D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1999.05.041 第21卷第5期 北京科技大学学报 Vol.21 No.5 1999年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.1999 气/液比和挤压比对过共晶 铝-硅合金初晶硅相的影响 谢长安》 尚成嘉) 贺信莱” 熊柏青) 石力开) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)北京有色金属研究总院，北京10088 摘要研究了雾化沉积制备过共晶A!-S-X合金过程中，气/液比对沉积坯中初晶硅相尺寸 的影响，观察了随热挤压前预热温度的升高，沉积坯中初晶硅相的长大情况.并通过相同温度 不同挤压比下挤压组织的比较，讨论了热挤压时挤压比对过共晶A-Si合金中初晶硅相细化过 程的影响，提出细化材料组织的最佳工艺参数. 关键词喷射成型：过共晶铝-硅合金：初晶硅 分类号TF124.33;TF125.1 过共晶Al-Si合金因其低膨胀系数和良好 为530cm.通过选用不同的导流管(d=3.5mm和 的耐摩擦性能在商业上获得了广泛的应用) d=3.8mm)调整雾化沉积过程中的气/液比，获 但采用传统的铸造工艺生产过共晶合晶时，由 得不同的沉积坯件， 于凝固速度过慢引起合金中初晶硅粗大，限制 对沉积坯件取样进行热挤压前的保温处 了合金性能的进一步提高，雾化沉积工艺制备 理，保温时间均为1h,温度分别为350,400， 的材料具有晶粒细小，组织均匀，能够有效抑制 450,470和500℃.保温后试样进行标准的金相 偏析等传统RSPM材料的特征，是一种有效改 研磨、抛光、侵蚀，并在400倍下进行组织观察. 善组织、提高合金性能的工艺方法，.特别是细化 为定量统计试样中的初晶硅平均尺寸，每试样 组织后可明显提高材料的热塑性、耐磨性能和 统计测量初晶硅相100个以上，由尺寸分布曲 拉伸强度41，因此对细化方法的一些基本规律 线求出硅相尺寸的数学平均值 的研究非常重要.本实验研究了雾化沉积过程 沉积坯选用450℃保温1h后挤压，挤压比 中的气/液比和沉积坯件热挤压时的工艺参数 分别为：10：1,14：1,28：1.挤压实验在北京有 对雾化沉积过共晶A-Si合金中初晶硅相的影 色金属研究总院T800型挤压机上进行.对原始 响 坯件及挤压后的坯件分别取样进行金相研磨、 抛光、侵蚀后，在NEOPHOT-2型金相显微镜下 1实验方法 进行组织观察，照相 实验采用喷射沉积制备的过共晶AS合 2实验结果和分析 金棒坯，化学成分为（质量分数%）：Si一 19.0-21.0,Fe-2.0-5.0,Ni-1.0-3.0.Cu- 图1给出了初晶硅相尺寸随热挤压前的预 0.5-1.5,Mg0.5-1.5,其余为Al.雾化沉积实验 热保温温度的变化关系，从图可见，在温度小于 在北京有色金属研究总院自行研制的SF-200雾 400℃时初晶硅长大的速度较小，加热1h后，其 化沉积中试装置上进行.雾化气体为N;雾化 平均尺寸在3.7um以下：400-500℃时长大速度 温度为800℃：选用自行研制的非限制式雾化 明显增加：500℃以后其增速又减小. 喷嘴：雾化过程中的气体流量为45gs,中间包 在凝固的过程中初晶硅是最初从液态中析 内液面高度恒定为(200±10)mm:雾化沉积距离 出的相，以小刻面的方式长大©，形成各种不规 则的多边形，初晶硅的多少和合金中的S的含 1999-05-21收稿谢长安男，25岁.硕上生 *国家“863"高科技项目(N0.715-009-0031) 量成一定比例，其大小、形状和分布决定于冷却
第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 气 液 比和 挤压 比对 过 共 晶 铝一硅合 金初 晶 硅 相 的影 响 谢长安 ” 尚成 嘉 ” 贺信 莱 ” 熊柏 青 ， 石 力 开 ， 北京 科技大学 材料科学与 工 程 学 院 ， 北 京 北 京 有色 金 属研 究 总 院 ， 北 京 摘 要 研究 了雾化沉积制备过共 晶 一 一 合 金 过程 中 ， 气 液 比对沉积 坯 中初 晶硅 相 尺 寸 的影 响 ， 观察 了 随热挤压 前预 热 温度 的升 高 ， 沉积 坯 中初 晶硅相 的长 大情 况 并通 过 相 同温度 不 同挤 压 比下 挤压 组织 的 比较 ， 讨 论 了热 挤压 时挤压 比对 过 共 晶 一 合金 中初 晶硅 相 细 化 过 程 的影响 ， 提 出细化材料组织 的最 佳工 艺参数 关键词 喷射成 型 过共 晶铝一硅 合 金 初 晶硅 分类号 过共 晶 卜 合金 因 其 低膨 胀 系数和 良好 的耐摩擦性 能在 商业 上 获得 了广 泛 的应 用 ，一 〕 但 采用 传 统 的铸造工 艺 生 产 过 共 晶 合 晶 时 ， 由 于 凝 固速度过慢 引起 合 金 中初 晶硅粗 大 ， 限制 了合 金 性能 的进 一 步提 高 雾化 沉积 工 艺 制 备 的材料 具有 晶粒细 小 ， 组 织 均匀 ， 能够 有效抑制 偏析等传统 用 材料 的特征 ， 是 一 种有效改 善组 织 、 提高合金 性能的工 艺方法 特别是 细化 组 织后 可 明显 提 高材 料 的热 塑 性 、 耐 磨 性 能和 拉 伸强度 〔 一 ， 因此对 细 化 方法 的一 些 基 本规 律 的研 究 非 常重 要 本 实验研 究 了雾 化沉积 过 程 中 的气 液 比和 沉 积 坯 件 热 挤 压 时 的 工 艺 参 数 对 雾 化沉 积 过 共 晶 一 合 金 中初 晶硅 相 的 影 响 实验方 法 实验采用 喷射沉 积 制备 的过 共 晶 一 合 金 棒 坯 ， 化 学 成 分 为 质 量 分 数 一 一 ， 一 一 ， 一 一 ， 一 一 ， 一刃 一 ， 其 余 为 雾 化 沉 积 实验 在 北京有色 金 属研 究 总 院 自行研 制 的 一 雾 化 沉积 中试 装置 上 进行 雾化 气 体 为 雾 化 温度 为 ℃ 选用 自行 研 制 的 非 限 制 式 雾 化 喷 嘴 雾 化 过 程 中的气 体流 量 为 留 ， 中 间包 内液面 高度恒 定 为 士 雾化 沉 积 距 离 一 一 收稿 谢长 安 男 ， 岁 ， 硕 土生 国 家 ’ ” 高科 技 项 目 一 一 为 通 过选 用 不 同 的导 流 管 和 击 调 整 雾 化沉积 过 程 中 的气 液 比 ， 获 得 不 同 的沉积 坯 件 对 沉 积 坯 件 取 样 进 行 热 挤 压 前 的 保 温 处 理 ， 保 温 时 间 均 为 ， 温 度 分 别 为 ， ， ， 和 ℃ 保温 后 试 样 进 行 标 准 的金 相 研 磨 、 抛光 、 侵蚀 ， 并在 倍下 进行 组 织观 察 为 定量 统计 试 样 中的初 晶 硅 平 均 尺 寸 ， 每试 样 统 计 测 量 初 晶硅 相 个 以上 ， 由尺 寸 分 布 曲 线求 出硅 相 尺 寸 的数 学平 均 值 沉 积 坯 选 用 ℃ 保温 后 挤 压 ， 挤 压 比 分 别 为 ， ， 挤 压 实验 在 北 京有 色 金 属 研 究总 院 型 挤 压 机上进 行 对 原 始 坯 件 及 挤 压 后 的坯 件 分 别 取 样 进 行 金 相 研 磨 、 抛 光 、 侵蚀后 ， 在 一 型 金 相 显 微 镜下 进 行 组 织观 察 ， 照 相 实验 结 果 和 分 析 图 给 出 了初 晶硅 相 尺 寸 随热 挤压 前 的预 热 保 温温 度 的变 化 关 系 从 图 可 见 ， 在温 度小 于 ℃ 时 初 晶 硅长 大 的 速 度 较 小 ， 加 热 后 ，其 平 均 尺 寸在 林 以下 一 ℃ 时长 大速 度 明 显 增 加 ℃ 以后 其 增 速 又 减 小 在凝 固 的过 程 中初 晶硅 是 最 初从液态 中析 出 的相 ， 以小 刻面 的方 式长 大 ‘ ， 形 成 各 种 不 规 则 的 多 边 形 ， 初 晶 硅 的 多 少 和 合 金 中 的 的含 量 成 一 定 比例 ， 其大 小 、 形 状 和 分布 决定于 冷 却 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1999．05．041
·466· 北京科技大学学报 1999年第5期 12 lo 8 6 常 4 2 300 350400450500 1℃ 图1初晶硅尺寸与热挤压预热温度的关系 254m 速率和细化技术，在挤压前的预热保温处理过 程中，随着温度的提高和保温时间的延长，初晶 非相发生明显的长大.般认为，Si相的长大是 通过体扩散的方试进行的.长大速可用卜式 表示： u=K:exp(-O/Kn).exp(/K). 其中：K为常数：Q为扩散激活能：△为娃相与 母相吉布氏白由能差值（为负值并随温度增加 而减小)：K为波耳兹滋曼常数：T为热力学温度. 由上式可见，由于△天为负值，因此 25m exp(-Q/T门项和exp(-△fKT)项随温度的变化相 图2沉积还件的金相组织.(o)产mm:(b)=3.5mm 反，温度较低时©xp(-Q/T项值较小，因此，4值 不大.由于通常打扩散激活能Q值明显大小两相 在450℃保温1h后，可顺利地进行10：1至28：1 问自由能差△值，因此当温度开始升高时.扩 挤压比范围内的热挤压，但在该区域初晶硅长 散项很快增加，μ值上升：仙当温度进~步升高 大速度较快：当温度过高时，粗大的初晶硅在挤 时，两相自由能差值△|木身减小，因此 压的过程中碎裂，容易在挤压后的材料中残留 exp(△人KT)相的影响逐步增加，造成~定温度 有大量的裂纹，使材料的力学性能等明显降低 以上，4的增加速度减小.Si相尺寸一温度关系 因此合适的挤压温度应选在450470℃范围内. 曲线斜率减小.yh-Hemng Shih等人的研究发 图3给出了-3.8mm时制备的沉积坯件经 现，初晶硅的长大速度与时间'有关系，也认为 不同挤压比热挤压得到的金相组织.从图中可 初晶硅的长大是通过体扩散进行的 见，在a-A基体上有大量不规则形状的初品硅 图2(a)和(b)分别显小示了雾化沉积工艺过程 相，由于初晶硅相比基体硬得多，而金相磨面上 中导流管直径分别为d3.8mm和d=3.5mm时所 初晶硅相凸出表面的程度不同，因此在金相照 片中初晶硅相深浅程度不问.对初晶硅尺寸统 得到的沉积坏件的金相组织，由于雾化沉积工 艺实验中，雾化气体流量恒定不变，因此当导流 计表明，随着挤压比从10：1增加到28：1后， 管直径较小时，对应者较人的气/液比，而当导 初品硅相平均尺寸变小，这上要是挤压流变的 流管直径较大时，对应着较小的气液比.对图 过程中当挤压比增大时粗大的初帕硅相会更加 2(a),(b)进行比较可以看出，当雾化中的气/液比 容易被挤碎成细小的颗粒.从图中还可看到，当 增大时，沉积坏件中的初品吐从5-10m减小 挤压比为10：1时，只有少量的初晶硅开裂，挤 压后组织中残留裂纹少：但挤压比升到14：1 到2~4m,这上要是由丁气/液比的增加.雾化 液滴在飞向基体和在基体上凝固的过程中冷却 时，粗大的初晶硅基本被挤碎，在被挤碎的初品 速度加快，有效地抑制了初品硅的长人， 硅颗粒之间和初晶硅颗粒与基体之间残留有大 量裂纹，在拉伸实验中试样的开裂首先从这些 挤上实验发现：430℃的温度下保温1h后， 所有沉积坯料在T800型挤压机的最大压力下 地方产生：当挤压比升至28：1时，被挤碎的裂 (?!MPa.即使挤压比10：1时挤压仍难以进行： 纹在大的压力比的情况下被a-A1填充或重新闭 合，裂纹数量明显减少
VoL21 No.s 谢长安等，气/液比和挤压比对过共品铝-硅合金韧品硅相的影响 ·467· 10:1的挤压比热挤压后得到材料的金相组织 可见，由于原始沉积坯基本上不含有5μm以上 的粗大初晶硅颗粒，挤压后试样中不存在因粗 大初晶硅被挤碎所产生的裂纹，比较图4和图 3(c)可以看出，图4的初晶硅平均尺寸更小，说 明增加雾化沉积过程中的气/液比和加大挤压 比均可细化初晶硅相，但气/液比的作用要大于 热挤压过程中的挤压比， 25m 3结论 (1)喷射沉积A1-20Si-X合金热机压前预热 保温时会发生初晶硅粗化现象.在400-500℃ 时粗化速度明显加大，综合考虑T800型挤压机 的能力和细化因素，挤压温度在450470℃之 间比较理想 (2)喷射沉积过程中气/液比对初晶硅大小 有直接影响，当气/液比较大时，初晶硅明显细 化。 (3)采用大挤压比的热机压工艺可在一定程 度上破碎初晶硅，但对初晶硅尺寸的影响小于 气/液比的影响. (4)不同挤压比结果表明，14：1最差，28：1最 理想， 参考文献 1 Duszezyk J.Korevaar B M.Microstructual Features and Final Mechinical Properties of the Iron-modified Al-20Si-3Cu-IMg Alloy Product Processed from Atomi- zed Powder.J Mater Sci,1991,26:3041 25m Yilmaz F,Elliot R.The Microstructure and Mechanical Properties of Unidiectionally Solidified Al-Si Alloys.Ma- 图33.8mm时不同挤压比后材料的金相组织 ter Sci,,1989,24:2065 (o10:1:b)14:;()28:1 3 Shih Jyh-Herng,Wu Juiyu,Lavemia J.Coarsing Behavior of Primary Si in Melt-spun Al-22 wt%Si.S.ipta Metallur- 图4给出了止3.5mm时制备的沉积坯件经 gia et Materialia,1993.29:31. 4 Than Trong Long.Takanobu Nishimura,Tatsuyoshi Aisaka,et al.Wear Resistance of Al-Si Alloys and Alu- minium Matrix Composities.Materials Transactions,JIM, 199L,32(2>18 5 Torabian H,Patak J P,Tiwari S N.Effect of Hardness on Wear Rates of Al-Si Alloys.Joumal of Materials Science Letters.1995,14:1631 6 Mahanti RK.Lai Kishori ,Shiha AN.et al.A Noval Tech- nique for Hyper Eutectic Aluminium-silicon Slloy Melt Treatment.Materials Transactions,JIM.1993.34(12): 1207 1余宗森，田中卓，金属物理.北京：冶金工业出版社， 图4一3.5mm时，经10：1挤压比后材料的金相组织 1982 下转471页)
Vol.21 No.5 苏岚等：热卷箱式炉内板坯温度场模拟 471· (2)通过与实际生产数据相比较，证实了计 限元分析软件ANSYS上进行二次开发的思路， 算模型的实用性 不仅节约了开发时间，而且提高了可靠性. (3)应用本模型，可进行离线仿真计算，分 参考文献 析各种工艺条件对板坯温度场的影响，如可分 1霍夫根H.热轧板带生产数学模型的概况.见：板带 析炉气温度、保温时间对减少板坯头尾温差的 轧制科学与技术一第四届国际轧钢会议论文选 影响， 集.北京：冶金工业出版社，1990.183 (4)在编制有限元软件时，采用了在通用有 2田乃媛.薄板坯连铸及热装直接轧制.北京：冶金工 业出版社，1993 Simulation of Temperature Field of Coiler Furnace Su Lan,Wang Xianjin.Tang Di Material Science and Engineering Schlool.UST Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT A finite element numerical model has been developed to describe the temperature distribution of slab in coiler furnace.The results of numerical simulation using ANSYS software agree with the practice. It is helpful for drawing reasonable procedure of the process. KEY WORDS thin slab continuous casting direct Rolling;coiler furnace;temperature field;FEM Simulation 米米米米米米米米米米米米米米米米※米米米来※来张来米米米米米米米米米米米米米米米※米 (上接467页) Influence of Heat Extrusion Process on Primary Si Phrase in Hypereutectic Al-Si Alloy Xie Changan,Shang Chengjia".He Xinlai,Xiong Baiqing Shi Likai 1)Material Science and Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China 2)Beijing General Research Institute for Nonferrons Metals,Beijing 100088,China ABSTRACT The influence of preheat temperature to the size of primary Si phrase of hypereutectic Al-Si- X alloy produced by Spray-forming is concerned,the materials'microstructure which extruded under the same temperature but different extrusion ratio are compared.The various effect of atomizing gas to melting metal and extrusion ratio to the primary Si phrase are discussed and the possible reasons which might cause microcracks are analyzed. KEY WORDS spray-forming;hypereutectic Al-Si alloy;primary Si phrase
苏 岚等 热 卷箱 式炉 内板坯温度 场 模拟 通过与 实际 生 产 数据 相 比较 ， 证 实 了计 算模型 的实用 性 应用 本模型 ， 可 进行 离线仿 真计 算 ， 分 析各种 工 艺 条 件对 板坯温度 场 的影 响 如 可 分 析炉气温度 、 保温 时间对 减少板坯 头 尾温 差 的 影 响 在编制有 限元 软件 时 ， 采用 了在 通用 有 限元 分 析 软件 上 进 行 二 次 开 发 的思 路 ， 不 仅 节 约 了 开 发 时 间 ， 而 且 提 高 了 可靠 性 参 考 文 献 霍 夫根 热 轧 板 带 生 产 数 学 模 型 的概 况 见 板 带 轧 制 科 学 与 技 术－ 第 四 届 国 际 轧 钢 会 议 论 文 选 集 北 京 冶金 工 业 出版 社 ， 田 乃 媛 薄板坯连铸及 热 装 直 接轧 制 北 京 冶 金工 业 出版社 ， ， 肠 ’ ， ， ， 助 上接 页 一 刀 口 ” ， 叨 ‘气 拢 ，， ，’， 馆 心 ，， ，‘ ， ， ， ， ， 一 一 ， ， 一 一