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，第38卷，第2期：257-262,2016年2月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,No.2:257-262,February 2016 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2016.02.015:http://journals.ustb.edu.cn 间接挤压铸造工艺参数对铝合金中Si偏析的影响 郭莉军四，邢书明，鲍培玮，邱常明，刘文鑫 北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京100044 ☒通信作者，E-mail:someboy1981@163.com 摘要研究间接挤压铸造工艺条件下，浇注温度、挤压压力、挤压速度、冷却速度及参数间的交互作用对6066铝合金中Si 元素的偏析影响规律.以凝固后零件热节位置硅的质量分数与合金初始硅的质量分数的差值定量表征偏析程度，采用考虑 一级交互作用的四因素两水平正交设计，研究间接挤压条件下硅的偏析现象.结果发现：浇注温度、挤压压力、挤压速度和冷 却速度对硅偏析都有影响，其中浇注温度是影响最显著的因素.随着浇注温度的升高，铝合金中S偏析程度减小.挤压压力 和挤压速度对硅偏析的影响次之，但两者的影响趋势相反；模具冷却能力的影响程度与挤压压力和挤压速度的交互作用的影 响程度相似，铜模套（高冷速）比钢模套（低冷速）的硅偏析程度要轻.间接挤压铸造条件下，工件热节位置可以出现硅的负 偏析. 关键词铝合金：挤压铸造：偏析：硅：工艺参数 分类号TG146.21:TG249.2 Effect of process parameters on Si segregation in an aluminum alloy during squeeze casting GUO Li-jun,XING Shu-ming,BAO Pei-cei,QIU Chang-ming,LIU Wen-xin School of Mechanical,Electronic and Control Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China Corresponding author,E-mail:someboy1981@163.com ABSTRACT The effects of pouring temperature,squeeze pressure,squeeze speed and cooling type on Si segregation in 6066 alloy were studied in indirect squeeze casting.Taking the difference between the silicon content of the hot spot zone after solidification and the initial silicon content of the alloy as the segregation degree,the Si segregation was analyzed according to orthogonal design which considers two levels,four factors and partial first-elass interactions.The results show that pouring temperature,squeeze pressure, squeeze speed and cooling type all have effect on the Si segregation,but pouring temperature is the most significant factor.With the increase of pouring temperature,the segregation degree of Si decreases.Squeeze pressure and squeeze speed have less influence on the Si segregation than pouring temperature,but their influence trends are opposite.The influence degree of mold cooling is similar to that of the partial first class interaction of squeeze pressure and speed.The Si segregation in a copper sleeve (high cooling speed)is lighter than that in a steel sleeve (low cooling speed).Negative Si segregation was found in the hot spot zone of indirect squeeze cast work- pieces. KEY WORDS aluminum alloys;squeeze casting:segregation;silicon:process parameters 在挤压铸造中，经常会看到零件中发生宏观偏 致.Gallerneault等认为挤压铸造出现正常偏析的主 析司.关于加压铸造条件下零件的成分偏析形成机 要原因是外加压力，挤压铸造中压力使凝固模式由糊 理、影响因素和控制方法的研究很多，但结论却并不一 状凝固变为近平面的逐层凝固.这一观点称为压力主 收稿日期：2015-103 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51275031)：国家高技术研究发展计划资助项目(2014AA041804)

工程科学学报，第 38 卷，第 2 期: 257--262，2016 年 2 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，No． 2: 257--262，February 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． 02． 015; http: / /journals． ustb． edu． cn 间接挤压铸造工艺参数对铝合金中 Si 偏析的影响 郭莉军，邢书明，鲍培玮，邱常明，刘文鑫 北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京 100044  通信作者，E-mail: someboy1981@ 163． com 摘 要 研究间接挤压铸造工艺条件下，浇注温度、挤压压力、挤压速度、冷却速度及参数间的交互作用对 6066 铝合金中 Si 元素的偏析影响规律． 以凝固后零件热节位置硅的质量分数与合金初始硅的质量分数的差值定量表征偏析程度，采用考虑 一级交互作用的四因素两水平正交设计，研究间接挤压条件下硅的偏析现象． 结果发现: 浇注温度、挤压压力、挤压速度和冷 却速度对硅偏析都有影响，其中浇注温度是影响最显著的因素． 随着浇注温度的升高，铝合金中 Si 偏析程度减小． 挤压压力 和挤压速度对硅偏析的影响次之，但两者的影响趋势相反; 模具冷却能力的影响程度与挤压压力和挤压速度的交互作用的影 响程度相似，铜模套( 高冷速) 比钢模套( 低冷速) 的硅偏析程度要轻． 间接挤压铸造条件下，工件热节位置可以出现硅的负 偏析． 关键词 铝合金; 挤压铸造; 偏析; 硅; 工艺参数 分类号 TG146. 21; TG249. 2 Effect of process parameters on Si segregation in an aluminum alloy during squeeze casting GUO Li-jun ，XING Shu-ming，BAO Pei-wei，QIU Chang-ming，LIU Wen-xin School of Mechanical，Electronic and Control Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China  Corresponding author，E-mail: someboy1981@ 163． com ABSTＲACT The effects of pouring temperature，squeeze pressure，squeeze speed and cooling type on Si segregation in 6066 alloy were studied in indirect squeeze casting． Taking the difference between the silicon content of the hot spot zone after solidification and the initial silicon content of the alloy as the segregation degree，the Si segregation was analyzed according to orthogonal design which considers two levels，four factors and partial first-class interactions． The results show that pouring temperature，squeeze pressure， squeeze speed and cooling type all have effect on the Si segregation，but pouring temperature is the most significant factor． With the increase of pouring temperature，the segregation degree of Si decreases． Squeeze pressure and squeeze speed have less influence on the Si segregation than pouring temperature，but their influence trends are opposite． The influence degree of mold cooling is similar to that of the partial first class interaction of squeeze pressure and speed． The Si segregation in a copper sleeve ( high cooling speed) is lighter than that in a steel sleeve ( low cooling speed) ． Negative Si segregation was found in the hot spot zone of indirect squeeze cast work￾pieces． KEY WOＲDS aluminum alloys; squeeze casting; segregation; silicon; process parameters 收稿日期: 2015--11--03 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51275031) ; 国家高技术研究发展计划资助项目( 2014AA041804) 在挤压铸造中，经常会看到零件中发生宏观偏 析［1--5］． 关于加压铸造条件下零件的成分偏析形成机 理、影响因素和控制方法的研究很多，但结论却并不一 致． Gallerneault 等［6］认为挤压铸造出现正常偏析的主 要原因是外加压力，挤压铸造中压力使凝固模式由糊 状凝固变为近平面的逐层凝固． 这一观点称为压力主

·258· 工程科学学报，第38卷，第2期 因论.Hog等切以铝硅合金为例研究直接挤压铸造 160t 工艺参数挤压压力、模具温度、浇注温度等对宏观偏析 的影响规律，进一步发展了压力主因论，并提出三个临 界压力一无收缩缺陷的最小压力(Pc)、产生宏观偏 析的最小压力(Ps)和产生微观偏析的压力(P),只 要挤压压力P满足Pc<P<P(或Ps),就可以获得 轮心 无偏析和无收缩缺陷的完好铸件。压力主因论虽然能 轮 轮辐 在一定程度解释偏析的形成，但是对偏析的程度没有 图1零件图 进行定量研究.Kim等阅通过对比分析加压铸造和常 Fig.I Drawing of the part 规重力铸造的传热差异，将这种宏观偏析的差异归结 质量分数进行测定，每个件取沿圆周均布的三个测试 为传热的差异：加压铸造强化了工件与模具之间的传 点，取样示意图如图3，检测位置如图4.实验所用的 热，工件内具有大的横向温度梯度和窄的固液共存区， 成形设备为200t立式挤压铸造机，最大可以对合金液 从而出现正常偏析.这种观点称为传热主因论.但 产生60MPa的压强；模具预热温度控制在(200± 是，Schwerdifeger和Heilemann将已凝固金属的变形 10)℃范围，保压时间为15s. 与偏析相联系，提出“挤压偏析”的概念：当正在凝固 的合金受到一个变形力作用变形时，枝晶间的液相和 糊状区内的固相就有可能发生相互相对运动，由于他 们的成分不同，从而导致偏析的出现，并以碳钢锭轧制 变形为例进行实验研究，揭示了其形成机理，建立了简 单的数学模型，使“应变诱发论”得到了一定发展.这 一观点称为应变诱发主因论.至今为止，即使是最简 单的挤压铸造条件下，压力、应变和传热，谁是溶质偏 析的主因并没有定论，间接挤压铸造条件下的偏析规 律和特点研究很少，特别是对于各个工艺参数的影响 显著性和参数间的交互作用研究未见报道，很有必要 系统研究挤压铸造条件下工艺因素对溶质偏析的影响 1一上模板：2一上模：3一模腔：4一模套：5一下模：6一压室： 规律.本文以6066铝合金轮形件为研究对象，采用正 7一压头 图2模具原理图 交设计，较系统地研究间接挤压铸造工艺条件对硅偏 Fig.2 Principle diagram of the mold 析的影响规律 1实验材料及方法 表1合金成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of the alloy % 实验选用如图1所示的轮形件为试件，用复合挤 Fe Cu Mn Mg Cr Zn Al 压铸造工艺成形试件（模具如图2)，其轮缘部分视为 0.60.35 0.30.150.90.10.1余量 工件，轮辐部分视为内浇道，轮心部分视为工艺余料和 集渣部分.可见，该轮形试件的成形方式结合了直接 模具原理如图2所示，首先合金液浇入压室6中， 挤压铸造与间接挤压铸造.轮心的部分金属液受到压 然后上下模合模，压头7向上运动，在压头的推力作用 头压力的直接作用，属于直接挤压铸造，而轮缘部分属 下，合金液先接触上模后通过轮辐填充轮缘部分.纯 于间接挤压铸造.合金液通过轮辐部分填充轮缘部 铜的导热率比模具钢的导热速率高许多，所以纯铜的 分，轮缘被充满后，压力通过轮辐传递到轮缘.对于轮 冷却速度比模具钢的要大.实验通过改变模套4材料 缘部分来说，轮辐可以看作是内浇道. 种类实现模具冷却速度的变化 实验采用6066铝合金，其成分见表1.用电阻炉 采用四因素二水平有交互作用的正交设计表 熔炼，用C2C16除气（用量为铝液质量的0.2%）.达 L8(27)进行实验设计，来研究挤压压力、速度、浇注温 到要求的浇注温度后取样进行成分分析，并浇入挤压 度、冷却速度等四个挤压铸造工艺参数及它们之间的 铸造轮形试件模具的压室内，随后迅速以设定的挤压 一级交互作用对硅偏析影响的显著性和影响趋势.挤 速度将铝合金液推入模腔，充满轮缘后按设定压力保 压压力为20MPa和50MPa,挤压速度为35mm·s和 压，凝固成形.完全凝固后，顶出试件，冷却后沿直径 50mm·s,冷却方式为铜模套和模具钢模套，浇注温 方向纵向解剖，对轮缘部分中央位置（热节位置）硅的 度为680℃和730℃.挤压铸造的特点就是合金液在

工程科学学报，第 38 卷，第 2 期 因论． Hong 等［7］以铝硅合金为例研究直接挤压铸造 工艺参数挤压压力、模具温度、浇注温度等对宏观偏析 的影响规律，进一步发展了压力主因论，并提出三个临 界压力———无收缩缺陷的最小压力( PSC ) 、产生宏观偏 析的最小压力( PMS ) 和产生微观偏析的压力( PM ) ，只 要挤压压力 P 满足 PSC ＜ P ＜ PM ( 或 PMS ) ，就可以获得 无偏析和无收缩缺陷的完好铸件． 压力主因论虽然能 在一定程度解释偏析的形成，但是对偏析的程度没有 进行定量研究． Kim 等［8］通过对比分析加压铸造和常 规重力铸造的传热差异，将这种宏观偏析的差异归结 为传热的差异: 加压铸造强化了工件与模具之间的传 热，工件内具有大的横向温度梯度和窄的固液共存区， 从而出现正常偏析． 这种观点称为传热主因论． 但 是，Schwerdtfeger 和 Heilemann［9］将已凝固金属的变形 与偏析相联系，提出“挤压偏析”的概念: 当正在凝固 的合金受到一个变形力作用变形时，枝晶间的液相和 糊状区内的固相就有可能发生相互相对运动，由于他 们的成分不同，从而导致偏析的出现，并以碳钢锭轧制 变形为例进行实验研究，揭示了其形成机理，建立了简 单的数学模型，使“应变诱发论”得到了一定发展． 这 一观点称为应变诱发主因论． 至今为止，即使是最简 单的挤压铸造条件下，压力、应变和传热，谁是溶质偏 析的主因并没有定论，间接挤压铸造条件下的偏析规 律和特点研究很少，特别是对于各个工艺参数的影响 显著性和参数间的交互作用研究未见报道，很有必要 系统研究挤压铸造条件下工艺因素对溶质偏析的影响 规律． 本文以 6066 铝合金轮形件为研究对象，采用正 交设计，较系统地研究间接挤压铸造工艺条件对硅偏 析的影响规律． 1 实验材料及方法 实验选用如图 1 所示的轮形件为试件，用复合挤 压铸造工艺成形试件( 模具如图 2) ，其轮缘部分视为 工件，轮辐部分视为内浇道，轮心部分视为工艺余料和 集渣部分． 可见，该轮形试件的成形方式结合了直接 挤压铸造与间接挤压铸造． 轮心的部分金属液受到压 头压力的直接作用，属于直接挤压铸造，而轮缘部分属 于间接挤压铸造． 合金液通过轮辐部分填充轮缘部 分，轮缘被充满后，压力通过轮辐传递到轮缘． 对于轮 缘部分来说，轮辐可以看作是内浇道． 实验采用 6066 铝合金，其成分见表 1． 用电阻炉 熔炼，用 C2C16 除气( 用量为铝液质量的 0. 2% ) ． 达 到要求的浇注温度后取样进行成分分析，并浇入挤压 铸造轮形试件模具的压室内，随后迅速以设定的挤压 速度将铝合金液推入模腔，充满轮缘后按设定压力保 压，凝固成形． 完全凝固后，顶出试件，冷却后沿直径 方向纵向解剖，对轮缘部分中央位置( 热节位置) 硅的 图 1 零件图 Fig． 1 Drawing of the part 质量分数进行测定，每个件取沿圆周均布的三个测试 点，取样示意图如图 3，检测位置如图 4． 实验所用的 成形设备为 200 t 立式挤压铸造机，最大可以对合金液 产生 60 MPa 的 压 强; 模具预热温度控制在 ( 200 ± 10) ℃范围，保压时间为 15 s． 1—上模板; 2—上 模; 3—模 腔; 4—模 套; 5—下 模; 6—压 室; 7—压头 图 2 模具原理图 Fig． 2 Principle diagram of the mold 表 1 合金成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of the alloy % Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Al 0. 6 0. 35 0. 3 0. 15 0. 9 0. 1 0. 1 余量 模具原理如图 2 所示，首先合金液浇入压室 6 中， 然后上下模合模，压头 7 向上运动，在压头的推力作用 下，合金液先接触上模后通过轮辐填充轮缘部分． 纯 铜的导热率比模具钢的导热速率高许多，所以纯铜的 冷却速度比模具钢的要大． 实验通过改变模套 4 材料 种类实现模具冷却速度的变化． 采用四因素二水平有交互 作 用 的 正 交 设 计 表 L8( 27) 进行实验设计，来研究挤压压力、速度、浇注温 度、冷却速度等四个挤压铸造工艺参数及它们之间的 一级交互作用对硅偏析影响的显著性和影响趋势． 挤 压压力为 20 MPa 和 50 MPa，挤压速度为 35 mm·s － 1和 50 mm·s － 1，冷却方式为铜模套和模具钢模套，浇注温 度为 680 ℃和 730 ℃ ． 挤压铸造的特点就是合金液在 · 852 ·

郭莉军等：间接挤压铸造工艺参数对铝合金中Si偏析的影响 ·259· 压力下充型并凝固，所以考虑交互的因素有挤压压力 0'=0:-00 (1) 与挤压速度的交互作用，计作A×B.挤压压力与冷却 从表3中可看出轮缘热节位置硅存在正偏析或负 速度的交互作用，计作A×C,因素水平表见表2. 偏析.以热节位置Si的质量分数作为实验评判指标， 研究挤压工艺参数对热节位置S质量分数的影响，进 而研究挤压工艺参数对热节位置Si偏析的影响.o为 每个试样三个测点的$ⅰ元素质量分数与初始溶质质 量分数。差值的平均值，其值的正负可以表示零件的 正负偏析 表3Si元素检测结果（质量分数） Table 3 Detection results of Si content % 试样号 01 3 。”偏析类型 0.8130.6470.6470.560-0.195负偏析 图3取样示意图图 2 0.787 0.759 0.8190.847 0.021 正偏析 Fig.3 Schematic illustration of sampling 3 0.7630.9971.0300.985 0.241正偏析 4 0.8770.6580.6700.608 -0.232负偏析 0.8370.5430.5030.565-0.300负偏析 6 0.8910.7640.8450.754-0.103负偏析 7 0.8710.8410.7840.753-0.078负偏析 8 0.8480.6150.5340.557 -0.279负偏析 把表3的数据代入正交表4中，进行重复观测值 的正交表直观分析. 比较表4中各因素的极差H值可见：对零件热节 图4检测位置 位置硅质量分数影响最显著的因素是浇注温度（因素 Fig.4 Position of detection D),既不是挤压压力，也不是挤压速度：挤压压力（因 表2因素水平表 素A)和挤压速度（因素B)有重要影响，但其显著程度 Table 2 Factors and levels 次于浇注温度：冷却速度（因素C)的影响显著性较小， 与挤压速度和压力的交互作用（因素A×B)的影响作 因素 A,挤压 B,挤压速度/C,冷却 D,浇注 水平 压力/MPa (mms-1) 方式 温度/℃ 用相当. 分别以各因素水平为横坐标，硅元素质量分数的 1 20 35 纯铜 680 平均值为纵坐标，可以绘制各因素对硅质量分数的影 50 50 模具钢 730 响趋势图，如图5~图8. 以成形零件三个均匀分布部位Si的质量分数，作 由图5可见，随着浇注温度的升高，热节位置Si 为观测值.实验采用直读式光谱仪来检测不同位置S: 的质量分数在升高并逐渐靠近浇注前的Sⅰ含量，也就 的质量分数.每一次实验浇注前对合金液取样并测定 是S:的偏析程度在降低，甚至由低浇温时负偏析转变 Si的质量分数，作为合金的初始溶质质量分数，计作 为正偏析即零件热节位置Si的质量分数值大于合金 ·零件成形后，在其热节位置测定的Si溶质质量分 浇注前的Si质量分数.由图6可知：在挤压压力为 数，计作0，i=1,2,3. 20MPa和50MPa的作用下，热节位置Si的质量分数均 低于浇注前S质量分数，即出现负偏析：随着挤压压 2实验结果 力的提高，Sǐ质量分数在降低并逐渐偏离浇注前的S 合金在凝固过程中发生的化学成分不均匀现象称 质量分数，即负偏析程度增大 为偏析网.实验以零件的热节位置测定的S:元素质 由图7可知，在挤压速度为35mm·s和50mm· 量分数与浇注前Si元素质量分数的差值ω的正负作 s时，零件热节位置Si出现负偏析.随着挤压速度的 为正负偏析的判断标准，如式(1)，若ω为正则偏析为 提高，零件热节位置Sⅰ的质量分数在增加逐渐接近于 正偏析，若ω为负则偏析为负偏析.ω绝对值的大小 浇注前的S质量分数，负偏析的程度减小.由图8可 表征偏析的程度.实验检测结果如表3. 知，冷却速度对S质量分数的影响不大.在两种冷却

郭莉军等: 间接挤压铸造工艺参数对铝合金中 Si 偏析的影响 压力下充型并凝固，所以考虑交互的因素有挤压压力 与挤压速度的交互作用，计作 A × B． 挤压压力与冷却 速度的交互作用，计作 A × C，因素水平表见表 2． 图 3 取样示意图图 Fig． 3 Schematic illustration of sampling 图 4 检测位置 Fig． 4 Position of detection 表 2 因素水平表 Table 2 Factors and levels 因素 水平 A，挤压 压力/MPa B，挤压速度/ ( mm·s － 1 ) C，冷却 方式 D，浇注 温度/℃ 1 20 35 纯铜 680 2 50 50 模具钢 730 以成形零件三个均匀分布部位 Si 的质量分数，作 为观测值． 实验采用直读式光谱仪来检测不同位置 Si 的质量分数． 每一次实验浇注前对合金液取样并测定 Si 的质量分数，作为合金的初始溶质质量分数，计作 ω0 ． 零件成形后，在其热节位置测定的 Si 溶质质量分 数，计作 ωi，i = 1，2，3． 2 实验结果 合金在凝固过程中发生的化学成分不均匀现象称 为偏析［10］． 实验以零件的热节位置测定的 Si 元素质 量分数与浇注前 Si 元素质量分数的差值 ω'的正负作 为正负偏析的判断标准，如式( 1) ，若 ω'为正则偏析为 正偏析，若 ω'为负则偏析为负偏析． ω'绝对值的大小 表征偏析的程度． 实验检测结果如表 3． ω' = ωi － ω0 ． ( 1) 从表 3 中可看出轮缘热节位置硅存在正偏析或负 偏析． 以热节位置 Si 的质量分数作为实验评判指标， 研究挤压工艺参数对热节位置 Si 质量分数的影响，进 而研究挤压工艺参数对热节位置 Si 偏析的影响． ω'为 每个试样三个测点的 Si 元素质量分数与初始溶质质 量分数 ω0差值的平均值，其值的正负可以表示零件的 正负偏析． 表 3 Si 元素检测结果( 质量分数) Table 3 Detection results of Si content % 试样号 ω0 ω1 ω2 ω3 ω' 偏析类型 1 0. 813 0. 647 0. 647 0. 560 － 0. 195 负偏析 2 0. 787 0. 759 0. 819 0. 847 0. 021 正偏析 3 0. 763 0. 997 1. 030 0. 985 0. 241 正偏析 4 0. 877 0. 658 0. 670 0. 608 － 0. 232 负偏析 5 0. 837 0. 543 0. 503 0. 565 － 0. 300 负偏析 6 0. 891 0. 764 0. 845 0. 754 － 0. 103 负偏析 7 0. 871 0. 841 0. 784 0. 753 － 0. 078 负偏析 8 0. 848 0. 615 0. 534 0. 557 － 0. 279 负偏析 把表 3 的数据代入正交表 4 中，进行重复观测值 的正交表直观分析． 比较表 4 中各因素的极差 Hj值可见: 对零件热节 位置硅质量分数影响最显著的因素是浇注温度( 因素 D) ，既不是挤压压力，也不是挤压速度; 挤压压力( 因 素 A) 和挤压速度( 因素 B) 有重要影响，但其显著程度 次于浇注温度; 冷却速度( 因素 C) 的影响显著性较小， 与挤压速度和压力的交互作用( 因素 A × B) 的影响作 用相当． 分别以各因素水平为横坐标，硅元素质量分数的 平均值为纵坐标，可以绘制各因素对硅质量分数的影 响趋势图，如图 5 ～ 图 8． 由图 5 可见，随着浇注温度的升高，热节位置 Si 的质量分数在升高并逐渐靠近浇注前的 Si 含量，也就 是 Si 的偏析程度在降低，甚至由低浇温时负偏析转变 为正偏析即零件热节位置 Si 的质量分数值大于合金 浇注前的 Si 质量分数． 由图 6 可知: 在挤压压力为 20 MPa和 50 MPa 的作用下，热节位置 Si 的质量分数均 低于浇注前 Si 质量分数，即出现负偏析; 随着挤压压 力的提高，Si 质量分数在降低并逐渐偏离浇注前的 Si 质量分数，即负偏析程度增大． 由图 7 可知，在挤压速度为 35 mm·s － 1 和 50 mm· s － 1时，零件热节位置 Si 出现负偏析． 随着挤压速度的 提高，零件热节位置 Si 的质量分数在增加逐渐接近于 浇注前的 Si 质量分数，负偏析的程度减小． 由图 8 可 知，冷却速度对 Si 质量分数的影响不大． 在两种冷却 · 952 ·

·260· 工程科学学报，第38卷，第2期 表4正交表实验结果分析 Table 4 Analysis of experimental results of the orthogonal table 影响因素 偏析度/% 序号 B AxC ∑a: 0.647 0.647 0.560 1.854 3 3 2 0.759 0.819 0.847 2.452 2 1 2 2 0.997 1.030 0.985 3.012 4 2 3 0.658 0.670 0.608 1.936 5 2 2 2 1 2 0.543 0.503 0.565 1.611 6 2 0.764 0.845 0.754 2.363 7 2 2 2 0.841 0.784 0.753 2.378 3 2 0.615 0.5340.557 1.706 1, 9.254 8.280 8.390 8.855 8.935 7.107 8.531 ) 8.058 9.032 8.922 8.457 8.377 10.205 8.781 与 4 4 4 4 4 4 I,35 0.771 0.690 0.699 0.738 0.745 0.592 0.711 Ⅱ，Bk 0.672 0.753 0.744 0.705 0.698 0.850 0.732 H 1.196 0.752 0.532 0.398 0.558 3.098 0.250 主次顺序 D>A>B>A×C>A×B>C>B×C 最优组合 A1B2C1D2 注：I,一第j列“1”水平所对应的实验指标∑仙，的数值之和，=1,2，，7：Ⅱ，一第j列“2”水平所对应的实验指标∑仙：的数值之和： k一第j列同一水平出现的次数.等于实验次数除以第列的水平数.【，B水一第j列“1“水平所对应的实验指标的平均值：Ⅱ，Bk一第j列 “2”水平所对应的实验指标的平均值：H一第j列的极差，等于第列各水平所对应的实验指标平均值中最大值减去最小值. 速度下，零件热节位置的Si出现负偏析.纯铜模套的 冷却速度大于模具钢模套的冷却速度.所以可得出随 0.79 着冷却速度的降低，热节位置Si的质量分数在减小， 0.77 逐渐偏离浇注前Sⅰ质量分数，零件热节位置$ⅰ负偏析 0.75 增大. 0.73 0.71 0.88 0.69 0.67 芝0.76 0.65 0.70 A2 0.64 挤压压力 0.58 图6挤压压力对S:质量分数的影响 0.52 Fig.6 Effect of squeeze pressure on the Si content 0.46 室内壁会形成一层凝固壳.同时浇注过程中动量引起 0.40 分 D2 浇注温度 压室内合金液的对流，在对流作用下使得凝固排出的 硅在液相中的分布基本均匀.这一阶段硅的排出取决 图5浇注温度对S质量分数的影响 于凝固相的多少.如果压室内的凝固相较多，相应地 Fig.5 Effect of pouring temperature on the Si content 残余液体中硅质量分数就高，相反则反之：不管怎样， 3分析讨论 压室内液相中硅质量分数会高于浇注时的硅质量分 数。第二阶段是加压充填模腔期间。压室内的合金液 3.1间接挤压铸造中硅偏析的形成过程 在压力作用下，液相与固相共同被挤入型腔.液流与 在间接挤压铸造中，溶质原子硅的再分布有三个 模具接触发生凝固，排出S原子.同时，合金液中凝固 阶段.第一阶段是在压室内重力作用下凝固过程发生 晶粒长大也排除Sⅰ原子.这个阶段时间长短取决于挤 的硅的富集.铝合金液浇入压室后，在开始加压前，压 压速度.挤压速度越小，充满模腔的时间就越长，也就

工程科学学报，第 38 卷，第 2 期 表 4 正交表实验结果分析 Table 4 Analysis of experimental results of the orthogonal table 序号 影响因素 偏析度/% A B A × B C A × C D B × C ω1 ω2 ω3 ∑ ωi 1 1 1 1 1 1 1 1 0. 647 0. 647 0. 560 1. 854 2 1 1 1 2 2 2 2 0. 759 0. 819 0. 847 2. 452 3 1 2 2 1 1 2 2 0. 997 1. 030 0. 985 3. 012 4 1 2 2 2 2 1 1 0. 658 0. 670 0. 608 1. 936 5 2 1 2 1 2 1 2 0. 543 0. 503 0. 565 1. 611 6 2 1 2 2 1 2 1 0. 764 0. 845 0. 754 2. 363 7 2 2 1 1 2 2 1 0. 841 0. 784 0. 753 2. 378 8 2 2 1 2 1 1 2 0. 615 0. 534 0. 557 1. 706 Ⅰj 9. 254 8. 280 8. 390 8. 855 8. 935 7. 107 8. 531 Ⅱj 8. 058 9. 032 8. 922 8. 457 8. 377 10. 205 8. 781 kj 4 4 4 4 4 4 4 Ⅰj /3kj 0. 771 0. 690 0. 699 0. 738 0. 745 0. 592 0. 711 Ⅱj /3kj 0. 672 0. 753 0. 744 0. 705 0. 698 0. 850 0. 732 Hj 1. 196 0. 752 0. 532 0. 398 0. 558 3. 098 0. 250 主次顺序 D ＞ A ＞ B ＞ A × C ＞ A × B ＞ C ＞ B × C 最优组合 A1B2C1D2 注: Ⅰj—第 j 列“1”水平所对应的实验指标 ∑ ωi 的数值之和，j = 1，2，…，7; Ⅱj—第 j 列“2”水平所对应的实验指标 ∑ ωi 的数值之和; kj—第 j 列同一水平出现的次数． 等于实验次数除以第 j 列的水平数． Ⅰj /3kj—第 j 列“1”水平所对应的实验指标的平均值; Ⅱj /3kj—第 j 列 “2”水平所对应的实验指标的平均值; Hj—第 j 列的极差，等于第 j 列各水平所对应的实验指标平均值中最大值减去最小值． 速度下，零件热节位置的 Si 出现负偏析． 纯铜模套的 冷却速度大于模具钢模套的冷却速度． 所以可得出随 着冷却速度的降低，热节位置 Si 的质量分数在减小， 逐渐偏离浇注前 Si 质量分数，零件热节位置 Si 负偏析 增大． 图 5 浇注温度对 Si 质量分数的影响 Fig． 5 Effect of pouring temperature on the Si content 3 分析讨论 3. 1 间接挤压铸造中硅偏析的形成过程 在间接挤压铸造中，溶质原子硅的再分布有三个 阶段． 第一阶段是在压室内重力作用下凝固过程发生 的硅的富集． 铝合金液浇入压室后，在开始加压前，压 图 6 挤压压力对 Si 质量分数的影响 Fig． 6 Effect of squeeze pressure on the Si content 室内壁会形成一层凝固壳． 同时浇注过程中动量引起 压室内合金液的对流，在对流作用下使得凝固排出的 硅在液相中的分布基本均匀． 这一阶段硅的排出取决 于凝固相的多少． 如果压室内的凝固相较多，相应地 残余液体中硅质量分数就高，相反则反之; 不管怎样， 压室内液相中硅质量分数会高于浇注时的硅质量分 数． 第二阶段是加压充填模腔期间． 压室内的合金液 在压力作用下，液相与固相共同被挤入型腔． 液流与 模具接触发生凝固，排出 Si 原子． 同时，合金液中凝固 晶粒长大也排除 Si 原子． 这个阶段时间长短取决于挤 压速度． 挤压速度越小，充满模腔的时间就越长，也就 · 062 ·

郭莉军等：间接挤压铸造工艺参数对铝合金中S偏析的影响 261 凝固相发生塑性变形补充 0.80 0.78 0.76 0.74 0.72 100m 0.70 a 0.68 4 B2 挤压速度 图7挤压速度对S质量分数的影响 Fig.7 Effect of squeeze speed on the Si content 0.85 1004m (h) 0.81 图9 不同位置的组织.(a)热节位置的组织：(b)边缘位置的 0.79 组织 0.77 Fig.9 Microstructures of different positions:(a)hot spot zone: 0.75 (b)edge 0.73 0.71 3.2热节位置负偏析的形成机理 0.69 由表3看出，在正交设计的实验结果中，绝大多数 CI C2 冷却方式 实验结果均为负偏析.硅在铝合金中的平衡分配系数 图8冷却方式对Si质量分数的影响 小于1.在重力铸造情况下，随着凝固的进行，高S质 Fig.8 Effect of cooling type on the Si content 量分数的残余液相逐渐集中在最后凝固区域.热节位 置的溶质质量分数是高于先凝固位置的质量分数，即 是充型过程增加的凝固量也越多，进一步使残余液相 出现的是正偏析.但本实验结果是，在热节位置硅的 中硅质量分数提高.第三阶段是保压凝固期间.在合 质量分数低于平均质量分数，即出现负偏析.这一现 金液充满型腔后，合金液在压力作用下发生流变以及 象在前人的研究中均未见到. 凝固.这个阶段工件受到的是三向压应力.但是，伴 间接挤压铸造中的补缩部分，通过浇道对收缩的 随着凝固的进行，工件体积减小，在压力作用下，液相 部分进行补缩。因为内浇道具有较小的横截面积，所 或固液混合物就会向收缩部位流动实现补缩。可见， 以内浇道比热节位置先凝固.在金属液充满型腔后， 正是这种补缩流的方向决定了偏析的类别和程度. 合金中液相比固相有更高的流动速度.首先热节位置 图9(a)中晶粒比图9(b)中晶粒较粗大，而且晶 的含Sⅰ量高的残余液相在压力作用下对先凝固部分 粒没有完整的晶界包围，共晶成分较聚集.图9(b)中 的体收缩进行补缩，降低了热节位置的Si质量分数 晶粒较小，晶粒有完整的晶界包围.在凝固过程中，零 然后在凝固后期，内浇道的凝固相增多，液相逐步减 件热节位置的固相在不断增加，液相在不断减少，枝晶 少，枝晶间的通道逐步封闭，同时合金的收缩集中到了 间的补缩通道是会改变的.首先，零件热节位置的残 零件的热节位置.内浇道中没有含Si量高的残余液相 余液相在压力作用下对零件其余部分的收缩体积进行 向热节位置收缩部分补缩.随着凝固的进一步进行， 补缩然后，在内浇道的枝晶间的通道封闭之后，补缩 在压力的作用下，内饶道中的凝固相包裹着少量的残 通道内的固相和液相混合液对热节位置的收缩体积进 余液相发生塑性变形，对零件的热节部位进行补缩 行补缩。在没有残余液相补缩的情况下，压力作用使 热节位置的凝固晶粒相互挤压发生塑性变形，共晶成 固相发生少量塑性变形，同时热节位置的残余液相被 分被挤压聚集，造成热节位置出现反偏析现象，其过程 挤压聚集.这样使得热节位置的固相晶粒在压力作用 示意图如图10 下相互挤压，部分晶界消失，部分晶粒相互连通.远离 3.3浇注温度主因论 热节位置的部位，随着凝固的进行，含S量高的残余 实验结果可知，零件热节位置的偏析既不支持压 液相在压力作用下对先凝固部分收缩的体积进行补 力主因论，也不支持传热主因论事实上，浇注温度主 缩.由实验可知在硅偏析形成过程的第三阶段中，凝 要影响第一阶段的溶质排出量，同时也影响合金液的 固体积收缩的部分不是完全由残余液相补充，而是由 凝固时间.高的浇注温度下，压室内合金液中的凝固

郭莉军等: 间接挤压铸造工艺参数对铝合金中 Si 偏析的影响 图 7 挤压速度对 Si 质量分数的影响 Fig． 7 Effect of squeeze speed on the Si content 图 8 冷却方式对 Si 质量分数的影响 Fig． 8 Effect of cooling type on the Si content 是充型过程增加的凝固量也越多，进一步使残余液相 中硅质量分数提高． 第三阶段是保压凝固期间． 在合 金液充满型腔后，合金液在压力作用下发生流变以及 凝固． 这个阶段工件受到的是三向压应力． 但是，伴 随着凝固的进行，工件体积减小，在压力作用下，液相 或固液混合物就会向收缩部位流动实现补缩． 可见， 正是这种补缩流的方向决定了偏析的类别和程度． 图 9( a) 中晶粒比图 9( b) 中晶粒较粗大，而且晶 粒没有完整的晶界包围，共晶成分较聚集． 图 9( b) 中 晶粒较小，晶粒有完整的晶界包围． 在凝固过程中，零 件热节位置的固相在不断增加，液相在不断减少，枝晶 间的补缩通道是会改变的． 首先，零件热节位置的残 余液相在压力作用下对零件其余部分的收缩体积进行 补缩． 然后，在内浇道的枝晶间的通道封闭之后，补缩 通道内的固相和液相混合液对热节位置的收缩体积进 行补缩． 在没有残余液相补缩的情况下，压力作用使 固相发生少量塑性变形，同时热节位置的残余液相被 挤压聚集． 这样使得热节位置的固相晶粒在压力作用 下相互挤压，部分晶界消失，部分晶粒相互连通． 远离 热节位置的部位，随着凝固的进行，含 Si 量高的残余 液相在压力作用下对先凝固部分收缩的体积进行补 缩． 由实验可知在硅偏析形成过程的第三阶段中，凝 固体积收缩的部分不是完全由残余液相补充，而是由 凝固相发生塑性变形补充． 图 9 不同位置的组织． ( a) 热节位置的组织; ( b) 边缘位置的 组织 Fig． 9 Microstructures of different positions: ( a) hot spot zone; ( b) edge 3. 2 热节位置负偏析的形成机理 由表 3 看出，在正交设计的实验结果中，绝大多数 实验结果均为负偏析． 硅在铝合金中的平衡分配系数 小于 1． 在重力铸造情况下，随着凝固的进行，高 Si 质 量分数的残余液相逐渐集中在最后凝固区域． 热节位 置的溶质质量分数是高于先凝固位置的质量分数，即 出现的是正偏析． 但本实验结果是，在热节位置硅的 质量分数低于平均质量分数，即出现负偏析． 这一现 象在前人的研究中均未见到． 间接挤压铸造中的补缩部分，通过浇道对收缩的 部分进行补缩． 因为内浇道具有较小的横截面积，所 以内浇道比热节位置先凝固． 在金属液充满型腔后， 合金中液相比固相有更高的流动速度． 首先热节位置 的含 Si 量高的残余液相在压力作用下对先凝固部分 的体收缩进行补缩，降低了热节位置的 Si 质量分数． 然后在凝固后期，内浇道的凝固相增多，液相逐步减 少，枝晶间的通道逐步封闭，同时合金的收缩集中到了 零件的热节位置． 内浇道中没有含 Si 量高的残余液相 向热节位置收缩部分补缩． 随着凝固的进一步进行， 在压力的作用下，内浇道中的凝固相包裹着少量的残 余液相发生塑性变形，对零件的热节部位进行补缩． 热节位置的凝固晶粒相互挤压发生塑性变形，共晶成 分被挤压聚集，造成热节位置出现反偏析现象，其过程 示意图如图 10． 3. 3 浇注温度主因论 实验结果可知，零件热节位置的偏析既不支持压 力主因论，也不支持传热主因论． 事实上，浇注温度主 要影响第一阶段的溶质排出量，同时也影响合金液的 凝固时间． 高的浇注温度下，压室内合金液中的凝固 · 162 ·

·262· 工程科学学报，第38卷，第2期 a (e) 图10偏析形成过程示意图.(a)充型开始：(b)充型：()凝固补缩 Fig.10 Formation process of segregation:(a)beginning filling:(b)filling:(c)solidifying and feeding 相较少，残余液相中S的质量分数相对较低，因此S 增大：提高挤压速度有降低硅偏析程度的作用 的偏析程度较小.低的浇注温度不仅含有较多的凝固 (3)在间接挤压铸造条件下，工件热节位置硅的 相，而且会使内浇道中枝晶间的通道更早的封闭，因而 偏析类形可以是负偏析 造成较多的低含Si固相的流变补缩，Si的偏析程度增 大.挤压压力对Si偏析影响的显著性仅次于浇注温 参考文献 度.随着挤压压力的增大，热节位置内更多含S量高 [1]Gan Y Q,Zhang D T,Zhang WW,et al.Macrosegregation in 的残余液相去补缩先凝固相的体收缩，使得热节位置 squeeze-cast Al5Cu0.4Mn alloy based on Taguchi method.Chin J Nonferrous Met,2012,22(12):3386 的Si质量分数减少.同时随着挤压压力的增大，内 2]Britnell DJ,Neailey K.Macrosegregation in thin walled castings 浇道区域发生塑性补缩的程度增大，被挤进热节位 produced via the direct squeeze casting process.J Mater Process 置的凝固相增大，补缩体积的含S量减少.所以随 Technol,.2003,138(1-3):306 着挤压压力的增大，Si的偏析增大.这与前人的研究 [3]Liu H,Zhao G.Liu C M.Effects of magnesium content on phase 相同，但是偏析的类型不同.本实验中Sⅰ的偏析是 constituents of Al-Mg-Si-Cu alloys.Trans Nonferrous Met Soc 负偏析而前人的研究为正偏析，其原因是由于他们 China,2006,16(2):376 选用了较高的浇注温度.由图5可见，高的浇注温度 [4]Meng F S,Zhang WW,Zhang W,et al.Research of element segregation to large wheel hub hardness and mechanical proper- 可出现正偏析. ties.Adv Mater Res,2013,711:262 挤压速度影响在充型过程中Sⅰ偏析，即第二个阶 [5]Lee J H,Kim HS,Won C W,et al.Effect of the gap distance on 段.液流与模具接触发生凝固，排出硅原子.挤压速 the cooling behavior and the microstructure of indirect squeeze cast 度越小，充满模腔的时间就越长，也就是充型过程增加 and gravity die cast 5083 wrought Al alloy.Mater Sci Eng A, 的凝固量也越多，进一步使残余液相中硅质量分数提 2002,338(1):182 高.所以挤压速度越小，S的偏析程度越大 [6]Gallerneault M,Durrant G,Cantor B.The squeeze casting of hy- 由此可见，间接挤压铸造铝合金S的偏析出现在 poeutectic binary Al-Cu.Metall Mater Trans A,1996,27(12): 4121 整个挤压铸造过程中.各个工艺参数对铝合金Si偏析 ] Hong C P,Lee S M,Shen H.F.Prevention of macrodefects in 的影响规律及影响程度不同.要想取得成分均匀的零 squeeze casting of an Al-7 wt pet Si alloy.Metall Mater Trans B, 件，必须从挤压铸造工艺的每一步去控制Si的偏析. 2000,31(2):297 [8]Kim S W,Durrant G,Lee J H,et al.Microstructure of direct 4结论 squeeze cast and gravity die cast 7050 (Al-6.2Zn-2.3Cu- (1)在间接挤压铸造中，浇注温度是影响零件热 2.3Mg)wrought Al alloy.J Mater Synth Process,1998,6(2): 节位置硅偏析的主要因素：随着浇注温度的降低，铝合 的 金中Si偏析的程度增大.挤压压力、挤压速度和冷却 Schwerdtfeger K,Heilemann J.Squeezing segregation:investiga- tion with laboratory experiments.IS//Int,2006,46(1)70 速度（模具材料）的影响作用都明显小于浇注温度的 [10]Martorano M A,Ferreira Neto J B,OliveiraTS,et al.Macrose- 影响 gregation of impurities in directionally solidified silicon.Metall (2)随着挤压压力的增加，铝合金Si偏析的程度 Mater Trans A,2011,42 (7):1870

工程科学学报，第 38 卷，第 2 期 图 10 偏析形成过程示意图． ( a) 充型开始; ( b) 充型; ( c) 凝固补缩 Fig． 10 Formation process of segregation: ( a) beginning filling; ( b) filling; ( c) solidifying and feeding 相较少，残余液相中 Si 的质量分数相对较低，因此 Si 的偏析程度较小． 低的浇注温度不仅含有较多的凝固 相，而且会使內浇道中枝晶间的通道更早的封闭，因而 造成较多的低含 Si 固相的流变补缩，Si 的偏析程度增 大． 挤压压力对 Si 偏析影响的显著性仅次于浇注温 度． 随着挤压压力的增大，热节位置内更多含 Si 量高 的残余液相去补缩先凝固相的体收缩，使得热节位置 的 Si 质量分数减少． 同时随着挤压压力的增大，内 浇道区域发生塑性补缩的程度增大，被挤进热节位 置的凝固相增大，补缩体积的含 Si 量减少． 所以随 着挤压压力的增大，Si 的偏析增大． 这与前人的研究 相同，但是偏析的类型不同． 本实验中 Si 的偏析是 负偏析而前人的研究为正偏析，其原因是由于他们 选用了较高的浇注温度． 由图 5 可见，高的浇注温度 可出现正偏析． 挤压速度影响在充型过程中 Si 偏析，即第二个阶 段． 液流与模具接触发生凝固，排出硅原子． 挤压速 度越小，充满模腔的时间就越长，也就是充型过程增加 的凝固量也越多，进一步使残余液相中硅质量分数提 高． 所以挤压速度越小，Si 的偏析程度越大． 由此可见，间接挤压铸造铝合金 Si 的偏析出现在 整个挤压铸造过程中． 各个工艺参数对铝合金 Si 偏析 的影响规律及影响程度不同． 要想取得成分均匀的零 件，必须从挤压铸造工艺的每一步去控制 Si 的偏析． 4 结论 ( 1) 在间接挤压铸造中，浇注温度是影响零件热 节位置硅偏析的主要因素; 随着浇注温度的降低，铝合 金中 Si 偏析的程度增大． 挤压压力、挤压速度和冷却 速度( 模具材料) 的影响作用都明显小于浇注温度的 影响． ( 2) 随着挤压压力的增加，铝合金 Si 偏析的程度 增大; 提高挤压速度有降低硅偏析程度的作用． ( 3) 在间接挤压铸造条件下，工件热节位置硅的 偏析类形可以是负偏析． 参 考 文 献 ［1］ 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 ［2］ Britnell D J，Neailey K． Macrosegregation in thin walled castings produced via the direct squeeze casting process． J Mater Process Technol，2003，138( 1 － 3) : 306 ［3］ Liu H，Zhao G，Liu C M． Effects of magnesium content on phase constituents of Al--Mg--Si-Cu alloys． Trans Nonferrous Met Soc China，2006，16( 2) : 376 ［4］ Meng F S，Zhang W W，Zhang W，et al． Ｒesearch of element segregation to large wheel hub hardness and mechanical proper￾ties． Adv Mater Ｒes，2013，711: 262 ［5］ Lee J H，Kim H S，Won C W，et al． Effect of the gap distance on the cooling behavior and the microstructure of indirect squeeze cast and gravity die cast 5083 wrought Al alloy． Mater Sci Eng A， 2002，338( 1) : 182 ［6］ Gallerneault M，Durrant G，Cantor B． The squeeze casting of hy￾poeutectic binary Al--Cu． Metall Mater Trans A，1996，27( 12) : 4121 ［7］ Hong C P，Lee S M，Shen H． F． Prevention of macrodefects in squeeze casting of an Al--7 wt pct Si alloy． Metall Mater Trans B， 2000，31( 2) : 297 ［8］ Kim S W，Durrant G，Lee J H，et al． Microstructure of direct squeeze cast and gravity die cast 7050 ( Al--6. 2Zn--2. 3Cu-- 2. 3Mg) wrought Al alloy． J Mater Synth Process，1998，6( 2) : 75 ［9］ Schwerdtfeger K，Heilemann J． Squeezing segregation: investiga￾tion with laboratory experiments． ISIJ Int，2006，46( 1) : 70 ［10］ Martorano M A，Ferreira Neto J B，Oliveira T S，et al． Macrose￾gregation of impurities in directionally solidified silicon． Metall Mater Trans A，2011，42( 7) : 1870 · 262 ·