D0I:10.13374才.i8sn10016653.1998.03.033 第20卷第3期 北京科技大学学报 Vol.20 No.3 1998年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.1998 ASi,Mg枝晶合金半固态加热时的组织演变* 毛卫民钟雪友王华宇 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要利用电阻炉研究了A1Si,Mg枝晶合金半固态加热时的组织演变.研究表明：在(589~ 597±1)℃下，保温5~120min,初生a枝晶难以完全转化为球状的a相；在较高的半固态加热温 度下，若保温时间过长，试样会存在不同程度的变形. 关键词AISi7Mg;重熔；枝晶 分类号TG292 在有色金属的非枝晶半固态成形中，主要成形工艺为：流变成形(Rheoforming)和触变成 形(Thixoforming),尤其后者在目前的条件下占有主导地位，在触变成形中需要提供合格的 坯料，即在制备坯料的凝固过程中进行激烈搅拌，破碎了粗大的树枝晶，得到非枝晶组织的坯 料.目前能够商业化地提供所需坯料的制备工艺为：电磁搅拌(MHD)工艺、形变激活(SMA) 工艺】，由于制造金属非枝晶半固态成形所需坯料的方法受到专利技术的限制，造成所需坯 料的昂贵和短缺，所以目前仍在探索其他的制备方法，如紊流效应法、超声振动法、晶粒细化 与重熔法等~4.对于晶粒细化与重熔法，在一些合金中已有较大进展，如有的学者在乙A12 合金中加入少量Zr,将该合金在400℃下保温5~10min,即可获得非枝晶组织的半固态材 料，这为制备非枝晶半固态材料提供了新的途径 1试验方法 1.1试验材料 试验选用AISi,Mg合金（质量分数为 Si7%,Mg0.45%,其余为A),这是因为 该合金是目前用于半固态成形较为成熟 的一种合金 以下述凝固条件制备原始枝晶 AISi7Mg材料：试样尺寸中70mm×130 mm;石墨铸型预热400℃；合金浇注温度 740℃；当试样凝固1.5min时，用水 (20℃)激冷铸型.图1为试样重熔前的凝 1200μm 固组织：白色的初生α相呈发达的树枝 晶，二次枝晶臂间距较大；黑色区域为快 图1 AISi-Mg试样半固态重熔前的组织 1997-10-15收稿毛卫民男，39岁，副教授 *国家“863”基金资助项目
DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1998．03．033
Vol.20 No.3 毛卫民等：ASi,Mg枝晶合金半固态加热时的组织演变 ·259· 速凝固的共晶体，共晶硅呈细小针状. 1.2半固态加热工艺 加热设备采用管式电阻炉.为了控温精确，实行电炉控温和试样测温相结合的办法，即以 试样表面温度为准，控温精度为±1℃，保温时间以试样表面达到预定温度的时刻算起，试样 保温到预定时刻时，立即水淬试样，试样保温温度选择为：(597±1)℃，对应的固相率约为 30%;(589±1)℃，对应的固相率约为40%.试样保温时间为5~120min.加热小试样的尺寸 为φ10mm×15mm. 1.3组织观察 将淬火试样进行粗磨、细磨和抛光，用0.5%HF水溶液浸蚀试样，在光学显微镜下观察试 样的组织 2试验结果与讨论 2.1在589℃下等温加热时的组织演变 图2为试样在(589±1)℃下保温不同时间的组织演变结果.由图看出：在保温10min 时，初生α枝晶间的共晶体首先开始熔化，但共晶硅并非全部转变为液相，只有其中一部分共 晶硅先发生粒状化（图2b中箭头所指处），分布在液相中，随着时间的延长，这些粒状化的共 200μm 50u1 2001μm 200μm 200m 200μm 图2AISi,Mg枝晶合金半固态组织演变过程 保温温度为(589±1)℃；保温时间/min:a10;b10;c30;d60:e90:f120
·260· 北京科技大学学报 1998年第3期 晶硅才逐步与α相反应形成新的液相；在共晶体熔化和部分共晶硅粒状化的同时，初生α枝晶 发生较大的变化，许多细小的二次枝晶臂发生局部粘合，在粘合的枝晶臂之间易于出现一些 液相小岛，如图2a,b所示；继续保温至30mi,粒状化的共晶硅已经全部转化为液相，至此液 相量已相对稳定；在相互粘合的α二次枝晶臂中，许多发生合并粗化；在保温中，有的二次臂 根部发生熔断，或接近熔断，如图2c所示；继续保温至60min,初生α枝晶的二次臂已明显粗 化，但粗化后的二次枝晶臂仍排列有序，呈长条状，说明其球化比较困难，见图2d:继续保温 至90~120mi,较短的α相二次枝晶臂已经球团化，但较长的二次枝晶臂仍然维持原有形状 不变，与其相比较，枝晶的一次主干熔断也很困难，只有局部发生熔断；从加热情况看，初生α 枝晶的二次臂继续粗化的速度较慢，见图2，f.初生α枝晶的尺寸和形态的变化规律与其半 固态下保温有关.由于有部分液相存在，在界面曲率和界面能的作用下，小的α相晶粒会逐渐 熔化，大的α相晶粒不断长大，而且变得更加圆整，结果使得整个系统的固液界面缩小，并降 低系统能量.但α相长大和圆整化的过程需要AI,Si等原子的长距离扩散，在半固态保温下可 以认为不存在液相对流，所以原子的扩散是一个缓慢的过程，α枝晶的球化和长大的速度就 会很慢、即在589℃和I20min的试验条件下，仅依靠在半固态区域保温，A1Si,Mg的初生a枝 晶组织很难完全转变为球团状的组织 2.2在597℃下等温加热时的组织演变 图3为试样在(597±1)℃下保温不同时间的组织演变结果.从图3可以看出：随着温度 的提高，试样的半固态重熔速度明显加快，如在10m内，共晶体已经全部熔化，液相均匀分 布在初生α枝晶之间；在共晶体重熔的同时，α枝晶发生粗化，部分α枝晶的二次枝晶臂已经从 根部熔断.继续保温至30~60mi,观察熔断的二次枝品臂的形态变化，发现短小的二次臂已 200um 200μm 200#m 200μnm 图3凝固AISi,Mg枝晶合金半固态组织演变过程 保温温度为(579±1)℃，保温时间min:a10:b30;c90;d120
Vl.20.3 C卫比等：ASi,Mg枝品合金半固态如热时的组织演变 ·261· 纶球闭化，较长的二次臂更易于发生粗化而非球团化；另外，仍然有部分二次枝晶臂尚未从主： 干罐断，至于正十的熔断球化就更困难ˇ，见图3h.c,即使保温至120n,组织中仍然存在 未熔断的主干.而较长的二次枝品臀虽然从主十上熔断，但它们很难球化，如川图3d所示.出上 述观察.可以认为.在597C和120min的试验条件下，仅依靠在半曲态区域保温，ASi,Mg试 样的初生：枝晶组织也难以完全转变为球状组织.需要进一步细化《枝晶，才有可能采用半固 态重熔方法制备球状初品的AS.Mg材料 2.3半固态加热时试样的变形状况 试样在加热过程中，出丁存在一定量的液相.在自重的作用下，试样应该发生缓慢变 形.在本武验中.试样不同程度地存在变形现象：在(589±1)C下，当保温时间3)m时. 试样不发生变形.但当保温时间≥60nin时，试样存在一定的变形量；在(597±)℃下.当 保温时间∈5n.时，试样不发牛变形，但当保温时间≥10mn时.试样开始变形.且当保 温时间≥12)mi时.试样变形较大.因此，利用两相区加热方法制备半固态合金材料时，材 料的变形必须加以克服. 3结论 (1)在59C和57C下，加热保温I20min,AlSi.Mg的初生z枝晶组织准以完全转化为 球状组织. (2)枝品ASM但试样在较高温度的半固态区域长时间保温时会发生变形， 参考文献 Young K P.Kyonka C'P.Fine Grained Metl Composition.US Patent.4415374.1983-11-15 2 Flemings M C.Behaviour of Metal Alloys in the Semi-Solid State.Metall Trans.1991.22A:975 3 Gabathuler J P.Buxmann K.Process for Producing a Liquid-Solid Metal Alloy Phase for Further Processing as Material in the Thixotropc State.LS Patent.5186236.1993-02-16 未吗芳.苏华软.半固态等温处理制备粒状组织Z412合金的研究.铸造，196：1 Microstructral Evolution of the Dendritic AlSi7Mg Alloy during Semi-solid Remelting Muo Weimin Zhong Xueyou Wang lhti Matenal Science and Engineering School UST Beijing.Beinng 100083,China ABSTRACT The microstructural evolution during partial remelting of dendritic AlSi.Mg alloys was studied with the help of an electrical furnace.The results show that it is diffi- cult to change all the primary d dendrites into the spheroidal a phases.when the dendritic samples of AlSi_Mg alloy are remelted under 589 or (597+1)C and held on this condition for 5 to 120 min.The results also show that the samples remelted can be deformed under the heavy force.if the holding time is longer under higher temperature. KEY WORDS AISi.Mg:remelting:dendrit