固溶處理對快速凝固過共晶鋁硅合金組織性能的影響

1、固溶處理對快速凝固過共晶鋁硅合金組織性能的影響王愛琴1,2謝敬佩1,2王文焱1,2李繼文1,2李洛利1,2(1.河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院;2.河南省有色金屬材料科學(xué)與加工技術(shù)重點實驗室摘要利用單輥旋轉(zhuǎn)甩帶法制備快速凝固鋁硅合金薄帶,并對其進行固溶處理,研究了不同固溶熱處理工藝對合金組織和性能的影響。結(jié)果表明,快速凝固使Si相的形核和析出受到抑制,相領(lǐng)先析出;與鑄態(tài)組織相比,過共晶成分的鋁硅合金經(jīng)快速凝固后得到微納米級亞共晶組織,且在隨后的固溶處理過程中,隨著保溫時間的延長,Si元素從基體中脫溶析出并逐漸聚集長大,形成細(xì)小的Si顆粒均勻分布于基體之上。在480下保溫100min并水淬,經(jīng)自

2、然時效96h后,Si相顆粒細(xì)小且圓整度高,合金硬度(HV達(dá)到最高值241.67。關(guān)鍵詞快速凝固;過共晶鋁硅合金;微觀組織;顯微硬度;固溶處理中圖分類號T G146.2+1;T G113.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼A文章編號1001-2249(200903-0219-03過共晶鋁硅合金被廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、機械等行業(yè)的高精密耐磨件1。Si是該類合金組織中的第二相,其形狀和分布與合金的力學(xué)性能密切相關(guān)?？焖倌炭梢约?xì)化合金組織并能獲得微納米晶組織,高的冷卻速度,使基體及Si相俘獲大量合金元素形成過飽和固溶體,并引起它們晶格發(fā)生嚴(yán)重畸變,使合金系統(tǒng)處于高能不穩(wěn)定狀態(tài),在外場作用下可能發(fā)生過固溶元素的脫溶以

3、及沉淀相析出,使合金的性能發(fā)生變化25。因此,本課題以快速凝固過共晶鋁硅合金為研究對象,對其固溶處理后的組織形態(tài)、性能進行研究,探討熱處理對快速凝固鋁硅合金組織形態(tài)及性能的影響。收稿日期:2008208226;修改稿收到日期:2008210220基金項目:河南省國際科技合作項目(084300510006;河南科技大學(xué)博士科研啟動基金資助項目(2008zy053第一作者簡介:王愛琴,女,1964年出生,教授,河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南洛陽(471003,電話:139*,E-mail:aiqin_wang888 3結(jié)論(1AZ31鎂合金鑄軋板和常規(guī)軋制板在低溫變形過程中發(fā)生局部流變失穩(wěn),

4、變形后的組織主要包括被拉長和破碎的晶粒以及孿晶。隨著變形溫度升高,AZ31鎂合金發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。當(dāng)變形溫度達(dá)到400時,在低應(yīng)變速率變形條件下,AZ31鎂合金板的三叉晶界處產(chǎn)生空洞。(2高溫低應(yīng)變速率條件下,A Z31鎂合金的主要變形機制是晶界滑移。相同變形條件下,鑄軋板的晶界滑移比常規(guī)軋制板明顯,鑄軋板的空洞尺寸、體積分?jǐn)?shù)和密度均較大。(3AZ31鎂合金在低應(yīng)變速率條件下拉伸變形后的動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸在變形溫度為200時最小,之后隨著溫度的升高晶粒尺寸不斷增加。在高溫條件下,動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸隨著應(yīng)變速率的增加而減小。不同變形條件下鑄軋板的動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸均小于常規(guī)軋制板。動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺

5、寸和參數(shù)Z呈冪律關(guān)系,冪律指數(shù)為0.090.11。參考文獻(xiàn)1FA TEMI2VARZAN EH S M,ZAREI2HANZA KI A,BELADI H.Dynamic recrystallization in AZ31magnesium alloyJ.MaterialsScience and Engineering,2007,A456:52257.2劉志民,邢書明,鮑培瑋,等.AZ31B鎂合金鑄軋板溫?zé)崂炝髯冃袨檠芯縅.特種鑄造及有色合金,2008(年會專刊:2232225. 3劉宇,劉天模,肖盼.AZ31鎂合金冷壓縮變形再結(jié)晶的研究J.材料導(dǎo)報,2007,A21(5:3702371.4

6、陳維平,詹美燕,陳宛德,等.變形鎂合金的塑性加工技術(shù)研究及展望J.特種鑄造及有色合金,2007,27(1:40242.5張先宏,崔振山,阮雪榆.鎂合金塑性成形技術(shù)2AZ31B成形性能及流變應(yīng)力J.上海交通大學(xué)學(xué)報,2003,37(12:187421877. 6KL IMAN E K P,PO TZSCH A.Microstructure evolution undercompressive plastic deformation of magnesium at different temper2 atures and strain ratesJ.Materials Science and En

7、gineering,2002,A324:1452150.7范永革,汪凌云,黃光勝,等.變形鎂合金高溫變形流變應(yīng)力分析J.重慶大學(xué)學(xué)報,2003,26(2:9211.8MICHA EL M A,BA KER H.ASM Specialty Handbook:Magnesi2um and Magnesium AlloysM.Ohio:ASM International Materi2 als Park,1999.9劉曉霏,嚴(yán)巍,陳國學(xué).AZ31B鎂合金塑性變形動態(tài)再結(jié)晶的試驗研究J.塑性工程學(xué)報,2005,12(3:10212.10SRINIVASN N,PRASAD Y V R K,RAMA R

8、AO P.Hot de2formation behavior of Mg23Al alloy2a st udy using processing mapJ.Materials Science and Engineering,2008,A476:1462156.11LAN GDON G.Grain boundary sliding revisited:development s insliding over four decadesJ.Journal of Materials Science,2006, 41:5972609.(編輯:袁振國912實用研究特種鑄造及有色合金2009年第29卷第3期

9、 1試驗方法試驗合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同為:21%的Si 、1.5%的Cu 、0.5%的Mn 、0.8%的Mg 、0.2%的Ti ,余量為Al ,采用金屬型鑄造Al 221Si 多元合金,采用單輥旋轉(zhuǎn)淬冷法制備快速凝固鋁硅合金條帶,輥輪轉(zhuǎn)速為1600r/min ,氬氣壓力為0.04M Pa ,所得薄帶厚度為18m ,寬度為10mm ,其冷卻速度約為4.36×106/s 。沿用過共晶鋁硅合金的熱處理工藝,固溶后水淬并自然時效96h ,但由于快速凝固鋁硅合金凝固后的組織是亞共晶組織,所以固溶溫度應(yīng)適當(dāng)降低,具體工藝為320×40min 、400×40min 、4

10、80×(20、40、60、100、150、250min 。采用金相顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡對微觀組織形貌進行分析,在M H 23型硬度計上測量合金的顯微硬度,載荷為25N 。2試驗結(jié)果及分析2.1試驗合金快速凝固后的組織特征鑄態(tài)下多元過共晶鋁硅合金變質(zhì)處理后的組織為共晶基體上分布著尺寸為2050m 的多角形塊狀初晶Si ,共晶Si 呈纖維狀或短桿狀,同時還有少量的金屬間化合物。快速凝固后合金組織細(xì)化,而且組織形態(tài)和相結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化,圖1是試驗合金快速凝固后的組織形貌。由圖1可以看出,其組織特征為基體組織上分布著細(xì)小雪花狀等軸枝晶,其主要生長方向上的長度小于1m ,晶粒間充滿大量的

11、灰色晶間物。經(jīng)TEM 分析及衍射斑點標(biāo)定表明(見圖2,雪花狀組織為Si 過固溶于2Al 形成的固溶體,灰色的基體組織為相+Si 共晶體,共晶Si 的電子衍射斑點呈多晶衍射環(huán),表現(xiàn)為超細(xì)微的羽毛針列狀,快速凝固后過共晶成分的鋁硅合金形成了細(xì)微的亞共晶組織 。圖1 快速凝固合金的光學(xué)顯微組織(a TEM 組織(b 對應(yīng)于A 點的TEM 衍射花樣(c 衍射花樣標(biāo)定圖2合金快速凝固后的TEM 組織形貌2.2快速凝固鋁硅合金固溶處理后的組織圖3為快速凝固合金不同溫度下固溶40min 時的組織形貌,可以看出,在320下保溫40min 時,合金的組織基本沒有變化,仍然可見大量的初生相;400下保溫40min

12、 時,合金基體中固溶的Si 已經(jīng)開始沉淀析出,但是析出的Si 顆粒非常少且細(xì)小,組織變化不明顯;溫度升至480時,Si 顆粒大量均勻析出,初生相已完全溶解,枝晶特征消失。因此,研究固溶處理對快速凝固鋁硅合金組織和性能影響時,固溶溫度定在480。(a 320(b 400(c 480圖3合金在不同溫度下保溫40min 后的顯微組織22特種鑄造及有色合金2009年第29卷第3期圖4為在480下保溫不同時間的快速凝固試驗合金的組織,可以看出,隨著保溫時間延長,從基體中析出的Si 顆粒的數(shù)量和形態(tài)在逐漸發(fā)生著變化,雖然保溫40min 時,合金基體中固溶的Si 已經(jīng)大量沉淀析出,初生2Al 已完全溶解,但

13、是析出的Si 顆粒形態(tài)多為不規(guī)則的帶有棱角的顆粒狀。固溶60100min 并(a 20min (b 40min (c 60min (d 100min (e 150min (f 250min圖4試驗合金在480保溫不同時間的微觀組織時效后,沉淀析出的Si 顆粒雖有輕微的長大,而其Si顆粒尺寸仍小于3m ,且顆粒圓整度明顯提高(見圖4c 、圖4d 。保溫150min 后析出相Si 顆粒出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的長大現(xiàn)象,且析出相顆粒出現(xiàn)尖角,在250min 固溶時間下,析出相顆粒粗化和棱角嚴(yán)重惡化。2.3試驗合金的硬度圖5為試驗合金在不同固溶溫度下的硬度。圖5表明,合金的硬度隨溫度的升高而降低。這是由于單輥

14、甩帶快速凝固使合金具有高達(dá)106/s 以上的冷卻速度,Si 元素在2Al 中的溶解度高達(dá)10%以上,Al 元素在Si 相中的溶解度達(dá)到7%以上,快凝后的合金中2Al 和Si 相均處于嚴(yán)重的過飽和狀態(tài),相應(yīng)的晶格畸變也相當(dāng)嚴(yán)重,晶格點陣上的原子具有較高的勢能。當(dāng)外部施加能量時這些原子可能被激活移向其他位置,多個溶質(zhì)原子被激活后可能發(fā)生偏聚,隨著固溶時間的延長,溶質(zhì)和溶劑原子不斷相互遷移,溶質(zhì)原子越來越聚集,如同發(fā)生形核和長大。同時,固溶處理時,加熱促使溶質(zhì)原子擴散遷移,一部分遷移到固溶體以外發(fā)生脫溶,另一部分遷移到固溶體的低能位置6,7。故合金加熱后基體中過飽和固溶原子在熱激活作用下脫溶析出,減

15、弱過飽和固溶原子對基體的固溶強化作用,使基體的硬度略有降低。圖6是快速凝固鋁硅合金在480 固溶處理時硬圖5不同溫度保溫40m in 固 溶處理后合金的硬度圖6480固溶處理后合金的硬度度隨時間的變化曲線。由圖6可以看出,保溫初期合金硬度呈緩慢上升趨勢,保溫100min 后硬度(HV 達(dá)到峰值241.67,繼續(xù)保溫,硬度開始降低。這是由于合金在保溫時,析出相彌散分布且非常細(xì)小,因此硬度隨析出相數(shù)量增加而升高;隨著固溶時間進一步延長,雖然有彌散相不斷析出,但固溶強化作用的不斷削弱,使合金硬度有所下降,但由于彌散相長大速度很慢,至60min 后,由于Si 相的析出,使得合金硬度升高,到100min

16、 后,硬度達(dá)到峰值。隨后繼續(xù)加熱,由于Si 顆粒過于粗大,出現(xiàn)多角化,并且分布不均勻,導(dǎo)致合金的硬度降低,不同固溶處理工藝下合金硬度變化規(guī)律同組織中析出相形態(tài)變化規(guī)律一致。3結(jié)論(1與傳統(tǒng)鑄態(tài)組織相比,快速凝固使Al 221Si 20.8Mg 21.5Cu 20.5Mn 20.2Ti 合金的組織發(fā)生了極大的變化,快速凝固過共晶鋁硅合金形成了微納米級的亞共晶組織。(2快速凝固過共晶鋁硅合金固溶處理時,Si 原子從2Al 固溶體中脫溶析出,形成微細(xì)顆粒狀的Si 相,過固溶合金的微觀組織特征為:Si 相不斷聚集和粗化,并出現(xiàn)尖角形態(tài)。(3合金的硬度峰固溶熱處理工藝為:480固溶100min 、水淬后

17、自然時效96h ,硬度(HV 達(dá)241.67。參考文獻(xiàn)1謝壯德,沈平,董寅生,等.快速凝固鋁硅合金材料及其在汽車中的應(yīng)用J .材料科學(xué)與工程,1999,17(4:1012104.2王倩,李青春,常國威.快速凝固技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望J .遼寧工學(xué)院學(xué)報,2003,23(5:41244.3沈?qū)幐?湯亞力,關(guān)紹康,等.凝固理論進展與快速凝固J .金屬學(xué)報,1996,32(7:673.4沈軍,孫劍飛,謝壯德,等.快速凝固高硅鋁合金粉末顯微組織及時效特性J .特種鑄造及有色合金,2001(4:123.5袁曉光,任露泉,張錦峰,等.時效處理微晶(2024Al 220Si 25Fe 合金的組織及性能J .金

18、屬學(xué)報,1999,35(5:4832486.6陳光,傅恒志.非平衡凝固新型金屬材料M.北京:科學(xué)出版社,2004.7袁曉光,黃瀛,崔成松,等.時效處理對鋁硅系合金超細(xì)粉末微觀組織的影響J .哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報,2001,6(5:1122116.(編輯:栗萬仲122固溶處理對快速凝固過共晶鋁硅合金組織性能的影響王愛琴等thermal T ensile T esting,MicrostructureInfluence of Solution T reatment on Microstructure and Properties of R apidly Solidif ied H ypereutec

19、tic Al2Si Al2 loys Wa ng Aiqin1,2,X ie J ingp ei1,2,Wa ng Wenya n1,2, Li J iwen1,2,Li Luoli1,2(1.School of Materials Science and Engineering,Henan U niversity of Science and Technology,L uoyang,China;2.Henan Key Labora2 tory of Advanced Non2ferrous Metals,L uoyang,Chi2 na2009,29(302190221Abstract:Ef

20、fect s of different solution p rocesses on mi2 cro st ruct ure and p roperties of rapidly solidified hyper2 eutectic Al2Si alloy st rip s,which were p repared by single roller melt2spinning met hod,were investigated by scanning elect ron microscope(SEMand transmis2 sion elect ron micro scope(TEM.The

21、 result s indicate t hat compared wit h as2cast microst ruct ure,micro2 nanocrystal hypoeutectic p hase in rapidly solidified hy2 pereutectic Al2Si alloy can be o bserved and2Al p hase is p rior to p recipitate from t he Al2Si alloy,which is att ributed to rapid solidification rest raining t he nucl

22、ea2 tion and p recipitation of Si p hase in t he alloy.Furt her2 more,in t he p rocess of solution t reat ment,Si element can be p recipitated from t he mat rix and gradually ag2 gregated to generate fine silicon particle,which was u2 niformly dist ributed into t he mat rix,wit h extending holding t

23、ime.Desirable fine silicon particle wit h high sp heroidization rate can be observed in t he alloy wit h holding for100min at480followed by quenching in water and nat ural aging for96h,which makes maxi2 mum hardness of HV241.67for t he alloy.K ey Words:R apid Solidif ication,H ypereutectic Al2Si All

24、oy,Microstructure,Micro2hardness,Solution T reat2 mentSolidif ication B ehavior and As2cast Microstructure of Permanent Mould C asting Mg210Z n22Al alloy Li Zho ng2 sheng1,2,Pa n Fusheng2,Wu Hulin1,Zha ng J ing2(1. No.59Instit ute of China Ordnance Indust ry, Chongqing,China; 2.Materials Science and

25、 Engi2 neering,Chongqing U niversity,Chongqing,China 2009,29(302220224Abstract:Solidification behavior and as2cast micro2 struct ure of permanent mould casting Mg210Zn22Al al2 loy were investigated by optical micro scope(OM, scanning elect ron micro scope(SEM,X2ray diff raction (XRDand differential

26、scanning calorimet ry(DSC. Meanwhile,p hase t ransformation during solidification p rocess was app roached wit h t he help of DSC analysis and Mg2Zn2Al ternary liquidus p rojection p hase dia2 gram.The result s indicate t hat as2cast micro struct ure of t he alloy is compo sed of p rimary2Mg p hase,

27、Mg32 (Al,Zn49and MgZn p hase,in which co ntinuous or semi2co ntinuous skeleton Mg32(Al,Zn49p hase is uni2 formly dist ributed in interdendrite and along grain boundaries.The liquidus temperat ure and solidus tem2 perat ure are609.4and300.0,respectively,which makes a wide solidification range of app

28、roxi2 mately309.4.In addition,t he second p hase t rans2 formation start s at332.2and ends at300.0.K ey Words:Magnesium Alloy,Mg210Z n22Al Alloy, Solidif ication B ehavior,MicrostructurePreparation of Foamed Magnesium by Direct Molten Foaming Process Zho u Qua n,Chen Leping(School of Materials Scien

29、ce and Engineering,Nanchang Hangkong University,Nanchang,China2009,29(3 02240226Abstract:Foamed magnesium was prepared wit h ZM5 alloy as matrix alloy and SiC as viscosity2increasing a2 gent as wellas MgCO3as foaming agent by direct mol2 ten foaming process.It is found t hat foamed magnesi2 um wit h

30、 low density and high poro sity rate can be suc2 cessf ully p repared.Wit h increasing in MgCO3or SiC content,density of t he foamed magnesium is de2 creased.However,it is slightly increased wit h Mg2 CO3content more t han1.5%or SiC content more t han 15%.Variation of average porous rate in foamed m

31、ag2 nesium is oppo site to t hat of densitys.K ey Words:Foamed Magnesium,Direct Molten Foa2 ming Process,MgCO3F abrication and Mechanism of Non2dendrite Structure in Semi2solid Z L101Alloy by Controlled Pouring T empera2 ture Xu Kai1,Liu Huiping2,Wa ng X i aoping1,Y ua n Ba ngyi1,Zha ng Shuqua n1(1.

32、Depart ment of Mechan2 ical Engineering,Anhui Technical College of Mechani2 cal and Elect rical Engineering,Wuhu,China;2.Cen2 ter of Materials Testing and Analysis,Jiangxi Univer2 sity of Science and Technology,Ganzhou,China 2009,29(302270229Abstract:Effect s of pouring temperat ure on non2den2 drite st ruct ure in