摘要采用挤压铸造（液态模锻）工艺制备了A357铝合金螺旋线试件，使用化学成分分析和金相分析方法研究了流程长 度对合金成分偏析及组织偏聚的影响.结果表明：在沿流程方向上，流程的开始端和流程末端的S元素和Mg元素含量大于 流程中段的含量.合金的初始α晶粒尺寸随着流程长度的增加先增大后变小.初生固相率随着流程长度的增大呈现波动变 化.造成流程成分偏析和组织变化的原因是在挤压铸造凝固阶段中补缩液相的强迫运动 关键词挤压铸造：流程长度：成分偏析：组织偏聚 分类号TG156.8:TG249.2 Microstructure and composition segregation along the fluidity length of aluminum alloy in squeeze casting GUO Li-jun),XING Shu-ming,AO Xiao-hui,GUO Hong-gang?) 1)School of Mechanical,Electronic and Control Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China 2)Great Wall Motor Co.Ltd.,Baoding 071000,China Corresponding author,E-mail:smxing@bjtu.edu.cn ABSTRACT This study investigated the spiral line sample of A357 prepared by the squeeze casting (liquid die forging)process and the influence of the fluidity length on the composition segregation and microstructure segregation through chemical composition and met- allographic analyses.The results show that the Si and Mg mass fractions of the start and the end of the spiral line sample along the flow length are greater than that in the middle of the spiral line sample.The initial grain size of a first increases,then decreases with the increase of the fluidity length.Meanwhile,the phase rate of the primary solid shows a fluctuating change with the increase of the fluidi- ty length.The composition segregation and the microstructure change are caused by the forced flow of the filling liquid in the squeeze casting process. KEY WORDS squeeze casting:fluidity length;composition segregation:microstructure segregation 挤压铸造也称液态模锻，结合了铸造和锻造加工 来越广，但是铝合金的挤压铸造零件不同程度地存在 的特点，是一种高效节能的精确成形技术，具有选材范 合金元素的宏观偏析.挤压铸造过程中，合金液在 围宽、变形力和成形能较小、铸件组织均匀致密、力学 充型及凝固时有液相流动，这种流动会对元素的偏析 性能优良等优点”.将高强度铝合金材料与液态模锻 产生影响.目前的研究主要集中在各挤压成形工艺参 工艺有机地结合起来，进一步提高材料的力学性能和 数对成分偏析的影响5，对于沿流程长度方向上的 应用范围，受到了国内外科研工作者及企业的广泛重 成分偏析及合金组织变化的研究还很少见”。 视.宏观偏析是指铸件成分、组织和性能的不均匀，是 在挤压铸造中，合金将发生强制补缩，合金液相的 零件常见的缺陷之一.铝合金在挤压铸造中的应用越 流动更加剧烈@.流动距离的长短对成分偏析是否 收稿日期：2016-08-02 基金项目：国家国际科技合作专项资助项目(2014DFA53050):吉林省重点攻关计划资助项目(2013020635GX)

工程科学学报，第 39 卷，第 7 期: 1041--1046，2017 年 7 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 39，No． 7: 1041--1046，July 2017 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2017． 07． 009; http: / /journals． ustb． edu． cn 挤压铸造零件沿流程方向的成分偏析及组织偏聚 郭莉军1) ，邢书明1) ，敖晓辉1) ，郭洪钢2) 1) 北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京 100044 2) 长城汽车股份有限公司，保定 071000 通信作者，E-mail: smxing@ bjtu． edu． cn 摘 要 采用挤压铸造( 液态模锻) 工艺制备了 A357 铝合金螺旋线试件，使用化学成分分析和金相分析方法研究了流程长 度对合金成分偏析及组织偏聚的影响． 结果表明: 在沿流程方向上，流程的开始端和流程末端的 Si 元素和 Mg 元素含量大于 流程中段的含量． 合金的初始 α 晶粒尺寸随着流程长度的增加先增大后变小． 初生固相率随着流程长度的增大呈现波动变 化． 造成流程成分偏析和组织变化的原因是在挤压铸造凝固阶段中补缩液相的强迫运动． 关键词 挤压铸造; 流程长度; 成分偏析; 组织偏聚 分类号 TG156. 8; TG249. 2 Microstructure and composition segregation along the fluidity length of aluminum alloy in squeeze casting GUO Li-jun1) ，XING Shu-ming1)  ，AO Xiao-hui1) ，GUO Hong-gang2) 1) School of Mechanical，Electronic and Control Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China 2) Great Wall Motor Co． Ltd． ，Baoding 071000，China Corresponding author，E-mail: smxing@ bjtu． edu． cn ABSTＲACT This study investigated the spiral line sample of A357 prepared by the squeeze casting ( liquid die forging) process and the influence of the fluidity length on the composition segregation and microstructure segregation through chemical composition and met￾allographic analyses． The results show that the Si and Mg mass fractions of the start and the end of the spiral line sample along the flow length are greater than that in the middle of the spiral line sample． The initial grain size of α first increases，then decreases with the increase of the fluidity length． Meanwhile，the phase rate of the primary solid shows a fluctuating change with the increase of the fluidi￾ty length． The composition segregation and the microstructure change are caused by the forced flow of the filling liquid in the squeeze casting process． KEY WOＲDS squeeze casting; fluidity length; composition segregation; microstructure segregation 收稿日期: 2016--08--02 基金项目: 国家国际科技合作专项资助项目( 2014DFA53050) ; 吉林省重点攻关计划资助项目( 2013020635GX) 挤压铸造也称液态模锻，结合了铸造和锻造加工 的特点，是一种高效节能的精确成形技术，具有选材范 围宽、变形力和成形能较小、铸件组织均匀致密、力学 性能优良等优点［1］． 将高强度铝合金材料与液态模锻 工艺有机地结合起来，进一步提高材料的力学性能和 应用范围，受到了国内外科研工作者及企业的广泛重 视． 宏观偏析是指铸件成分、组织和性能的不均匀，是 零件常见的缺陷之一． 铝合金在挤压铸造中的应用越 来越广，但是铝合金的挤压铸造零件不同程度地存在 合金元素的宏观偏析［2--4］． 挤压铸造过程中，合金液在 充型及凝固时有液相流动，这种流动会对元素的偏析 产生影响． 目前的研究主要集中在各挤压成形工艺参 数对成分偏析的影响［5--6］，对于沿流程长度方向上的 成分偏析及合金组织变化的研究还很少见［7--8］． 在挤压铸造中，合金将发生强制补缩，合金液相的 流动更加剧烈［9--10］． 流动距离的长短对成分偏析是否

·1042 工程科学学报，第39卷，第7期 有影响是个值得探讨的问题.为了研究沿流程长度成 压头 分偏析及合金组织的变化规律，笔者采用挤压铸造方 上模 法铸造A357铝合金螺旋线试样，研究了挤压铸造中 沿流程长度Si元素与Mg元素的成分偏析和合金组织 的变化规律 下模 1实验 压室 1.1合金的熔炼 实验合金选用铸造铝合金A357,其化学成分（质 量分数)为7.08%Si,0.44%Mg,0.16%Ti,0.025%V, 顶杆 0.20%Fe,0.004%Cu,其余为AL.合金液相线和固相 线温度分别为615℃和560℃.用井式电阻炉熔炼，用 C2C1。除气精炼（用量为0.2%）.然后将合金液静置， 准备实验 图2螺旋线试样模具原理图 1.2试样的制备 Fig.2 Schematic diagram of spiral line sample mold 设计了具有单一流程长度的挤压铸造零件，螺旋 1.3测试分析 线试样，来研究在流程长度上的成分偏析.螺旋线形 试样采用化学分析的方法检测硅元素和镁元素的 状如图1所示，它灵敏度较高，对比形象，合金充型的 含量.在浇铸前对合金进行取样，测定其Si元素和Mg 距离长，铸型结构布局紧凑 元素的含量作为合金的平均成分。·Si元素的初始质 A-A 量分数为6.81%，Mg元素的初始质量分数为0.43%. 对得到的挤压螺旋线试样从浇口位置开始到螺旋线末 端每间隔为130mm取一个样，依次标记为A到J,取 样位置如图3所示.每个试样测量三次Si元素和Mg 元素含量，以三次测量值的平均值作为该点处的含量. 使用DM2000型号金相显微镜，对每个测试点处进行 金相组织观测 图1螺旋线形状 Fig.1 Spiral line sample 试样制备过程在THPI6-200A压机上完成，试样 模具材料为H13钢，主要包括上模、下模和压头三部 分，上模是总长度1350mm的阿基米德螺旋线状型腔， 螺旋线横截面的宽度为8mm,高度为8mm,下模的主 要部分是储存合金熔体的圆柱形压室，而且压室侧壁 图3测试位置示意图 上部开有与阿基米德螺旋线型腔连接的浇道.模具的 Fig.3 Diagram of detection point 总体结构原理如图2所示. 合金浇注温较低时，合金液内部先凝固的晶粒数 2结果 量较多，先凝固相具有低的元素浓度，液相的浓度升 2.1沿流程长度的成分偏析 高，所以对合金的初始浓度影响较大.为了使合金液 Si元素和Mg元素的沿流程变化如表1、图4和图 的初始浓度较稳定，实验选择高的过热度.工艺参数 5所示. 为：浇注温度710℃，挤压压力60MPa,挤压速度40mm· 从图4中可以看出，Si元素含量在流程长度方向 s,模具预热温度200℃，保压时间15s,开始加压时 上分布不均匀：在螺旋线的两端，Sⅰ元素含量要高于螺 间5s. 旋线中部的Si元素含量.比较合金的初始S元素含

工程科学学报，第 39 卷，第 7 期 有影响是个值得探讨的问题． 为了研究沿流程长度成 分偏析及合金组织的变化规律，笔者采用挤压铸造方 法铸造 A357 铝合金螺旋线试样，研究了挤压铸造中 沿流程长度 Si 元素与 Mg 元素的成分偏析和合金组织 的变化规律． 1 实验 1. 1 合金的熔炼 实验合金选用铸造铝合金 A357，其化学成分( 质 量分数) 为 7. 08% Si，0. 44% Mg，0. 16% Ti，0. 025% V， 0. 20% Fe，0. 004% Cu，其余为 Al． 合金液相线和固相 线温度分别为 615 ℃和 560 ℃ ． 用井式电阻炉熔炼，用 C2C16除气精炼( 用量为 0. 2% ) ． 然后将合金液静置， 准备实验． 1. 2 试样的制备 设计了具有单一流程长度的挤压铸造零件，螺旋 线试样，来研究在流程长度上的成分偏析． 螺旋线形 状如图 1 所示，它灵敏度较高，对比形象，合金充型的 距离长，铸型结构布局紧凑． 图 1 螺旋线形状 Fig． 1 Spiral line sample 试样制备过程在 THP16--200A 压机上完成，试样 模具材料为 H13 钢，主要包括上模、下模和压头三部 分，上模是总长度 1350 mm 的阿基米德螺旋线状型腔， 螺旋线横截面的宽度为 8 mm，高度为 8 mm，下模的主 要部分是储存合金熔体的圆柱形压室，而且压室侧壁 上部开有与阿基米德螺旋线型腔连接的浇道． 模具的 总体结构原理如图 2 所示． 合金浇注温较低时，合金液内部先凝固的晶粒数 量较多，先凝固相具有低的元素浓度，液相的浓度升 高，所以对合金的初始浓度影响较大． 为了使合金液 的初始浓度较稳定，实验选择高的过热度． 工艺参数 为: 浇注温度 710 ℃，挤压压力 60 MPa，挤压速度 40 mm· s － 1，模具预热温度 200 ℃，保压时间 15 s，开始加压时 间 5 s． 图 2 螺旋线试样模具原理图 Fig． 2 Schematic diagram of spiral line sample mold 1. 3 测试分析 试样采用化学分析的方法检测硅元素和镁元素的 含量． 在浇铸前对合金进行取样，测定其 Si 元素和 Mg 元素的含量作为合金的平均成分 ω0 ． Si 元素的初始质 量分数为 6. 81% ，Mg 元素的初始质量分数为 0. 43% ． 对得到的挤压螺旋线试样从浇口位置开始到螺旋线末 端每间隔为 130 mm 取一个样，依次标记为 A 到 J，取 样位置如图 3 所示． 每个试样测量三次 Si 元素和 Mg 元素含量，以三次测量值的平均值作为该点处的含量． 使用 DM2000 型号金相显微镜，对每个测试点处进行 金相组织观测． 图 3 测试位置示意图 Fig． 3 Diagram of detection point 2 结果 2. 1 沿流程长度的成分偏析 Si 元素和 Mg 元素的沿流程变化如表 1、图 4 和图 5 所示． 从图 4 中可以看出，Si 元素含量在流程长度方向 上分布不均匀; 在螺旋线的两端，Si 元素含量要高于螺 旋线中部的Si元 素 含 量． 比 较 合 金 的 初 始Si元 素 含 · 2401 ·

郭莉军等：挤压铸造零件沿流程方向的成分偏析及组织偏聚 ·1043· 表1流程不同位置元素质量分数 0.5 Table 1 Composition of sample at different positions 04 检测点 位置/m s/% g/% A 0 7.49 0.48 B 0.13 7.23 0.47 0.2 C 0.26 7.12 0.46 0.1 D 0.39 6.60 0.43 E 0.52 5.96 0.37 0.2 0.40.60.8 1.01.2 0.65 5.96 0.39 位置长度m 0.78 6.10 0.40 图5Mg元素的沿流程分布 Fig.5 Mg distribution along the fluidity length H 0.91 6.25 0.41 1.04 6.34 0.42 变的越来越小，如图6所示. 1.17 7.12 0.45 对图6进行定量金相分析可得组织特征参数沿流 程的变化，如表2、图7和图8所示 量，可见螺旋线两端Si元素含量高于初始Si元素含 表2试样的组织特征沿流程的变化 量，出现正偏析：螺旋线中部Si元素含量低于初始Si Table 2 Characteristic data of the sample microstructure 元素含量，出现了负偏析 检测点位置/m初生a品粒尺寸/μm初生固相率/% 从图5中可以看出，Mg元素含量在流程长度方向 0 43.65 50.67 上也是分布不均匀；在螺旋线的两端，Mg元素含量要 50.73 高于螺旋线中部的Mg元素含量.比较合金的初始Mg B 0.13 58.21 元素含量，可见螺旋线两端Mg元素含量高于初始Mg 0.26 40.53 53.84 元素含量，出现正偏析：螺旋线中部Mg元素含量低于 0.39 33.56 49.56 初始Mg元素含量，出现负偏析.Mg元素含量的分布 0.52 27.44 43.02 趋势基本和Sⅰ元素含量的分布相同 F 0.65 28.98 36.97 8 0.78 28.32 41.56 H 0.91 15.23 43.54 1.04 14.39 48.18 1.17 17.36 47.15 从图7中，可看出初生α晶粒尺寸的趋势是先增 大后减小，随着流程长度的增加合金温度逐渐减低，使 00.20.40.60.8 得合金冷却速度增大，再加上合金内部的冲刷作用，造 1.01.2 位置长度/m 成了初生α晶粒尺寸随着流程长度的增加出现了先 图4Si元素的沿流程分布 增大后减小的趋势.在合金浇入压室后到开始加压 Fig.4 Si distribution along the fluidity length 前，这段时间合金内部会出现游离的晶粒.在充型快 结束时，压室内合金中的晶粒增多并聚集在螺旋线浇 2.2沿流程长度的组织偏聚 口附近，在压力作用下进入螺旋线开始端，所以造成了 在螺旋线的成分取样附近，取得合金金相组织照 螺旋线开始端初生α晶粒尺寸先增大. 片.沿流程的组织照片如图6(a)~(j)所示.从图6 从图8中，可看出初生α晶粒尺寸的趋势是先增 中可以看出，在浇注温度710℃时，在长度方向上组织 大后减小，而初生α体积分数的变化趋势是波动地变 出现了不均匀.螺旋线的充型开始端的组织中，出现 化，说明在沿流程方向上初生α晶粒尺寸与固相率不 了粗大的树枝晶，随着长度的延长晶粒尺寸变小，到螺 存在明显的联系 旋线末端时没有出现树枝状枝晶，而是较碎小的晶粒. 首先，进入螺旋线型腔的金属经过一定的流程后， 3 结果讨论 到螺旋线末端后合金温度有一定的降低，所以这部分 3.1合金元素的流程偏析规律 的凝固速度比较快：其次，合金的晶粒在长流程中不断 对硅镁的沿流程分布进行曲线拟合如图9所示， 的冲刷或折断，所以随着螺旋线长度的增加，合金晶粒 可发现Si元素和Mg元素分布为流程中间位置元素含

郭莉军等: 挤压铸造零件沿流程方向的成分偏析及组织偏聚 表 1 流程不同位置元素质量分数 Table 1 Composition of sample at different positions 检测点 位置/m wSi /% wMg /% A 0 7. 49 0. 48 B 0. 13 7. 23 0. 47 C 0. 26 7. 12 0. 46 D 0. 39 6. 60 0. 43 E 0. 52 5. 96 0. 37 F 0. 65 5. 96 0. 39 G 0. 78 6. 10 0. 40 H 0. 91 6. 25 0. 41 I 1. 04 6. 34 0. 42 J 1. 17 7. 12 0. 45 量，可见螺旋线两端 Si 元素含量高于初始 Si 元素含 量，出现正偏析; 螺旋线中部 Si 元素含量低于初始 Si 元素含量，出现了负偏析． 从图 5 中可以看出，Mg 元素含量在流程长度方向 上也是分布不均匀; 在螺旋线的两端，Mg 元素含量要 高于螺旋线中部的 Mg 元素含量． 比较合金的初始 Mg 元素含量，可见螺旋线两端 Mg 元素含量高于初始 Mg 元素含量，出现正偏析; 螺旋线中部 Mg 元素含量低于 初始 Mg 元素含量，出现负偏析． Mg 元素含量的分布 趋势基本和 Si 元素含量的分布相同． 图 4 Si 元素的沿流程分布 Fig． 4 Si distribution along the fluidity length 2. 2 沿流程长度的组织偏聚 在螺旋线的成分取样附近，取得合金金相组织照 片． 沿流程的组织照片如图 6( a) ～ ( j) 所示． 从图 6 中可以看出，在浇注温度 710 ℃时，在长度方向上组织 出现了不均匀． 螺旋线的充型开始端的组织中，出现 了粗大的树枝晶，随着长度的延长晶粒尺寸变小，到螺 旋线末端时没有出现树枝状枝晶，而是较碎小的晶粒． 首先，进入螺旋线型腔的金属经过一定的流程后， 到螺旋线末端后合金温度有一定的降低，所以这部分 的凝固速度比较快; 其次，合金的晶粒在长流程中不断 的冲刷或折断，所以随着螺旋线长度的增加，合金晶粒 图 5 Mg 元素的沿流程分布 Fig． 5 Mg distribution along the fluidity length 变的越来越小，如图 6 所示． 对图 6 进行定量金相分析可得组织特征参数沿流 程的变化，如表 2、图 7 和图 8 所示． 表 2 试样的组织特征沿流程的变化 Table 2 Characteristic data of the sample microstructure 检测点 位置/m 初生 α 晶粒尺寸/μm 初生固相率/% A 0 43. 65 50. 67 B 0. 13 58. 21 50. 73 C 0. 26 40. 53 53. 84 D 0. 39 33. 56 49. 56 E 0. 52 27. 44 43. 02 F 0. 65 28. 98 36. 97 G 0. 78 28. 32 41. 56 H 0. 91 15. 23 43. 54 I 1. 04 14. 39 48. 18 J 1. 17 17. 36 47. 15 从图 7 中，可看出初生 α 晶粒尺寸的趋势是先增 大后减小，随着流程长度的增加合金温度逐渐减低，使 得合金冷却速度增大，再加上合金内部的冲刷作用，造 成了初生 α 晶粒尺寸随着流程长度的增加出现了先 增大后减小的趋势． 在合金浇入压室后到开始加压 前，这段时间合金内部会出现游离的晶粒． 在充型快 结束时，压室内合金中的晶粒增多并聚集在螺旋线浇 口附近，在压力作用下进入螺旋线开始端，所以造成了 螺旋线开始端初生 α 晶粒尺寸先增大． 从图 8 中，可看出初生 α 晶粒尺寸的趋势是先增 大后减小，而初生 α 体积分数的变化趋势是波动地变 化，说明在沿流程方向上初生 α 晶粒尺寸与固相率不 存在明显的联系． 3 结果讨论 3. 1 合金元素的流程偏析规律 对硅镁的沿流程分布进行曲线拟合如图 9 所示， 可发现 Si 元素和 Mg 元素分布为流程中间位置元素含 · 3401 ·

·1044· 工程科学学报，第39卷，第7期 100m 100μm 100m 100m 100um 100m 100um 100μm 100μm 100m 图6沿流程各点的组织变化.(a)A:(b)B:(c)C:(d)D:()E:(0F:(g)G:(h)H:(i):(i)J Fig.6 Sample microstructures along the fluidity length:(a)A:(b)B:(c)C:(d)D:(e)E;(f)F:(g)G:(h)H:(i)I:(j)J 量较低，流程两端位置的元素含量较高.拟合相关系 分配系数。<1，固液界面的溶质分布规律如下 数，Si元素为0.8623，Mg元素为0.8076.从Si元素和 (1) Mg元素的拟合公式可得出，Si和Mg元素的极值点都 C.=65+g4<1 在0.68m的位置，也是螺旋线试样的中部位置 9=1-e)(1-） (2) 合金在凝固时，在合金中先形成枝晶和残余液相， 并伴随着体积的收缩.在压力作用下，合金的残余液 式中，是液相流动速率，是液相流动速率的平均 相会通过枝晶间的通道进行补缩.螺旋线的凝固顺序 值，)，是合金凝固收缩率，C,为合金凝固后的最终成 为末端先开始凝固，所以在流程长度方向上可用溶质分 分，C。为原始成分，e为凝固收缩率。可见，对于k。<1 配公式表示元素含量的分布规律.Si和Mg元素的平衡 的合金来说，当q=1时，t,/m,=-e(1-e),C=C。,即

工程科学学报，第 39 卷，第 7 期 图 6 沿流程各点的组织变化 . ( a) A; ( b) B; ( c) C; ( d) D; ( e) E; ( f) F; ( g) G; ( h) H; ( i) I; ( j) J Fig． 6 Sample microstructures along the fluidity length: ( a) A; ( b) B; ( c) C; ( d) D; ( e) E; ( f) F; ( g) G; ( h) H; ( i) I; ( j) J 量较低，流程两端位置的元素含量较高． 拟合相关系 数，Si 元素为 0. 8623，Mg 元素为 0. 8076． 从 Si 元素和 Mg 元素的拟合公式可得出，Si 和 Mg 元素的极值点都 在 0. 68 m 的位置，也是螺旋线试样的中部位置． 合金在凝固时，在合金中先形成枝晶和残余液相， 并伴随着体积的收缩． 在压力作用下，合金的残余液 相会通过枝晶间的通道进行补缩． 螺旋线的凝固顺序 为末端先开始凝固，所以在流程长度方向上可用溶质分 配公式表示元素含量的分布规律． Si 和 Mg 元素的平衡 分配系数 k0 ＜ 1，固液界面的溶质分布规律如下［11］ Cs = C0 q k0 － 1 + q ，k0 ＜ 1． ( 1) q = ( 1 － ε ( ) 1 － vf v ) s ． ( 2) 式中，vf 是液相流动速率，vf 是液相流动速率的平均 值，vs 是合金凝固收缩率，Cs 为合金凝固后的最终成 分，C0 为原始成分，ε 为凝固收缩率． 可见，对于 k0 ＜ 1 的合金来说，当 q = 1 时，vf / vs = － ε( 1 － ε) ，Cs = C0，即 · 4401 ·

郭莉军等：挤压铸造零件沿流程方向的成分偏析及组织偏聚 ·1045 60 的合金的溶质元素含量有一定的升高.在充型结束 50 后，压室内的合金由于凝固的进行，液相当中溶质元素 中 0 含量进一步升高，形成高浓度的补缩液流，从螺旋线的 3 开始端进行补缩.虽然从螺旋线中部到开始端补缩液 流速度逐渐增大，而且流速方向与凝固方向相反，但是 补缩液流的溶质元素浓度较高，这就造成了从螺旋线 0.2 0.40.60.810 12 流程长度m 中部到开始端溶质元素的含量逐渐增大，即负偏析逐 渐减小. 图7初生α晶粒尺寸沿流程的变化 Fig.7 Distribution of the a grain size along the fluidity length 3.2组织的流程偏聚机理 螺旋线的末端先开始凝固，E和F段内的残余液 60 相通过枝晶通道对末端进行补缩.在E和F段内含Sⅰ 原子较高的残余液相具有更高的流动性，$原子含量 40 高的残余液相在压力作用下向前方流动补缩螺旋线末 30 端，所以螺旋线末端的Sⅰ原子含量高于E和F位置处 10 的Si原子含量. 02 0.40.60.81.012 螺旋线中部，B、C和D位置处的合金液对E和F 流程长度m 段进行补缩.随着凝固的进行，C、D和E位置已经出 图8初生固相率沿流程的变化 现大量的Sⅰ原子含量较低的α相，同时也出现了大量 Fig.8 Distribution of the primary solid along the fluidity length 的树枝晶：能让残余液相通过的补缩通道逐渐封闭，残 无宏观偏析：当，/m,1,C,-e(1-e)时，gC,即 碎小的晶粒被挤压推向前端.这个阶段就会出现树枝 产生正偏析. 晶的断裂脱落和破碎，也就是图6中D和E中可以看 螺旋线零件的凝固顺序为末端先开始凝固，开始 到的.这样使得大量的Si原子含量较低的α相在螺 端最后凝固。螺旋线内部补缩残余液相的流动是通过 旋线中部聚集，也就造成了螺旋线中部Si原子含量比 枝晶通道从开始端向末端部分补缩流动.补缩液相的 螺旋线两端Sⅰ原子含量低. 速度在流程末端最小，在流程开始端速度最大.铝合 螺旋线前端部分凝固速度比较慢，所以会形成粗 金A357的收缩率为0.04.当/m.<-0.042,产生负 大的树枝晶组织.在充型完成后，压室内部的Si原子 偏析，在螺旋线末端补缩液流的速度较小，所以出现了 含量较高的残余液相对A和B位置进行补缩：造成了 正偏析，从末端到开始端补缩液流速度逐渐增大，而且 这部分内的$ⅰ原子含量高于螺旋线的其他部分，而且 流速方向与凝固方向相反，所以螺旋线从末端到中部 是含量最高的部分.Mg元素与Si元素都是k。<1的 负偏析越来越严重 元素，所以其在通道内的偏析与Sⅰ元素的偏析近似. 合金在浇入压室后，上下模合模，在压头的作用 由上述可知溶质元素的通道偏析主要形成在凝固 下，合金对螺旋线型腔进行充型.在浇入压室后到开 补缩阶段.在这个阶段中补缩流的运动和低溶质含量 始加压的这段时间里，压室侧壁会形成一层凝固壳，溶 的初生相的变形破碎聚集，共同造成了溶质元素在沿 质元素原子会被排出，所以这段时间里压室内未凝固 流程长度方向上的分布不均匀，即形成溶质元素的 0.5E 0.4 6 50.3 y=3.5077x2-4.8224x+7.7486 y=0.2152x20.2965x+0.4973 访2 =0.8623 01 R2=0.8076 0.2 0.40.60.8 1.0 12 0.2 0.40.60.8 1.0 1.2 流程长度m 流程长度m 图9元素含量的拟合.(a)Si:(b)Mg Fig.9 Fitting curves of element content:(a)Si:(b)Mg

郭莉军等: 挤压铸造零件沿流程方向的成分偏析及组织偏聚 图 7 初生 α 晶粒尺寸沿流程的变化 Fig． 7 Distribution of the α grain size along the fluidity length 图 8 初生固相率沿流程的变化 Fig． 8 Distribution of the primary solid along the fluidity length 无宏观偏析; 当 vf / vs ＜ － ε( 1 － ε) 时，q ＞ 1，Cs ＜ C0，即 产生负偏析; 当 vf / vs ＞ － ε( 1 － ε) 时，q ＜ 1，Cs ＞ C0，即 产生正偏析． 图 9 元素含量的拟合． ( a) Si; ( b) Mg Fig． 9 Fitting curves of element content: ( a) Si; ( b) Mg 螺旋线零件的凝固顺序为末端先开始凝固，开始 端最后凝固． 螺旋线内部补缩残余液相的流动是通过 枝晶通道从开始端向末端部分补缩流动． 补缩液相的 速度在流程末端最小，在流程开始端速度最大． 铝合 金 A357 的收缩率为 0. 04． 当 vf / vs ＜ － 0. 042，产生负 偏析，在螺旋线末端补缩液流的速度较小，所以出现了 正偏析，从末端到开始端补缩液流速度逐渐增大，而且 流速方向与凝固方向相反，所以螺旋线从末端到中部 负偏析越来越严重． 合金在浇入压室后，上下模合模，在压头的作用 下，合金对螺旋线型腔进行充型． 在浇入压室后到开 始加压的这段时间里，压室侧壁会形成一层凝固壳，溶 质元素原子会被排出，所以这段时间里压室内未凝固 的合金的溶质元素含量有一定的升高． 在充型结束 后，压室内的合金由于凝固的进行，液相当中溶质元素 含量进一步升高，形成高浓度的补缩液流，从螺旋线的 开始端进行补缩． 虽然从螺旋线中部到开始端补缩液 流速度逐渐增大，而且流速方向与凝固方向相反，但是 补缩液流的溶质元素浓度较高，这就造成了从螺旋线 中部到开始端溶质元素的含量逐渐增大，即负偏析逐 渐减小． 3. 2 组织的流程偏聚机理 螺旋线的末端先开始凝固，E 和 F 段内的残余液 相通过枝晶通道对末端进行补缩． 在 E 和 F 段内含 Si 原子较高的残余液相具有更高的流动性，Si 原子含量 高的残余液相在压力作用下向前方流动补缩螺旋线末 端，所以螺旋线末端的 Si 原子含量高于 E 和 F 位置处 的 Si 原子含量． 螺旋线中部，B、C 和 D 位置处的合金液对 E 和 F 段进行补缩． 随着凝固的进行，C、D 和 E 位置已经出 现大量的 Si 原子含量较低的 α 相，同时也出现了大量 的树枝晶; 能让残余液相通过的补缩通道逐渐封闭，残 余液相不能进行补缩; 但是在压力的作用下，树枝晶与 碎小的晶粒被挤压推向前端． 这个阶段就会出现树枝 晶的断裂脱落和破碎，也就是图 6 中 D 和 E 中可以看 到的． 这样使得大量的 Si 原子含量较低的 α 相在螺 旋线中部聚集，也就造成了螺旋线中部 Si 原子含量比 螺旋线两端 Si 原子含量低． 螺旋线前端部分凝固速度比较慢，所以会形成粗 大的树枝晶组织． 在充型完成后，压室内部的 Si 原子 含量较高的残余液相对 A 和 B 位置进行补缩; 造成了 这部分内的 Si 原子含量高于螺旋线的其他部分，而且 是含量最高的部分． Mg 元素与 Si 元素都是 k0 ＜ 1 的 元素，所以其在通道内的偏析与 Si 元素的偏析近似． 由上述可知溶质元素的通道偏析主要形成在凝固 补缩阶段． 在这个阶段中补缩流的运动和低溶质含量 的初生相的变形破碎聚集，共同造成了溶质元素在沿 流程长度方向上的分布不均匀，即形成溶质元素的 · 5401 ·

·1046· 工程科学学报，第39卷，第7期 偏析. EngA,2005,413414:272 [5]Guo L J,Xing S M,Bao P W,et al.Effect of process parameters 4结论 on Si segregation in an aluminum alloy during squeeze casting (1)挤压铸造中，沿流程方向，流程开始端和流程 Chin J Eng,2016,38(2):257 (郭莉军，邢书明，鲍培玮，等.间接挤压铸造工艺参数对铝 末端的S元素和Mg元素含量大于流程中段的含量.流 合金中Si偏析的影响.工程科学学报，2016,38(2)：257) 程的前端和末端出现正偏析而流程中间段出现负偏析. [6 Zhang L Q,Li L X,Zhu B W.Simulation study on the LPDC (2)补缩液的强迫运动造成了Si元素和Mg元素 process for thin-walled aluminum alloy casting.Mater Manu 的偏析及组织的偏聚. Processes,2009,24(12):1349 (3)初生α晶粒尺寸随着流程长度的增加先增大 7]Han Q Y,Xu H B.Fluidity of alloys under high pressure die cast- 后减小，而初生相固相率随着流程长度的增加呈现波 ing conditions.Scr Mater,2005,53(1)7 [8]Zhu B W,Li L X,Liu X,et al.Microstructure and mechanical 动地变化 properties along fluidity length of thin-wall aluminum alloy under high pressure die casting conditions.Chin I Nonferrous Met, 参考文献 2012,22(8):2163 Qi PX.The last progress in squeezing casting technologies.Spee (朱必武，李落星，刘筱，等.薄壁铝合金压铸充型沿程的组 Casting Nonferrous Alloys,2007,27(9):688 织与力学性能.中国有色金属学报，2012,22(8)：2163) (齐不骧.挤压铸造技术的最新发展.特种铸造及有色合金， [9]Lee S G,Patel G R,Gokhale A M.Inverse surface macro-segre- 2007,27(9):688) gation in high-pressure die-east AM60 magnesium alloy and its Tan J B.Xing S M.Li L X,ct al.Limiting length of semi-solid effects on fatigue behavior.Scr Mater,2005,52(10):1063 A356 alloy rheological filling.Chin J Nonferrous Met,2006,16 1o] Gan YQ,Zhang D T,Zhang WW,et al.Macrosegregation in (6):970 squeeze-cast Al5Cu0.4Mn alloy based on Taguchi method.Chin (谭建波，邢书明，李立新，等.半固态A356合金流变充型 J Nonferrous Met,2012,22(12)3386 的极限长度.中国有色金属学报，2006,16(6)：970) (甘耀强，张大童，张卫文，等.基于田口方法的挤压铸造 B]Ravi K R.Pillai R M,Amaranathan K R,et al.Fluidity of alu- A5Cu0.4Mn合金宏观偏析.中国有色金属学报，2012,22 minum alloys and composites:a review.J Alloys Compd,2008, (12):3386) 456(12):201 [11]Hu H Q.Metal Solidification Principle.Beijing:China Machine 4]Di Sabatino M,Amberg L,Rorvik S,et al.The influence of ox- Press,1991 ide inclusions on the fluidity of Al -7wt.Si alloy.Mater Sci (胡汉起.金属凝固原理.北京：机械工业出版社，1991)

工程科学学报，第 39 卷，第 7 期 偏析． 4 结论 ( 1) 挤压铸造中，沿流程方向，流程开始端和流程 末端的 Si 元素和 Mg 元素含量大于流程中段的含量． 流 程的前端和末端出现正偏析而流程中间段出现负偏析． ( 2) 补缩液的强迫运动造成了 Si 元素和 Mg 元素 的偏析及组织的偏聚． ( 3) 初生 α 晶粒尺寸随着流程长度的增加先增大 后减小，而初生相固相率随着流程长度的增加呈现波 动地变化． 参 考 文 献 ［1］ Qi P X． The last progress in squeezing casting technologies． Spec Casting Nonferrous Alloys，2007，27( 9) : 688 ( 齐丕骧． 挤压铸造技术的最新发展． 特种铸造及有色合金， 2007，27( 9) : 688) ［2］ Tan J B，Xing S M，Li L X，et al． Limiting length of semi-solid A356 alloy rheological filling． Chin J Nonferrous Met，2006，16 ( 6) : 970 ( 谭建波，邢书明，李立新，等． 半固态 A356 合金流变充型 的极限长度． 中国有色金属学报，2006，16( 6) : 970) ［3］ Ｒavi K Ｒ，Pillai Ｒ M，Amaranathan K Ｒ，et al． Fluidity of alu￾minum alloys and composites: a review． J Alloys Compd，2008， 456( 1-2) : 201 ［4］ Di Sabatino M，Arnberg L，Ｒrvik S，et al． The influence of ox￾ide inclusions on the fluidity of Al － 7wt． % Si alloy． Mater Sci Eng A，2005，413-414: 272 ［5］ Guo L J，Xing S M，Bao P W，et al． Effect of process parameters on Si segregation in an aluminum alloy during squeeze casting． Chin J Eng，2016，38( 2) : 257 ( 郭莉军，邢书明，鲍培玮，等． 间接挤压铸造工艺参数对铝 合金中 Si 偏析的影响． 工程科学学报，2016，38( 2) : 257) ［6］ Zhang L Q，Li L X，Zhu B W． Simulation study on the LPDC process for thin-walled aluminum alloy casting． Mater Manuf Processes，2009，24( 12) : 1349 ［7］ Han Q Y，Xu H B． Fluidity of alloys under high pressure die cast￾ing conditions． Scr Mater，2005，53( 1) : 7 ［8］ Zhu B W，Li L X，Liu X，et al． Microstructure and mechanical properties along fluidity length of thin-wall aluminum alloy under high pressure die casting conditions． Chin J Nonferrous Met， 2012，22( 8) : 2163 ( 朱必武，李落星，刘筱，等． 薄壁铝合金压铸充型沿程的组 织与力学性能． 中国有色金属学报，2012，22( 8) : 2163) ［9］ Lee S G，Patel G Ｒ，Gokhale A M． Inverse surface macro-segre￾gation in high-pressure die-cast AM60 magnesium alloy and its effects on fatigue behavior． Scr Mater，2005，52( 10) : 1063 ［10］ Gan Y Q，Zhang D T，Zhang W W，et al． Macrosegregation in squeeze-cast Al5Cu0. 4Mn alloy based on Taguchi method． Chin J Nonferrous Met，2012，22( 12) : 3386 ( 甘耀强，张大童，张卫文，等． 基于田口方法的挤压铸造 Al5Cu0. 4Mn 合金宏观偏析． 中国有色金属学报，2012，22 ( 12) : 3386) ［11］ Hu H Q． Metal Solidification Principle． Beijing: China Machine Press，1991 ( 胡汉起． 金属凝固原理． 北京: 机械工业出版社，1991) · 6401 ·