D010.13374斤.isn10l53x.200.11.014 第32卷第11期 北京科技大学学报 Vol 32 N911 2010年11月 Journal ofUniversity of Science and Technobgy Bejjing Noy 2010 浇注温度对合金熔体冷却规律和半固态组织的影响 张帆康永林 杨柳青 骗华 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 摘要介绍了一种实验室自主研发的轻合金半固态浆料制备设备一锥桶式流变成形机(TR,该设备利用刻有凸纹和 沟槽的内、外锥桶的相对转动，使合金熔体在凝固过程中受到剧烈的剪切搅拌从而获得合金半固态浆料.对TR工艺的传 热模型进行了推导，以A356为实验材料得出制备的A356铝合金半固态浆料温度与浇注温度的关系式。同时分析了不同浇注 温度下合金熔体的冷却规律和获得的半固态组织形貌.结果表明，适当降低A356合金熔体的浇注温度可以延长初生固相受 到的剪切时间和增加剪切次数，从而获得细小、均匀的半固态组织.当浇注温度为640C时，初生固相平均晶粒尺寸为68牡四 形状因子为0.82 关键词铝合金：半固态浆料：凝固：微观组织 分类号TG244.1 Effects of pourng temperature on the cooling rules of a lloym elts and the sem i solid m icrostructure ZHANG Fa即KANG Yong.l▣YANG LiLqng DNG Ruihua Sclpol ofMarerals Science and Engineering Universit ofSc ence and Technokgy Beijing Beijing 100083 China ABSTRACT A self deve pped taperbarrel heamoulding(TBR)machine prpreparng lght alpy semisold slurries was in troduced Relatie rotion of the n temal and exemal taper barrelwhose surface contains waes and gooves led p an in tense shearng turbu lence of alloy melts durng solidifcaton and hen he semi sold slurries were prepared A heat transm ission model ofTBR processwas de duced Tak ng A365 alm num alpy as an expermentalmaerial he reated fomua beteen sury mperature (To)and pourng temperaure(T)of the alpy was obtained The cooling rukes of the alloy melt and he semisolil microstructure at different pourng temperaureswere analyzed The results show hat properly deceasing the pouring kmperaure of A365 alpy melt can ncease the shearng time and shearing fequency for the prmary solid phase thereby obtaining a fne and homogeneaus sm isold m icrostructure When he pouring temperaure is640C.he average gran size ofprinary panicles is68um and the shape facpr is Q 82 KEY WORDS akminum alpys smisold slurry solidifcatpn micostructure 自从Spencer等于20世纪70年代采用机械 其中大部分还处于实验室研究阶段. 搅拌法制备出具有完整球形晶粒的半固态金属后， 合金熔体在半固态浆料制备过程中的冷却规律 许多学者根据金属凝固理论对半固态金属浆料或坯 是影响半固态浆料质量的重要因素.笔者对TBR 料的制备工艺及技术进行了研究和创新.到目前为 制浆设备的制浆原理进行了分析，并对该制浆工艺 止，已经提出了许多种半固态浆料制备技术和半固 的传热模型进行了推导，研究了合金熔体流经TR 态成形工艺，如NRC、CPR到、RDC、SS(、 剪切机构内、外桶间隙时的冷却规律，同时以A356 LSPWES、MSM、LSPS、WSPo和TBR, 铝合金的浇注温度为调整参数，总结了合金熔体冷 收稿日期：2010-02-05 基金项目：国家重点基础衙究发展计划资助项目(NQ2006C05203) 作者简介：张帆(1984-，男.博士研究生：康永林(1954-，男.教授.博士生导师，Em时kagy©sed山m
第 32卷 第 11期 2010年 11月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.32 No.11 Nov.2010 浇注温度对合金熔体冷却规律和半固态组织的影响 张 帆 康永林 杨柳青 丁瑞华 北京科技大学材料科学与工程学院, 北京 100083 摘 要 介绍了一种实验室自主研发的轻合金半固态浆料制备设备———锥桶式流变成形机(TBR), 该设备利用刻有凸纹和 沟槽的内、外锥桶的相对转动, 使合金熔体在凝固过程中受到剧烈的剪切搅拌, 从而获得合金半固态浆料.对 TBR工艺的传 热模型进行了推导, 以 A356为实验材料得出制备的 A356铝合金半固态浆料温度与浇注温度的关系式, 同时分析了不同浇注 温度下合金熔体的冷却规律和获得的半固态组织形貌.结果表明, 适当降低 A356 合金熔体的浇注温度可以延长初生固相受 到的剪切时间和增加剪切次数 , 从而获得细小、均匀的半固态组织.当浇注温度为 640℃时, 初生固相平均晶粒尺寸为 68 μm, 形状因子为 0.82. 关键词 铝合金;半固态浆料;凝固;微观组织 分类号 TG244 +.1 Effectsofpouringtemperatureonthecoolingrulesofalloymeltsandthesemisolidmicrostructure ZHANGFan, KANGYong-lin, YANGLiu-qing, DINGRui-hua SchoolofMaterialsScienceandEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China ABSTRACT Aself-developedtaperbarrelrheomoulding(TBR)machineforpreparinglightalloysemi-solidslurrieswasintroduced. Relativerotationoftheinternalandexternaltaperbarrelwhosesurfacecontainswalesandgroovesledtoanintenseshearingturbulence ofalloymeltsduringsolidification, andthenthesemi-solidslurrieswereprepared.AheattransmissionmodelofTBRprocesswasdeduced.TakingA365 aluminumalloyasanexperimentalmaterial, therelatedformulabetweenslurrytemperature(Tout)andpouring temperature(Tp)ofthealloywasobtained.Thecoolingrulesofthealloymeltandthesemi-solidmicrostructureatdifferentpouring temperatureswereanalyzed.TheresultsshowthatproperlydecreasingthepouringtemperatureofA365 alloymeltcanincreasethe shearingtimeandshearingfrequencyfortheprimarysolidphase, therebyobtainingafineandhomogeneoussemi-solidmicrostructure. Whenthepouringtemperatureis640℃, theaveragegrainsizeofprimaryparticlesis68μmandtheshapefactoris0.82. KEYWORDS aluminumalloys;semi-solidslurry;solidification;microstructure 收稿日期:2010-02-05 基金项目:国家重点基础研究发展计划资助项目(No.2006CB605203) 作者简介:张 帆(1984— ), 男, 博士研究生;康永林(1954— ), 男, 教授, 博士生导师, E-mail:kangylin@ustb.edu.cn 自从 Spencer等 [ 1] 于 20世纪 70年代采用机械 搅拌法制备出具有完整球形晶粒的半固态金属后 , 许多学者根据金属凝固理论对半固态金属浆料或坯 料的制备工艺及技术进行了研究和创新.到目前为 止 ,已经提出了许多种半固态浆料制备技术和半固 态成形工艺, 如 NRC [ 2] 、 CPR [ 3] 、RDC [ 4 -5] 、SSR [ 6] 、 LSPWES [ 7] 、MSMT [ 8] 、 LSPSF [ 9] 、WSP [ 10] 和 TBR [ 11] , 其中大部分还处于实验室研究阶段. 合金熔体在半固态浆料制备过程中的冷却规律 是影响半固态浆料质量的重要因素.笔者对 TBR 制浆设备的制浆原理进行了分析 , 并对该制浆工艺 的传热模型进行了推导, 研究了合金熔体流经 TBR 剪切机构内、外桶间隙时的冷却规律, 同时以 A356 铝合金的浇注温度为调整参数, 总结了合金熔体冷 DOI :10 .13374 /j .issn1001 -053x .2010 .11 .014
。1454 北京科技大学学报 第32卷 却规律对半固态组织形貌的影响规律 通过升降内桶，可以调整内、外锥桶之间的间隙大 1实验方法 小，从而改变剪切作用力和剪切时间，进而影响半固 态浆料初生固相的形貌. 1.1TBR制浆设备简介 调速电机 实验采用北京科技大学康永林等自主设计研发 一升降机构 锥齿轮 的轻合金强制均匀凝固设备一锥桶式流变成形机 aper barrel rhecmoulding machine TBR).TBR 心轴 备在镁合金半固态浆料制备以及镁合金流变压铸成 保护气体 通气管 形方面已经取得了良好的效果，并与北京广灵精华 浇注漏斗 科技有限公司共同合作建立了镁合金半固态流变压 内锥桶 铸中试线，同时在实验室也建立了铝合金半固态浆 外锥桶 料制备以及流变压铸成形一体化技术原型.BR设 保温层 备结构如图1所示，该设备主要由动力传动机构、剪 切机构、温度控制系统、升降机构和气体保护系统组 浆料出口一 成.设备的核心部件是剪切机构，它由内锥桶和外 图1锥桶式流变成形装置示意图 锥桶组成.外锥桶外壁设置有加热和冷却元件，可 Fg 1 Schematic illustration of the taper bamrel theonouling ma 以实现对温度的精确控制（士1℃，内锥桶主要通 chine 过热辐射和热传导达到工作温度. TBR设备的工作原理是利用刻有凸纹及沟槽 1.2实验材料 的内、外锥桶的相对转动，使液态金属在凝固过程中 实验材料为356铸造铝合金，其化学成分如 发生剧烈的剪切变形，形成组织细小且均匀圆整的 表1所示.经DSC测定，A356合金液相线和固相线 半固态金属浆料.内、外桶带有一定锥度，升降机构 温度分别为615℃和560℃. 表1A356铝合金的化学成分（质量分数） Table 1 Chem ical coposition ofA356 aluminum alby % Si Fe Cu Mn Mg Z Ti Ni Sn 693 017 001 0.01 038 001 0.15 005 0.01 余量 1.3实验过程 寸、形状进行分析，初生固相尺寸用等积圆直径D 将356铝合金锭烘干后放入预热温度为 表示，形状用形状因子F表示，F越大、越趋近于↓ 400℃的熔化炉内，加热到700℃时进行精炼除气， 初生固相越圆整.具体计算公式为D=N4A恢，F= 静置15m后，将液态金属降温到高于液相线的某 4红yP.式中，A为晶粒面积，ni:P为晶粒截面 一浇注温度，然后注入事先设定好参数的BR装置 周长12-，m 剪切机构中，剪切外锥桶温度设定范围为580~ 2TBR半固态浆料制备过程中熔体的冷却 610℃，内锥桶转速为150-700事mr.液态金属 规律 在剪切机构内、外锥桶间隙处受到剧烈剪切应力场 作用，2~8洉从浆料出口处流出，将每次获得的浆 2.1TBR工艺制备半固态浆料传热模型 料注入特制的不锈钢小桶内，然后迅速放入水中冷 合金熔体在TBR设备内外桶间隙处的冷却规 却，从而获得半固态坯料.整个熔炼剪切搅拌过程 律是影响半固态浆料质量的重要因素，制浆工艺参 采用氩气进行保护防止合金液氧化. 数的选择也主要在于获得适宜的合金液冷却方式和 为了对比不同工艺条件下制备的半固态浆料效 剪切强度.因此，掌握合金熔体在制浆过程中的冷 果，沿坯料轴线方向在中部截取10m厚的圆片，并 却规律，对于制备性能优良，稳定的轻合金半固态浆 从中取一扇形作为金相试样.试样经过磨平、抛光 料以及探索半固态组织的形成机理具有重要的意 处理后，采用0.5%HF水溶液进行侵蚀。在显微镜 义，下面根据传热学的相关理论，对合金熔体通过 下获得金相照片，利用图像处理软件对初生固相尺 剪切机构时温度的变化规律进行了计算
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 却规律对半固态组织形貌的影响规律 . 1 实验方法 1.1 TBR制浆设备简介 实验采用北京科技大学康永林等自主设计研发 的轻合金强制均匀凝固设备———锥桶式流变成形机 (taperbarrelrheomouldingmachine, TBR).TBR设 备在镁合金半固态浆料制备以及镁合金流变压铸成 形方面已经取得了良好的效果 ,并与北京广灵精华 科技有限公司共同合作建立了镁合金半固态流变压 铸中试线,同时在实验室也建立了铝合金半固态浆 料制备以及流变压铸成形一体化技术原型 .TBR设 备结构如图 1所示 ,该设备主要由动力传动机构 、剪 切机构 、温度控制系统 、升降机构和气体保护系统组 成 .设备的核心部件是剪切机构 , 它由内锥桶和外 锥桶组成.外锥桶外壁设置有加热和冷却元件 ,可 以实现对温度的精确控制 (±1 ℃), 内锥桶主要通 过热辐射和热传导达到工作温度. TBR设备的工作原理是利用刻有凸纹及沟槽 的内、外锥桶的相对转动, 使液态金属在凝固过程中 发生剧烈的剪切变形, 形成组织细小且均匀圆整的 半固态金属浆料 .内 、外桶带有一定锥度 ,升降机构 通过升降内桶, 可以调整内 、外锥桶之间的间隙大 小, 从而改变剪切作用力和剪切时间,进而影响半固 态浆料初生固相的形貌 . 图 1 锥桶式流变成形装置示意图 Fig.1 Schematicillustrationofthetaperbarrelrheomouldingmachine 1.2 实验材料 实验材料为 A356 铸造铝合金, 其化学成分如 表 1所示 .经 DSC测定, A356合金液相线和固相线 温度分别为 615 ℃和 560 ℃. 表 1 A356铝合金的化学成分(质量分数) Table1 ChemicalcompositionofA356 aluminumalloy % Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti Ni Sn Al 6.93 0.17 0.01 0.01 0.38 0.01 0.15 0.05 0.01 余量 1.3 实验过程 将 A356 铝 合金锭烘 干后放入预 热温度为 400℃的熔化炉内, 加热到 700 ℃时进行精炼除气 , 静置 15 min后, 将液态金属降温到高于液相线的某 一浇注温度 ,然后注入事先设定好参数的 TBR装置 剪切机构中 , 剪切外锥桶温度设定范围为 580 ～ 610℃,内锥桶转速为 150 ～ 700 r·min -1 .液态金属 在剪切机构内、外锥桶间隙处受到剧烈剪切应力场 作用, 2 ～ 8 s后从浆料出口处流出, 将每次获得的浆 料注入特制的不锈钢小桶内 ,然后迅速放入水中冷 却 ,从而获得半固态坯料.整个熔炼, 剪切搅拌过程 采用氩气进行保护,防止合金液氧化 . 为了对比不同工艺条件下制备的半固态浆料效 果 ,沿坯料轴线方向在中部截取 10 mm厚的圆片,并 从中取一扇形作为金相试样 .试样经过磨平 、抛光 处理后 ,采用 0.5% HF水溶液进行侵蚀, 在显微镜 下获得金相照片 .利用图像处理软件对初生固相尺 寸、形状进行分析 , 初生固相尺寸用等积圆直径 D 表示 ,形状用形状因子 F表示, F越大 、越趋近于 1, 初生固相越圆整.具体计算公式为 D= 4A/π, F= 4πA/P 2 .式中 , A为晶粒面积 , mm 2 ;P为晶粒截面 周长 [ 12 -13] , mm. 2 TBR半固态浆料制备过程中熔体的冷却 规律 2.1 TBR工艺制备半固态浆料传热模型 合金熔体在 TBR设备内外桶间隙处的冷却规 律是影响半固态浆料质量的重要因素 ,制浆工艺参 数的选择也主要在于获得适宜的合金液冷却方式和 剪切强度 .因此 ,掌握合金熔体在制浆过程中的冷 却规律,对于制备性能优良、稳定的轻合金半固态浆 料以及探索半固态组织的形成机理具有重要的意 义.下面根据传热学的相关理论, 对合金熔体通过 剪切机构时温度的变化规律进行了计算 . · 1454·
第11期 张帆等：浇注温度对合金熔体冷却规律和半固态组织的影响 1455 图2为TBR工艺制备半固态浆料的传热过程 T1 exp 3+? 示意图.假设内、外锥桶表面温度恒定，分别为和 2 2aS+内 mC 2 (6) 工并且和均高于合金固相线温度.将初始温 m 式中，K为常数；S=P入（入可定义为内外桶的平均 度为的合金熔体浇入TBR剪切机构的锥桶间隙 后，经过时间其温度变为T由于剪切机构的内、 间隙，p为合金熔体的密度，mm3方仁0时，T= 外锥桶高度和直径与内、外桶的间隙(3mm)相比其 将以上条件代入式(6求得K值并简化得： 值较大，可以把剪切内、外锥桶简化成为一个大平 T- T-T+T exp 2a +T+3() 壁，合金液在厚度方向的液膜是均匀冷却的，忽略熔 2 pλCp 2 体在剪切机构中凝固的结晶潜热及熔体在垂直方向 式(7)为BR工艺制备半固态浆料的传热模 的传热，则在时刻，合金液冷却过程中放出的热量 型.从式(7)中可以看出，浇注温度，内、外锥桶壁的 △Q等于与内、外锥桶壁进行的热量交换△Q,即： 温度，锥桶平均间隙以及合金液流经剪切机构的时 △Qo=△Qt (1) 间是影响合金熔体冷却规律的重要因素，TBR制浆 时刻，合金熔体流经BR内、外锥桶间隙时放出的 工艺也主要是通过以上参数的控制来获得不同性质 热量为： 的半固态合金浆料.对流换热系数与合金熔体的物 △Qxo=mC dr (2) 理属性和流动状态有关，对于一种特定的合金熔体， 式中，为合金熔体的质量，多C为合金的比热容， 可以认为它的密度和比热容在半固态区间时保持 }g.℃-1 不变. 2.2合金熔体在TBR剪切机构中的冷却规律 内外桶间隙 TBR工艺传热模型为制备半固态浆料的参数 设定提供了依据，在某一制浆工艺条件下，假设合金 熔体的密度P和比热容G在制浆过程中保持不变 或变化不大，则合金熔体流经内、外桶间隙时温度随 时间的变化规律为图3所示的曲线.合金熔体流经 内、外桶间隙时，受到剪切应力场的作用，同时与内、 外桶壁产生热量交换，其温度由浇注温度开始逐渐 降低，在时刻达到了液相线温度工，随后进入半 内桶桶壁 外桶桶壁 固态区间，过冷熔体开始大量形核并长大，初生枝晶 图2BR工艺制备半固态浆料的传热过程示意图 受到剪切应力场作用而破碎、磨圆和熟化，形成球形 Fg 2 Schema tic illustration of heat transm ission durng preparing 的初生固相.在时刻，合金熔体从剪切机构中流 semiso lid sumies in TBR Prcess 出，半固态浆料制备完成.若合金熔体流经内外桶 合金熔体与内锥桶外壁和外锥桶内壁的对流换 间隙的时间足够长，则合金熔体的温度将趋近于内 热均满足牛顿冷却公式，则△Q等于两个换热面 外桶壁表面温度的平均值一(T十3)/2在合金 上发生的热量交换之和： 熔体的冷却过程中，其冷却速率并不是恒定不变的， △Q=△Q+△Q= 而是随时间逐渐减小. a(T-TDSd+2(-T)§dt (3) 合金熔体受到剪切应力场作用的时间区间为 式中，a1、2分别为合金熔体与内外锥桶壁的对流 0~,但是在0~时间内，合金熔体温度高于液相 换热系数：S、S为合金液与内外桶壁的接触面积， 线，熔体中并不存在初生固相，更谈不上枝晶的破 mn.由于TBR设备内、外锥桶均采用相同的材料， 碎因此TBR设备对合金熔体的有效剪切时间为 同时合金熔体铺展在内外桶间隙处，可近似认为 ~将合金熔体的冷却曲线与分别通过和 a1=a2=aS=§=S则式(3)河以简化为： 的水平和垂直线所包围的区域定义为有效剪切 △Q=a(T+T-2TSdt (4) 区域，则该区域的水平和竖直边分别表示TBR工艺 联立式(1，式(2)和式(4就可得到BR工艺 对合金熔体的有效剪切时间和合金熔体受到剪切作 制备半固态浆料的换热微分方程： 用的半固态温度区间.适当增加有效剪切区域的面 mG dEa(T+T-2T)Sdt (5) 积有利于初生固相的充分破碎从而得到初生固相 解方程得： 更加细小、均匀且圆整的半固态组织
第 11期 张 帆等:浇注温度对合金熔体冷却规律和半固态组织的影响 图 2为 TBR工艺制备半固态浆料的传热过程 示意图 .假设内 、外锥桶表面温度恒定, 分别为 T1和 T2 ,并且 T1和 T2均高于合金固相线温度 .将初始温 度为 Tp的合金熔体浇入 TBR剪切机构的锥桶间隙 后 ,经过 t时间其温度变为 T.由于剪切机构的内 、 外锥桶高度和直径与内、外桶的间隙 (3 mm)相比其 值较大 ,可以把剪切内 、外锥桶简化成为一个大平 壁 ,合金液在厚度方向的液膜是均匀冷却的,忽略熔 体在剪切机构中凝固的结晶潜热及熔体在垂直方向 的传热 ,则在 t时刻,合金液冷却过程中放出的热量 ΔQexo等于与内 、外锥桶壁进行的热量交换 ΔQht,即 : ΔQexo =ΔQht (1) t时刻 ,合金熔体流经 TBR内 、外锥桶间隙时放出的 热量为 : ΔQexo =mCpdT (2) 式中, m为合金熔体的质量, g;Cp为合金的比热容 , J·g -1 ·℃ -1. 图 2 TBR工艺制备半固态浆料的传热过程示意图 Fig.2 Schematicillustrationofheattransmissionduringpreparing semi-solidslurriesinTBRprocess 合金熔体与内锥桶外壁和外锥桶内壁的对流换 热均满足牛顿冷却公式 [ 14] ,则 ΔQht等于两个换热面 上发生的热量交换之和: ΔQht=ΔQ1 +ΔQ2 = α1 (T1 -T)S1 dt+α2 (T2 -T)S2 dt (3) 式中, α1 、α2 分别为合金熔体与内外锥桶壁的对流 换热系数;S1 、S2为合金液与内外桶壁的接触面积 , mm 2.由于 TBR设备内 、外锥桶均采用相同的材料 , 同时合金熔体铺展在内外桶间隙处, 可近似认为 α1 =α2 =α, S1 =S2 =S,则式(3)可以简化为: ΔQht=α(T1 +T2 -2T)Sdt (4) 联立式 (1)、式(2)和式 (4)就可得到 TBR工艺 制备半固态浆料的换热微分方程: mCpdT=α(T1 +T2 -2T)Sdt (5) 解方程得: T= 1 2 exp - 2αS mCp t+K + T1 +T2 2 (6) 式中 , K为常数 ; m S =ρλ(λ可定义为内外桶的平均 间隙 , ρ为合金熔体的密度, g·mm -3 );t=0时 , T= Tp.将以上条件代入式(6)求得 K值并简化得: T= Tp - T1 +T2 2 exp - 2α ρλCp t + T1 +T2 2 (7) 式 (7)为 TBR工艺制备半固态浆料的传热模 型.从式(7)中可以看出 ,浇注温度,内 、外锥桶壁的 温度 ,锥桶平均间隙以及合金液流经剪切机构的时 间是影响合金熔体冷却规律的重要因素, TBR制浆 工艺也主要是通过以上参数的控制来获得不同性质 的半固态合金浆料 .对流换热系数与合金熔体的物 理属性和流动状态有关 ,对于一种特定的合金熔体, 可以认为它的密度和比热容在半固态区间时保持 不变 . 2.2 合金熔体在 TBR剪切机构中的冷却规律 TBR工艺传热模型为制备半固态浆料的参数 设定提供了依据,在某一制浆工艺条件下,假设合金 熔体的密度 ρ和比热容 Cp在制浆过程中保持不变 或变化不大,则合金熔体流经内、外桶间隙时温度随 时间的变化规律为图 3所示的曲线.合金熔体流经 内、外桶间隙时 ,受到剪切应力场的作用 ,同时与内、 外桶壁产生热量交换 ,其温度由浇注温度开始逐渐 降低 ,在 t0时刻达到了液相线温度 TL, 随后进入半 固态区间 ,过冷熔体开始大量形核并长大,初生枝晶 受到剪切应力场作用而破碎 、磨圆和熟化,形成球形 的初生固相.在 tout时刻 ,合金熔体从剪切机构中流 出, 半固态浆料制备完成 .若合金熔体流经内外桶 间隙的时间足够长 ,则合金熔体的温度将趋近于内 外桶壁表面温度的平均值——— (T1 +T2 )/2.在合金 熔体的冷却过程中 ,其冷却速率并不是恒定不变的, 而是随时间逐渐减小. 合金熔体受到剪切应力场作用的时间区间为 0 ～ tout,但是在 0 ～ t0时间内 ,合金熔体温度高于液相 线, 熔体中并不存在初生固相 , 更谈不上枝晶的破 碎, 因此 TBR设备对合金熔体的有效剪切时间为 t0 ～ tout.将合金熔体的冷却曲线与分别通过 TL和 tout的水平和垂直线所包围的区域定义为有效剪切 区域 ,则该区域的水平和竖直边分别表示 TBR工艺 对合金熔体的有效剪切时间和合金熔体受到剪切作 用的半固态温度区间.适当增加有效剪切区域的面 积有利于初生固相的充分破碎, 从而得到初生固相 更加细小 、均匀且圆整的半固态组织. · 1455·
。1456 北京科技大学学报 第32卷 690 670 T=690℃ T=670℃ 有效剪切区域 T=650℃ T=640℃ …T 仁 如610 T+T 590剪切搅拌 2 剪切搅拌 z2222a 0 4 6 0 时间 时间s 图3BR制浆工艺中合金熔体的冷却曲线图 图5浇注温度对合金熔体冷却规律的影响 F3 Cooling curve of the albymelt n TBR Prooess F5 Effect of pouring tempemtre on the coolng ruke of the alby melt 3实验结果与分析 图5中可以看出，不同浇注温度下，合金熔体温 3.1不同浇注温度下半固态A356铝合金的冷却 度的变化趋势相似，但浇注温度低的合金熔体初始 规律 温度较低，冷却速率也相应降低.如果合金熔体在 图4为实验测得的356铝合金半固态浆料出 内、外桶间隙处的冷却时间大于或等于6时，制备 口温度随浇注温度的变化规律，实验参数分别为内 的半固态浆料温度将趋于相同，其值为内、外锥桶壁 桶转速500r。m前；内、外桶壁温度=560℃、 温度的平均值.低浇注温度的铝合金熔体经过较少 =610℃，锥桶平均间隙入=3m采用最小二乘 时间的冷却就可进入半固态区间，初生固相受到剪 法拟合得到两者的关系为T=0.323TD+392.13 切搅拌的时间相应增加，有利于获得更加细小、圆整 相关性为94.%，因此可以近似认为半固态浆料流 的初生固相. 出锥桶间隙时的温度T与浇注温度T呈线性关 3.2浇注温度对半固态A356铝合金初生固相形 系.BR制浆工艺要求应高于液相线温度，T低 貌的影响 于液相线温度，从而确定此工艺下的取值范围为 图6为内桶转速500mr,内、外锥桶壁温 615℃<T<690℃. 度T=560℃、霓=610℃锥桶平均间隙入=3m四 620 在不同浇注温度下，制备的半固态金相组织.图中 T-0.323T+392.13 白色的块状或近似球状区域为α一A初生相。深灰 615 =0.947 色的区域为剩余液相形成的共晶组织.结合图6和 兰610叶 ◆ 图7可以看出，由于浇注温度不同，合金熔体流经内 三叶 外桶间隙时的冷却速率和出口温度不同，造成其金 (T+T,/2:585℃ 内桶转速：500r-min 相组织形貌有很大的差异.随着浇注温度的降低， 内外帕问隙：3mm 初生α一A的平均晶粒尺寸逐渐减小，形状因子逐 595 640650 660670680690 渐变大，即初生固相变得细小、圆整.图6（所示 浇注温度心 半固态组织的浇注温度为690℃获得的半固态浆 图4不同浇注温度下的半固态浆料出口温度 料温度为616℃合金熔体从剪切机构内外桶间隙 Fg 4 Outket xmperaureof the semisolid surny atdifferentpouring tm pe ra tres 流出后仍高于液相线温度(615℃，形核、长大的初 生固相并未受到剪切应力场的作用.因此当浇注温 实际实验过程中发现，以上实验参数条件下，合 度为690℃时，初生a一A为粗大的树枝晶：将浇注 金熔体流经锥桶间隙的时间基本相同，约为2§ 温度降低为670℃和650℃后，合金熔体在较短的 即=2s同时已知该时刻合金熔体的温度T 时间内快速冷却至半固态区间，在剪切应力场的作 (图4，将二者的值代入式(7)就可求得该过程中 用下，初生固相被破碎、磨圆，最后得到球形组织 对流换热系数α的平均值，则不同浇注温度的A356 但是，浇注温度为650℃的半固态组织相对于浇注 合金熔体流经锥桶间隙时，温度随时间的变化规律 温度为670℃的，其初生固相更为细小圆整原因在 见图5 于浇注温度为650℃时，合金熔体的有效剪切区域
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 图 3 TBR制浆工艺中合金熔体的冷却曲线图 Fig.3 CoolingcurveofthealloymeltinTBRprocess 3 实验结果与分析 3.1 不同浇注温度下半固态 A356铝合金的冷却 规律 图 4为实验测得的 A356铝合金半固态浆料出 口温度随浇注温度的变化规律 ,实验参数分别为内 桶转速 500 r· min -1 ;内、外桶壁温度 T1 =560 ℃、 T2 =610 ℃;锥桶平均间隙 λ=3 mm.采用最小二乘 法拟合得到两者的关系为 Tout =0.323Tp +392.13, 相关性为 94.7%,因此可以近似认为半固态浆料流 出锥桶间隙时的温度 Tout与浇注温度 Tp呈线性关 系 .TBR制浆工艺要求 Tp应高于液相线温度, Tout低 于液相线温度,从而确定此工艺下 Tp的取值范围为 615℃ <Tp <690 ℃. 图 4 不同浇注温度下的半固态浆料出口温度 Fig.4 Outlettemperatureofthesemi-solidslurryatdifferentpouring temperatures 实际实验过程中发现 ,以上实验参数条件下,合 金熔体流经锥桶间隙的时间 tout基本相同, 约为 2 s, 即 tout =2 s, 同时已知该时刻合金熔体的温度 Tout (图 4),将二者的值代入式 (7)就可求得该过程中 对流换热系数 α的平均值, 则不同浇注温度的 A356 合金熔体流经锥桶间隙时 , 温度随时间的变化规律 见图 5. 图 5 浇注温度对合金熔体冷却规律的影响 Fig.5 Effectofpouringtemperatureonthecoolingruleofthealloy melt 图 5中可以看出 ,不同浇注温度下 ,合金熔体温 度的变化趋势相似 ,但浇注温度低的合金熔体初始 温度较低 ,冷却速率也相应降低 .如果合金熔体在 内、外桶间隙处的冷却时间大于或等于 6 s时, 制备 的半固态浆料温度将趋于相同,其值为内、外锥桶壁 温度的平均值 .低浇注温度的铝合金熔体经过较少 时间的冷却就可进入半固态区间 , 初生固相受到剪 切搅拌的时间相应增加 ,有利于获得更加细小、圆整 的初生固相. 3.2 浇注温度对半固态 A356 铝合金初生固相形 貌的影响 图 6为内桶转速 500 r·min -1 , 内 、外锥桶壁温 度 T1 =560℃、T2 =610 ℃,锥桶平均间隙 λ=3 mm, 在不同浇注温度下 ,制备的半固态金相组织 .图中 白色的块状或近似球状区域为 α-Al初生相, 深灰 色的区域为剩余液相形成的共晶组织.结合图 6和 图 7可以看出 ,由于浇注温度不同 ,合金熔体流经内 外桶间隙时的冷却速率和出口温度不同 ,造成其金 相组织形貌有很大的差异 .随着浇注温度的降低, 初生 α-Al的平均晶粒尺寸逐渐减小 ,形状因子逐 渐变大, 即初生固相变得细小、圆整.图 6(a)所示 半固态组织的浇注温度为 690 ℃, 获得的半固态浆 料温度为 616 ℃, 合金熔体从剪切机构内外桶间隙 流出后仍高于液相线温度 (615 ℃), 形核 、长大的初 生固相并未受到剪切应力场的作用.因此当浇注温 度为 690 ℃时 ,初生 α-Al为粗大的树枝晶;将浇注 温度降低为 670 ℃和 650 ℃后, 合金熔体在较短的 时间内快速冷却至半固态区间, 在剪切应力场的作 用下 , 初生固相被破碎 、磨圆, 最后得到球形组织. 但是 ,浇注温度为 650 ℃的半固态组织相对于浇注 温度为 670 ℃的,其初生固相更为细小圆整, 原因在 于浇注温度为 650 ℃时 ,合金熔体的有效剪切区域 · 1456·
第11期 张帆等：浇注温度对合金熔体冷却规律和半固态组织的影响 ·1457 面积约为6700时的13倍（图5，其受到剪切搅拌 整的半固态组织.当浇注温度进一步降低为640℃ 的半固态区间为602~615℃远远大于670℃的 时，合金熔体受到剪切搅拌的半固态区间为598~ 609~615℃因此在浇注温度较低的合金熔体中， 615℃从而获得了初生固相更加细小、圆整的半固 初生固相受到的有效剪切时间和剪切次数大大增 态组织如图6（山所示，其初生固相平均晶粒尺寸 加，粗大树枝晶得到充分破碎获得了更为细小、圆 为68μ四形状因子为082 (a) b 200um 200um 200m 200m 图6不同浇注温度下获得的A356半固态组织.（两690℃，(b)670℃：(9650℃：(d山640℃ Fg6 Seisolidm crostrucures of A356c6 mined at diffe rent pourng tempe臀(690℃，(b)670℃，(9650℃，(d山640℃ 1.0 口一平均晶粒尺寸 系.设定内桶转速为500m江，内、外桶壁温度 200 ●一 。形状因子 且175 0.8 T=560℃、=610℃，内、外桶平均间隙入=3m 2150 则二者满足关系式T=0.323T+39213其相关 性为94.7%其中浇注温度应高于液相线温度并 低于690℃. 0.2 (3)适当降低356合金熔体的浇注温度可以 506*065060670680690 0 增加其在TBR工艺下的有效剪切区域面积增加初 浇注温度℃ 生固相受到的剪切次数和剪切时间，从而获得细小、 图7浇注温度对初生固相形貌的影响 均匀的半固态组织.当浇注温度为640℃时，初生 Fig 7 Effect of pouring tmperature on the morphobgy of Primary 固相平均晶粒尺寸为684四形状因子为082 gra ins 参考文献 4结论 [I SPencerD B MehmbianR Fkm ngsMC Reopgicalbehavior of Sn15 pct Pb in the crysta lliza tion range MeallMa ter TransB (1)根据TBR设备制备半固态浆料的传热模 19723(7):1925 型可以看出：浇注温度，内、外桶壁温度，内、外桶间 EastonM A Kaumann H Fragnerw The effect of chemical 隙以及合金液流经内、外桶间隙的时间是影响合金 grain re fnem ent and bw supe teat pouring on the strucure ofNRC 熔体冷却规律的重要因素；TBR制浆工艺过程中主 castings of akm inim alloy Al7sio.4Mg Mater Sci Eng A 要通过设定不同的浇注温度，内、外桶壁温度来改变 2006420(1/2):135 合金熔体的冷却曲线从而获得不同初生固相形貌 [3 Mathew M F Sem_solid Sumy Foma tin va LfuidMenIMxing Dissertation.Worcester Worcester Poyechnic Insti 2003 的半固态合金浆料. 4 JiS Fan Z BevisM J Sm isolid processing of ergineerng al (2)当其他TBR工艺参数保持不变时，制备的 bys by a wi scew theomnouHing Pocess Mater Sci Eng A A356铝合金半固态浆料温度与浇注温度呈线性关 2001299(12):210
第 11期 张 帆等:浇注温度对合金熔体冷却规律和半固态组织的影响 面积约为 670 ℃时的 13倍 (图 5),其受到剪切搅拌 的半固态区间为 602 ～ 615 ℃, 远远大于 670 ℃的 609 ～ 615 ℃, 因此在浇注温度较低的合金熔体中 , 初生固相受到的有效剪切时间和剪切次数大大增 加 ,粗大树枝晶得到充分破碎, 获得了更为细小 、圆 整的半固态组织.当浇注温度进一步降低为 640 ℃ 时, 合金熔体受到剪切搅拌的半固态区间为 598 ～ 615 ℃, 从而获得了初生固相更加细小 、圆整的半固 态组织,如图 6(d)所示, 其初生固相平均晶粒尺寸 为 68 μm, 形状因子为 0.82. 图 6 不同浇注温度下获得的 A356半固态组织.(a)690℃;(b)670℃;(c)650℃;(d)640℃ Fig.6 Semi-solidmicrostructuresofA356 obtainedatdifferentpouringtemperatures:(a)690℃;(b)670℃;(c)650℃;(d)640℃ 图 7 浇注温度对初生固相形貌的影响 Fig.7 Effectofpouringtemperatureonthemorphologyofprimary grains 4 结论 (1)根据 TBR设备制备半固态浆料的传热模 型可以看出:浇注温度 ,内 、外桶壁温度, 内、外桶间 隙以及合金液流经内、外桶间隙的时间是影响合金 熔体冷却规律的重要因素;TBR制浆工艺过程中主 要通过设定不同的浇注温度,内 、外桶壁温度来改变 合金熔体的冷却曲线, 从而获得不同初生固相形貌 的半固态合金浆料. (2)当其他 TBR工艺参数保持不变时, 制备的 A356铝合金半固态浆料温度与浇注温度呈线性关 系.设定内桶转速为 500 r·min -1 , 内、外桶壁温度 T1 =560℃、T2 =610℃,内、外桶平均间隙 λ=3mm, 则二者满足关系式 Tout=0.323Tp +392.13, 其相关 性为 94.7%, 其中浇注温度 Tp应高于液相线温度并 低于 690 ℃. (3)适当降低 A356合金熔体的浇注温度可以 增加其在 TBR工艺下的有效剪切区域面积,增加初 生固相受到的剪切次数和剪切时间,从而获得细小、 均匀的半固态组织 .当浇注温度为 640 ℃时 , 初生 固相平均晶粒尺寸为 68 μm,形状因子为 0.82. 参 考 文 献 [ 1] SpencerDB, MehrabianR, FlemingsMC.Reologicalbehaviorof Sn-15 pctPbinthecrystallizationrange.MetallMaterTransB, 1972, 3(7):1925 [ 2] EastonM A, KaufmannH, FragnerW.Theeffectofchemical grainrefinementandlowsuperheatpouringonthestructureofNRC castingsofaluminium alloyAl-7Si-0.4Mg.MaterSciEngA, 2006, 420(1 /2):135 [ 3] MatthewMF.Seim-solidSlurryFormationviaLiquidMetalMixing [ Dissertation] .Worcester:WorcesterPolytechnicInstitute, 2003 [ 4] JiS, FanZ, BevisMJ.Semi-solidprocessingofengineeringalloysbyatwin-screwrheomouldingprocess.MaterSciEngA, 2001, 299(1 /2):210 · 1457·
。1458 北京科技大学学报 第32卷 【习Fan Z Liu G Soli日lifcaton behav our of AZ1 alloy undern [10 Guan R G Shi L XingZH et a]Preparirg sm isolid AL tensive foroed convection in the RDC Process Acta Mater 2005 SiM alby by novel skping plate Process and thixopm ng 53(164345 Found200756(7):694 【(MartinezR A Flm ingsM C Evolti知of panic kemophokgy in (管仁国，石路，邢振环等。新型倾斜板技术制备半固态 smmisold Prooessing Mem llMa terTmnsA 2005 36 (8):2205 AS6M2合金及○触变成形.铸造.200756(7)：694) 【刀MaoW M ZhuD P ZhengQ et a]Shure preparation by LSP [11 Yarg LQ KangY I Zhang F et al Sudy on micostucure WES me thod and rheocasting of A356 akm inum alk Foundy Pocessing re tionship of a smi-sold rheadiecasting A357 ak 200958(1片10 minm alby JMaterEng 2009(6).64 毛卫民朱达平，郑秋，等.半固态A356铝合金浆料的 (杨柳青，康永林，张帆。等.A357铝合金半固态流变压铸 LSWE制备和流变成形.铸造，200958(1：10) 成形组织工艺研究.材料工程2009(6,64) 【习Ling B XuJ Zeng YD et a]Sudyon them crostruc aure can [12 FanZ Fang X Ji$Micostucture and mechanical popertes tol of a kminum alloy sem i solid slurry prepared by MSMT tech of teo diecast RDC)ajuminim alkys Mater Sci Eng A mokgy Foundt Tednol 2008 29(11):1518 2005412(1-5)片298 梁博，徐骏，曾怡丹，等.M⑤MT法制备铝合金半固态浆料 【13)L和Z MaoW M Zhao ZD Smisold356 alk slumy pre 组织控制的研究.铸造技术，200829(11)：1518) pared by a new pr0ce5 ActaMetⅡlS0200945(4片507 [9 Liu X B YangX J GuoHM On Ine prepamtin technokgy for (刘政，毛卫民。赵振锋.新工艺制备半固态356铝合金浆 semi solid slurry ofa lminum al by based on ISPSF (Lov shearng 料.金属学报.200945(4,507) pouring semisolid fomming)metha Spec Cast Non ferous Albys [14 Zhou YQ HeatTransfer Beijing Metalugical Industt Press 200828(10)片：762 1999 刘旭波，杨湘杰，郭洪民.铝合金半固态浆料LSPSF法在线 (周筠清.传热学.北京：治金工业出版社，1999) 制备.特种铸造及有色合金，200828(10：762)
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