D0I:10.13374/i.issm1001-053x.2001.01.037 第23卷第1期 北京科技大学学报 Vol.23 No.1 2001年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2001 浇注温度对AISiMg合金显微组织的影响 毛卫民杨继莲赵爱民崔成林钟雪友 北京科技大学材料科学与工程学院铸造研究院，北京100083 摘要研究了不同的浇注温度对铸造AS,Mg合金凝固组织的影响.实验表明：当浇注温度 接近液相线温度时，A1Si,Mg合金中的初生a-A1凝固成球状或粒状，晶粒细小，分布均匀；获得 球状或粒状A1Si,Mg合金半固态还料的最佳浇注温度为615℃；在接近液相线温度下浇注，较快 的合金熔体冷却速度、浇注引起的合金熔体流动和大范围的同时凝固促使A1S,Mg合金形成 球状或粒状的初生a-AI组织. 关键词铝合金；半固态；浇注温度；凝固 分类号TG244 70年代初期开发了金属及合金的非枝晶半固 温分别用，，，k表示，测试装置见图1.利用冷却 态成形技术山.由于金属及合金的非枝晶半固态成 曲线测定坯料析出初生a-Al时，，，处的平均 形具有许多优点，所以该技术已经成功地应用到 冷却速度，分别用y,2,和表示. 许多汽车零件的制造当中-.无论从经济角度还 1热电偶 是从过程稳定性角度看，在半固态金属成形中，稳 定地提供半固态金属坯料是最关键的，虽然目前 制备半固态金属坯料的方法有多种，但在商业应 石墨铸型 用半固态金属坯料生产技术中只有电磁搅拌和应 变激活法25，因此研究探讨新的半固态金属坯料 生产方法一直是国内外努力的目标.近年来，一些 温度记录仪 学者通过非搅拌低温浇注直接制备半固态锻造铝 冷却水 合金坯料，引起人们的广泛兴趣.本文研究了不 水套 同的浇注温度对铸造AISi,Mg合金组织的影响， 图1坯料冷却曲线测试装置示意图 以期在非搅拌条件下通过减低浇注温度来获得球 Fig.1 Schematic of measuring the cooling curves of billets 状或粒状的AlSiMg合金半固态坯料. poured in different temperatures 13组织检测 1实验方法 从AISi,Mg合金坯料测温处将坯料截断，此截 1.1实验合金 面作为金相试样磨面.向上或向下取10mm厚的 实验所用的A1SiMg合金的成分为：w=6.9% 圆片，再从这些圆形切片中取出一扇形块（经过圆 ~7.1%,w=0.3%~0.40%,we:<0.20%,wm< 心)作为金相试样，扇形的弧长约25mm.每块坯 0.10%,wz<0.10%.A1SiMg合金的液相线温度约 料的金相试样从下往上编号为1·，2·，3*和4. 为615℃，二元共晶温度约为577℃. 金相试样经过粗磨、细磨、抛光，最后用0.5% 12实验工艺 H亚水溶液进行显微组织浸蚀，利用光学显微镜进 A1SiMg合金经过熔化和精炼，分别按750， 行显微组织检查 650,630,620,615,610℃浇人φ80mm×150mm的石 墨铸型中，石墨铸型放置在水冷套上.浇注时，控 2实验结果及讨论 制浇注高度，即从坩埚口到铸型上沿约40mm同 2.1不同浇注温度下A1Si,Mg合金的组织 时测定10,50,90,130mm高度（从坯料底部往上 A1Si,Mg合金在常规温度700~750℃下浇注， 测量)处坯料的心部凝固冷却曲线，热电偶测量温 其初生a-Al通常为树枝晶，但随着浇注温度的降 收稿日期：200006-12毛为民男，42岁，数授 低，A1Si,Mg合金中初生a-AI的凝固形态逐步发生
第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 拍盖 浇注温度对 合金显微组织的影响 毛卫 民 杨继 莲 赵爱民 崔成林 钟雪友 北京科技大学材料科学与工程学院铸造研究院 ， 北京 。 。 摘 要 研究了不同的浇注温度对铸造 ， 合金凝 固组织的影响 实验表明 当浇注温度 接近液相线温度时 ， 合金中的初生仪 凝 固成球状或粒状 ， 晶粒细小 ， 分 布均匀 获得 球状或粒状 合金半固态坯料的最佳浇注温度为 ℃ 在接近液相线温度下浇注 ， 较快 的合金熔体冷却速度 、 浇注 引起 的合金熔体流动和大范围的同时凝固促使 ， 合金形成 球状或粒状的初生 “ 组织 关键词 铝合金 半固态 浇注温度 凝固 分类号 年代初期 开发 了金属 及合金 的非枝晶半 固 态成形技术。 由于金属及合金的非枝晶半 固态成 形具有许多优点 ， 所 以该技术 已 经成功地应用 到 许 多汽 车零件 的制造 当 中‘ 一 无论从经济角度还 是从过程稳定性角度看 ， 在半 固态金属成形 中 ， 稳 定地提供半 固态金属 坯料是最关键的 虽 然 目前 制备半 固态金属 坯料 的方法有 多种 ， 但在商业应 用半 固态金属坯料生产技术 中只有 电磁搅拌和应 变激活 法口 ” ， 因此研究探讨新 的半 固态金属 坯料 生产方法一直是国 内外努力 的 目标 近年来 ， 一些 学者通过非搅拌低温浇注直接制备半 固态锻造铝 合金坯料 ， 引起人们 的广泛兴趣 〔 本文研究 了不 同的浇注温度对铸造 合金组织 的影 响 ， 以期 在非搅拌条件下通过减低浇 注温度来获得球 状或粒状 的 合金半 固态 坯料 温分别用 ， ‘ ， ， 入表示 ， 测试装置见 图 利用冷却 曲线测定坯料析 出初 生 叹气 时 ， 九 ， ， 右处 的平均 冷却速度 ， 分别用 ，， 姚 ，巧 和 巧 表示 热 电偶 石墨铸型 温度记录仪 冷却水 少 水套 实验方法 实验合金 实验所用 的 ， 合金 的成分为 ， 晚 一 ， 、 ， ， 合金 的液相线温度约 为 ℃ ， 二元共晶温度约为 ℃ 实验工艺 ， 合金 经过熔化 和精炼 ， 分别按 ， ， ， ， ， 浇入中 的石 墨铸型 中 ， 石 墨铸型放置在水冷套上 浇 注时 ， 控 制 浇 注高度 ， 即从增涡 口 到铸型上 沿约 同 时测 定 ， ， ， 高度 从坯料底 部往上 测量 处坯料 的心部凝 固冷却 曲线 ， 热 电偶测量温 收稿 日期 戒 毛 为 民 男 ， 岁 ， 教授 图 坯料冷却 曲线测试装 示意圈 魁 组织检测 从 ， 合金坯料测温处将坯料截断 ， 此截 面作为金相 试样磨面 向上 或向下 取 厚 的 圆片 ， 再从这些 圆形切 片 中取 出一扇形块 经过 圆 心 作为金相试样 ， 扇形 的弧长 约 每块坯 料 的金相试样从下往 上 编号 为 ， 即 ， 弃 和 ‘ 金相试样 经过粗磨 、 细磨 、 抛光 ， 最后用 水溶液进行显微组织浸蚀 ， 利 用 光学显微镜进 行显 微组织 检查 实验结果及讨论 不 同浇注温度下 ， 合金的组织 合金 在 常规温度 一 ℃ 下 浇 注 ， 其初 生叹气 通 常 为树枝 晶 ， 但 随着浇 注 温度 的降 低 ， ， 合金 中初生以 的凝 固形态逐步发生 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2001．01．037
VoL23 No.1 毛卫民等：浇注温度对ASi,Mg合金显徽组织的影响 39 显著的变化.图2为各坯料3试样心部的显徽组 织中也出现了更多的球状或粒状初生a-Al,如图 织.当浇注温度为750℃时，A1Si,Mg合金中的初a 2(d所示.当浇注温度为615℃时，ASi,Mg合金中 -A]星现发达的树枝晶形态，枝晶臂很粗大，甚至 的初生a-Al形态发生了进一步的变化，初生a-Al 出现三次臂，组织中只有很少量的球状或粒状初 基本上呈现不规则的球状或粒状，晶粒明显细化， 生a-A1,如图2(a所示，白色区域为初生a-Al,深色 分布也很均匀，与较高浇注温度的试样组织相比， 区城为共晶组织.当浇注温度为650℃时，A1Si,Mg 615℃下浇注试样的组织得到极大改善，如图2（©） 合金中的初生a-Al仍然呈现树枝晶形态，但树枝 所示.当浇注温度为610℃时，AlSiMg合金中的初 晶的一次主干和二次臂却明显变小或变短，几乎 生a-A形态并未得到进一步的改善，组织中反而 没有三次臂存在，组织中出现了较多的球状或粒 出现了一些较粗大的初生a-A1晶粒，但仍比较高 状初生a-4A1,如图2)所示.当浇注温度为630℃ 浇注温度试样的组织形态优良，如图2()所示.总 时，AISi,Mg合金中的初生a-A1已由发达的树枝晶 之，由此图2可发现，当浇注温度逐步降低时，而 形态转变为蔷薇状，组织中出现了更多的球状或 且越接近A1S1,Mg合金的液相线温度，坯料试样心 粒状初生a-A1,如图2(c以.当浇注温度为620℃时， 部的显微组织形态越趋于球状化或粒状化，分布 A1Si,Mg合金中的初生a-A1与630℃下浇注试样的 也越均匀，而最佳浇注温度为615℃ 组织类似，只是蔷薇状初生。-A1又细小了一些，组 图3为630℃下浇注坯料轴向不同位置心部 图2不同浇注湿度下AS,Mg合金试样心部的显微组织.(/℃)：(a)750,b)650,(c630,(d)620,(e)615,0610 Fig.2 Microstructure of AlSiMg alloy sample poured in different temperatures 的显徽组织.从图3(a)看，坯料下部10mm处的心 状组织，存在较大的蔷藏状初生a-A1 部的初生a-A!基本上为细小枝晶和蔷薇状枝晶， 图4为615℃下浇注坯料轴向不同位置心部 二次臂细小.随着取样位置的提高，坯料心部初生 的显微组织.由图4(a)看，坯料下部10mm处的心 a-A1的形态发生了较大的变化，明显的初生a-A 部初生-A!基本上为球状或细小蔷藏状，蔷薇状 枝晶消失了，代之以较大的蔷藏状初生a-A1,其二 初生aA的二次臂细小.随着取样位置的提高，坯 次臂变得较为粗大，粒状的初生a:-A」增多，如图3 料心部初生a-A1的形态发生了更大的变化，明显 b)所示.图3(c)为90mm处试样心部的显徽组织. 的蓝薇状初生a-A1消失了，代之以球状或粒状初 由图中可以看出，初生a-A的形态与图3b)类似， 生a-A1,如图4(6)所示.图4(c)为90mm处试样心 没有明显的进一步变化.图3(@)为130mm处试样 部的显微组织，初生a-A1的形态与图4化b)类似.图 心部的显徽组织，初生：A1的形态反而有进一步 4(d为130mm处试样心部的显微组织，初生a-A] 的恶化，初生-A表现出较明显的枝晶形态.从整 的形态与图4b),(⊙)的类似.从整个组织分布看， 个组织分布看，在630℃下浇注的坯料轴向不同位 在615℃下浇注的坯料轴向不同位置心部的显微 置心部的显微组织不均匀，不是完全的球状或拉 组织很均匀、很细小，组织中的初生a-A1完全为球
◆40· 北京科技大学学报 2001年第1期 200 200u 图3630℃下浇注AS,Mg合金试样心部的显鞭坦织.试样搬取的高度h/mm: (a)10,b)50,(c)0,(d130 Fig.3 Microstructures of AISiMg alloy samples poured in 630C longitudinal position of samples from the blllet bottom 图4615℃下浇注A1S,Mg合金试样心都的显徽组织.试样藏取的高度位置 (hmm(a)10,b50,c90,(d130 Fig.4 Microstructures of AlSi-Mg alloy samples poured in 615C 200 状或粒状， 坯料从接触水套的T点到T,T点，平均冷却速度 2.2不同浇注温度下AS,Mg合金还料各部位的 都在下降，T点的平均冷却速度有时下降，有时上 平均冷却速度 升：从750到610℃，随着浇注温度的下降，坯料平 在制备不同浇注温度下AIS,Mg合金坯料的 均冷却速度的总趋势在升高， 同时，测定了坯料各处心部析出初生-A1时的平 23浇注温度对A1S,Mg合金还料组织的影响 均冷却速度，如表1所示.从表1可以看出：每个 从图2看，在较高的浇注温度下，AlSiMg合金 褒1不同浇注温度析出-山时的平均冷却速度 组织中的韧初生c-A1倾向于以树枝晶形态出现，尤 Table 1 The average cooling rates when separating pri- 其在750℃下浇注的坯料，初生G-A1为发达的树枝 mary a-Alphases in the center in every height of the billets 晶.再从表1各坯料的平均冷却速度看，750℃浇注 poured in different temperature 坯料的冷却速度较小，这就意味着：在750℃下浇 fn/c wC.minCminwC.min-wC.min 注，合金熔体可将较多的物理热传给铸型，铸型被 750 33.1 25.7 21.1 25.0 加热到较高的温度，藏慢了合金凝固时的平均冷 650 36.0 29.9 28.1 27.8 却速度，坯料凝固的时间加长，初生a-A1的长大时 630 40.1 32.1 27.1 29.3 间增长，所以该浇注温度下坯料中的初生a-A呈 620 42.0 333 28.1 30.5 现粗大的树枝晶是正常的 615 402 34.3 29.5 30.8 随着浇注温度的降低，AISi,Mg合金培体传给 610 43.4 36.8 30.5 29.5 ,型的物理热不断减少，在合金凝固前，铸型只能
Vol.23 No.1 毛卫民等：浇注温度对AlSi;Mg合金显微组织的影响 ·41 被加热到较低的温度，因此AISi,Mg合金在凝固时 合金中的初生a-AI呈现球状或粒状，获得球状或 的冷却速度较高，这与表1的结果相吻合.A1SiMg 粒状A1Si,Mg合金半固态坯料的最佳浇注温度为 合金凝固时的冷却速度较高，初生α-Al长大的时 615℃. 间缩短，形不成发达的树枝晶，且总是析出细小的 (2)在接近液相线温度下浇注，较快的平均冷 蔷薇状初生a-A1等轴枝晶.但是，平均冷却速度 却速度、浇注引起的合金熔体流动和大范围的同 较高并不是AlSiMg合金形成球状或粒状初生a- 时凝固促使A1Si,Mg合金形成球状或粒状的初生 A1的惟-一原因.因为在630℃或630℃以下浇注的 a-A1组织. 坯料的冷却速度相差不大，仅此一点不可能引起 参考文献 AISi,Mg合金组织的剧烈变化，肯定与合金的凝固 1 Spencer D B,Mehrabian R,Flemings M C.Rheological 动力学条件有关.A1SiMg合金的平衡液相线温度 Behaviour of Sn-15%Pb in the Crystallization Range. 但：为615℃，在通常凝固下会产生过冷，常常为 Metallurgical Transactions,1972,3A:1925 610℃，那么当A1SiMg合金在615℃下浇注时，只 2 Flemings MC.Rheological Behaviour of Sn-15pct Pb 要合金向铸型传输少量的物理热，合金熔体即处 in the Cystallization Range.Metallurgical Transactions, 于过冷状态，开始析出初生a-Al晶核，而且同时 1991,22A(5):957 析出初生a-A]晶核的区域较宽.此时还处于浇注 3 Young K P,Fitze R.Semi-solid Metal Cast,Alumnium Automotive Components.In:Manabu Kiuchi,ed.The 3rd 过程中，浇注会引起熔体温度的进一步均匀和降 Int Conf of Semi-Solid Processing of Alloys and Com- 低，进一步加大同时凝固的区域；浇注引起的熔体 positions.Tokyo:University of Tokyo,1994.155 流动还会将细小的蔷薇状初生a-A1晶粒带到铸型 4 Midson S P.The Commercial Status of Semi-solid Casting 各处，铸型各处在短时间内均可处于凝固中.由于 in the USA.in:Kirkwood D H,Kapranos P eds.The 4th 浇注温度低，坯料冷却速度快，凝固时间短，凝固 Int Conf on Semi-Solid Processing of Alloys and Com- 范围大，凝固潜热释放必然集中，产生较均匀的温 positions.Sheffield:the Universiy of Sheffield,1996.251 度场，更有力于蔷薇状初生a-A1二次臂根的熔断， 5 Young K P,Kyonka C P,Courtois JA.Fine Grained Metal 从而加速形成球状或粒状的初生a-AL.如果浇注 Composition.US Patent,4 415 374.1983 6 Young K P,Clyne T W.A Powder Mixing and Preheating 温度过低，比如610℃，合金在浇注前就可以析出 Route to Slurry Production for Semi-solid Diecasting. 少量的初生a-Al,这些浇注前析出的初生a-Al在 Powder Metall,1986,29(3):195 浇注后会进一步长大，所以组织出现了一些较粗 7 Shibata R.SSM Activities in Japan.in:Dardano C,Fran- 大的粒状初生a-A1. cisco M,Proud J eds.Proc.of the 5th Int Conf on Semi- Solid Processing of Alloys and Compositions,Golden. 3结论 Colorado:Colorado School of Mines,1998.Ji-lxi 8刘丹，崔建忠，夏可农.液相线铸造铝合金2618显微 (1)当浇注温度接近液相线温度时，A1SiMg 组织.东北大学学报（自然科学版），1999,20(2：173 Effect of Pouring Temperatures on the Microstructures of the Semi-Solid AlSi-Mg Alloy MAO Weimin,YANG Jilian,ZHAO Aimin,CUI Chenglin,ZHONG Xueyou Materials Science and Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT The effect of different pouring temperatures on the microstructures of AlSi,Mg alloy has been researched.When the pouring temperature is close to the liquidus temperature of AlSi7Mg alloy,the primary a-Al in the billets of AlSi7Mg alloy solidifies into spherical or nodular grains which are small and distributed homogeneously.In order to obtain non-dendritic semi-solid billets,the appropriate pouring temperature is 615C.The faster cooling rate,the melt flowing and larger solidification region induced by the near liquidus pouring temperature promotes the formation of spherical or nodular primary a-Al. KEY WORDS aluminum alloy;semi-solid;pouring temperature;solidification
、 】 毛卫民等 浇注温度对 ， 合金显微组织 的影响 被加热到较低 的温度 ， 因此 ， 合金在凝 固时 的冷却速度较高 ， 这与表 的结果相 吻合 撇 合金凝 固时 的冷却速度较高 ， 初生 一 长大 的时 间缩短 ， 形不成发达 的树枝晶 ， 且总是析 出细小的 蔷薇状初生众气 等轴枝 晶 但是 ， 平均冷却速度 较高并不是 撇 合金形 成球状或粒状初 生 的惟一原 因 因为在 ℃ 或 ℃ 以下浇注 的 坯料 的冷却速度相 差不大 ， 仅此一 点不可 能引起 合金组织 的剧烈 变化 ， 肯定与合金 的凝 固 动力学条件有关 撇 合金 的平衡液相线温度 但瓦为 巧 ℃ ， 在通 常凝固下会产生 过冷 ， 丸常常为 ℃ ， 那 么 当 合金在 ℃ 下 浇注 时 ， 只 要合金 向铸型传输少量 的 物理热 ， 合金熔体 即处 于过冷状态 ， 开始 析 出初生仪， 晶核 ， 而且 同时 析 出初生 口， 晶核 的 区 域较宽 此 时还处于浇注 过程 中 ， 浇注会引起熔体温度 的进一 步均匀 和 降 低 ， 进一 步加大同时凝 固的区域 浇注 引起的熔体 流动还会将 细小的蔷薇状初生口‘ 晶粒带到铸型 各处 ， 铸型各处在短时 间内均可处于凝 固 中 由于 浇 注 温度 低 ， 坯料冷却速度快 ， 凝 固时间短 ， 凝 固 范 围大 ， 凝 固潜热释放必然集 中 ， 产生较均匀 的温 度场 ， 更有力于蔷薇状初生口， 二次臂根 的熔断 ， 从而加速形成球状或粒状 的初 生以气 如果浇 注 温度过低 ， 比如 ℃ ， 合金在 浇注前就可 以析 出 少量 的初 生叹‘ ， 这些浇 注前析 出的初 生口 在 浇注后会进一 步长 大 ， 所 以组织 出现 了一些较粗 大 的粒状初生口气 结论 当浇注温度接近 液相线温度时 ， 合金 中的初 生口气 呈现球状或粒状 ， 获得球状或 粒状 ， 合金半 固态坯料 的最佳浇 注温度 为 ℃ 在接近液相线温度下浇 注 ， 较快 的平均冷 却速度 、 浇 注 引起 的合金熔体流动 和 大范 围的 同 时凝 固促使 合金形 成球状或粒状 的初 生 “ 一 组织 参 考 文 献 ， ， 力 毗 一 ’ ， ， 一 ， ， ， 一 ， ， 一 介劝。 ， 肠 一 儿 ， 一 ， ， ， 七 舫 呱 ， ， 议 一 ， ， ， ， 巧。 ， ， 一 肠 刘丹 ， 崔建忠 ， 夏可农 液相线铸造铝合金 显微 组织 东北 大学学报 自然科学版 ， ， 一 人工咬口 肠 ， 别 ， 刀丈咬口 ， ， 物即。 ， ， ， 认飞 江 止 ， 娜 口一 一 一 ， 丘迢 ， 吨 勿 侧 众 一