半固態(tài)擠壓鑄造工藝參數(shù)對AlSi9Mg連桿的顯微組織以及力學(xué)性能的影響

1、中文翻譯半固態(tài)擠壓鑄造工藝參數(shù)對AlSi9Mg連桿的顯微組織以及力學(xué)性能的影響摘要:通過研究施加的壓力，澆注和模具的溫度的改變過程對連桿的半固態(tài)擠壓鑄造制備（SSSC）過程中的顯微組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，非樹枝狀的初生-Al顆粒均勻分布在整個連桿。隨著施加的擠壓力的增加，鋁顆粒尺寸減小而增大形狀因子，從而增加連桿的力學(xué)性能。當(dāng)澆注溫度和模具的溫度增加時，原鋁顆粒的大小和形狀因子增加。然而，如果模具溫度高于300，形狀系數(shù)突然下降。在澆注溫度575得到連桿SSSC過程中最好的顯微組織和力學(xué)性能，模具約250溫度，和100兆帕的壓力。1.簡介 半固態(tài)金屬加工（SSM）是一個將傳統(tǒng)的熱鍛造和

2、鑄造優(yōu)勢結(jié)合的技術(shù)。它可以在近凈形成型過程中形成的具有高質(zhì)量的工件，這種技術(shù)已經(jīng)被視為二十一世紀(jì)生產(chǎn)中最有前途的技術(shù)之一。在SSM加工可以分為成形和流變成形。由于在運輸和自動化的方便，觸變成形廣泛用于汽車工業(yè)制造鎂合金和鋁合金。除了獲得非枝晶，小，近球形結(jié)構(gòu)，觸變成形的另一個重要特性是它的能力，它能較好地減少缺陷如縮松和液體分離。高壓壓鑄（HPDC）被廣泛用于形成SSM，但很難完全消除孔隙由于其填充率高，導(dǎo)致湍流模腔填充和凝固收縮。擠壓鑄造（SC）是一個通用的術(shù)語來表示一個制造技術(shù)在凝固過程是在高壓下的推廣，結(jié)合壓鑄的優(yōu)點和鍛造成一個單一的操作，液態(tài)金屬在壓力下凝固的應(yīng)用。這使生產(chǎn)部件有著高完

3、整性和好的力學(xué)性能。因此，半固態(tài)擠壓鑄造（SSSC），這可以被看作是半固態(tài)成形和擠壓鑄造的一個組合工藝，能夠進一步提高產(chǎn)品性能。擠壓鑄造工藝參數(shù)對鋁合金、鎂合金及其復(fù)合材料的組織性能的影響已進行了大量的研究。近年來，應(yīng)用SC在鋁合金半固態(tài)加工的研究已在進行了。Mao .等人研究了流變擠壓鑄造A356鋁合金。結(jié)果表明：當(dāng)注射壓力為22 MPa時，模腔不完全填充的然而，隨著壓力增加到34 MPa，腔可以完全填充和鑄件表面質(zhì)量很好。Burapa等人研究了初級階段形態(tài)對AlSiMgFe合金半固態(tài)擠壓鑄件力學(xué)性能的影響。Lu等人，Dai等人研究了間接超聲振動過程的流變擠壓鑄造鋁合金（RSC）效應(yīng)和擠壓力

4、和模具溫度對顯微組織和力學(xué)性能的影響。然而，很少有人進行了對AlSi9Mg合金半固態(tài)擠壓鑄造的研究。 AlSi9Mg鋁合金連桿，具有復(fù)雜的幾何形狀（如圖1所示），需要特殊的機械性能，被廣泛應(yīng)用在汽車制造業(yè)。兩連桿的形狀相同但大小不同，較大的一個（連桿，圖1（a）是265克，較小的一個（連桿B，圖1（b）是208 g，在這項研究中，一種間接的半固態(tài)擠壓鑄造過程中被用來制造連桿。半固態(tài)擠壓鑄造過程中，施加的壓力，澆注溫度和模具溫度的主要參數(shù)的影響的顯微組織和力學(xué)性能。因此，對這三個參數(shù)對連桿由SSSC的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響的研究已經(jīng)為這個過程中應(yīng)用的重要意義。2.實驗過程 AlSi9Mg合金連

5、桿的化學(xué)成分（wt%）合金的是：硅 9.23%，鎂0.25%，錳0.5%，和鋁平衡。該合金的液相線溫度和固相線溫度分別是595和555。用差示掃描量熱法（DSC）的方法描述隨著溫度的固相分?jǐn)?shù)的曲線，如圖2所示。 用電磁攪拌（EMS）制備AlSi9Mg合金半固態(tài)漿料。鑄坯切成100毫米型號：，在半固態(tài)溫度區(qū)再熱約10分鐘。隨后，漿立即倒入模具型腔的擠壓鑄造機形成。模具預(yù)熱到一定溫度后澆。壓力施加到漿立即在模具型腔充填結(jié)束，保持10 s直到凝固結(jié)束由400噸垂直擠壓鑄造液壓裝置（sch-400a）。桿裝置由SSSC工藝制造連接圖如圖3所示。 在SSSC的過程，澆注溫度，模具溫度，速度和應(yīng)用擠壓力是

6、主要的工藝參數(shù)，擠壓力和擠壓速度的相互影響。在這項研究中，只有所施加的擠壓力（P）和澆注溫度（TP）和模具預(yù)熱溫度（Td）在實驗過程中變化，才能發(fā)現(xiàn)每個對顯微組織和力學(xué)性能的連桿由SSSC的影響。表1顯示了實驗條件的細(xì)節(jié)。 對金相檢驗標(biāo)本從連桿的每個樣本中切斷大致地，精細(xì)打磨和用0.5%的HF溶液蝕刻。的顯微組織，用光學(xué)顯微鏡觀察和分析。樣品的顯微照片進行定量金相分析軟件分析。等效粒徑（D）和形狀因子（SF）的初級階段使用以下方程計算： （1） （2）其中，A和P分別是一個粒子的面積和周長，SF值從0變化到1，當(dāng)SF值接近1，顆粒形狀接近于一個圓。平均粒徑（APD）和平均形狀因子（ASF）是基

7、于計數(shù)的當(dāng)量直徑和形狀中所有主要因子粒子。拉伸試樣的矩形截面的連桿加工，其形狀和尺寸如圖4所示。拉伸試驗是在1.25毫米/分鐘的十字頭速度的萬能材料試驗機上進行的。3.結(jié)果分析3.1 SSSC連桿的一般結(jié)構(gòu)圖5顯示了典型的SSSC連桿。圖像表明，由SSSC加工的連桿的表面是完整的，它表明，SSSC條件下充型能力好，整個模腔完全充滿。圖6顯示了采用常規(guī)液體SC（澆注溫度680，壓力100 MPa，模具溫度250）連桿的結(jié)構(gòu)。從圖6可以看出，有許多典型的初級鋁枝晶的長度超過150毫米。圖7顯示了在連桿的SSSC的條件下制作不同位置的組織：擠壓力100 MPa，澆注溫度和模具溫度250和575。可以

8、看出，非樹枝狀的初生-Al顆粒在整個鑄造過程中運行和演化是一致的。組織均勻的連桿和運行表明，一旦模具型腔填充完成后，剩余的液體凝固陽離子可能整個組件 19 發(fā)生。此外，在微觀結(jié)構(gòu)有兩種主要的成分：比較大的鋁球（標(biāo)記為）晶粒直徑約3035毫米，和組織提出了許多非常小的約10毫米直徑的粒子（標(biāo)記為）。 在SSSC過程中存在著兩種不同的固化階段。在加熱階段的漿凝固是指第一凝固后，澆注在模具型腔中的高壓下被稱為二次凝固的漿液凝固。再熱溫度575，相應(yīng)的固含量為0.40（圖2），創(chuàng)建在漿料中大量的核，生長形成相對較大的顆粒在高壓力。粒子的形態(tài)幾乎是球形的，它們均勻地分布在整個組織。當(dāng)料漿澆注到模腔中，異

9、質(zhì)形核出現(xiàn)在剩余的液體。所有這些核的成長和鞏固在很短的時間內(nèi)，在高壓力下，形成小顆粒，形成“繼發(fā)凝固”。這些現(xiàn)象與流變壓鑄流變擠壓鑄造相似。此外，由于連桿是相當(dāng)薄，模具溫度較低，固化時間很短，因此，在球形狀態(tài)下的初級粒子非常小。 表2顯示了由SSSC連桿的力學(xué)性能，在此條件下和常規(guī)液體SC與澆注溫度680，模具溫度250擠壓力100 MPa 比較?？梢钥闯?，與傳統(tǒng)的液體SC相比，SSSC連桿的力學(xué)性能得到顯著提高的。SSSC制造連桿的抗拉強度和伸長率分別為17.76%和23.40%的高（鑄）和16.35%和26.02%（熱處理），比傳統(tǒng)的液體范圍更大。3.2壓力對組織的影響圖8顯示了SSSC連

10、桿的在應(yīng)用擠壓力25，50，75和100 MPa與澆注溫度和模具溫度575和250的條件下制備的組織APD和ASF如圖9所示。從圖8可以看出（A），在25 MPa下，許多很粗的花環(huán)顆粒能被觀察到，APD是38.1毫米，ASF是0.5232。當(dāng)壓力增加到50 MPa，玫瑰形狀的原鋁顆粒成為球狀，幾乎無粒子剩余（圖8（b），APD減小到30.6 mm，ASF增加到0.5754。再次，壓力增加到75 MPa和100 MPa，我們發(fā)現(xiàn)大部分原鋁顆粒近球形，小，如圖8所示（c）和（d）。APD減少到25.8毫米和22.7毫米，而ASF增加到0.6214和0.6554，分別。換句話說，鋁顆粒球形小施加壓力

11、的增加，和APD減小而ASF隨壓力增大。圖10顯示了與抗拉強度的關(guān)系，并在此條件下試樣的伸長率擠壓力。在鑄態(tài)和熱處理狀態(tài)，連接桿的增加施加的壓力增加，拉伸強度和斷裂伸長率。當(dāng)壓力高于75 MPa時，曲線變得陡峭，說明機械性能逐漸趨于穩(wěn)定。擠壓鑄造，有壓力的影響，兩種不同的功能在凝固過程中的微結(jié)構(gòu)。首先，應(yīng)用壓力提高了合金的液相線溫度，根據(jù)克勞修斯-克拉珀龍方程推導(dǎo) （3）哪里是平衡凝固溫度，并分別是液體和固體，具體數(shù)量，和熔化潛熱。純鋁，冷凍溫度預(yù)計增加約6 K每100兆帕的壓力。這表明AlSi9Mg合金的液相線溫度升高6 K，就加大100 MPa的壓力。由于AlSi9Mg合金半固態(tài)溫度范圍很

12、窄（40），通過增加漿體和模具之間的過冷度增加的液相線溫度下應(yīng)用的壓力對凝固過程的影響。另外，高壓力可以提高傳熱和冷卻速率的泥漿和模具表面改善之間的接觸而引起的。傳熱和冷卻速度隨施加的壓力增大，因此，原鋁顆粒變得更小和更接近球形的。此外，LM13合金擠壓鑄造，當(dāng)施加的壓力超過100 MPa，結(jié)構(gòu)略有變化，據(jù)推測，100 MPa的壓力在這之間的熔體和模具表面達到完全接觸9 。鋁合金流變擠壓鑄造，Dai等人和Lu等人發(fā)現(xiàn)了相同的結(jié)果。此外，在高于100兆帕的壓力，設(shè)備的性能可能會受到嚴(yán)重的影響，因此施加的壓力應(yīng)該被限制到約100 MPa。3.3澆注溫度的影響 圖11顯示了SSSC連桿在不同澆注溫度

13、下的微觀組織：570，575和580與擠壓力100 MPa和模具溫度250。圖12描述了澆注溫度對APD和ASF原鋁顆粒的影響。圖13顯示了澆在具備上述條件的連接桿的抗拉強度和延伸率溫度的影響。 可以看出。在澆注溫度580 ，組織主要為初級。隨著澆注溫度的降低，初生-Al的大小和形狀的顆粒減小，分布不均勻。在澆注溫度570 ，組織包括比較大的初級A1和許多很小的但不是球形的A2鋁粒。因此，APD和ASF在澆注溫度575那些比較小?？梢钥闯?，從圖13看出，在580和570澆注溫度，鑄件的力學(xué)性能不如在澆注溫度為575發(fā)現(xiàn)好。當(dāng)澆注溫度為580，機械性能是在澆注溫度比570略好 當(dāng)澆注溫度太高，實

14、相是非常低的，并為進一步的后果主要鋁顆粒比較大。此外，較高的澆注溫度引起的粘度低，這會增加湍流模腔的填充過程，對微結(jié)構(gòu)有不利影響。相反，較低的澆注溫度，固相率是比較高的，在泥漿眾多核，形核率相當(dāng)高，因此，原鋁顆粒小而不是球。此外，澆注溫度太低會導(dǎo)致高的表觀粘度，從而降低了模具型腔的充填能力。即使?jié)沧囟鹊陀?65，模腔未完全填充。因此，在澆筑575溫度得到最佳的組織和連接桿由SSSC的力學(xué)性能。3.4模具溫度的影響 使用模具預(yù)熱溫度200，250，300和350，研究模具溫度對SSSC連桿的顯微組織和力學(xué)性能的影響，而澆注溫度和施加的壓力為分別為575和100MPa。圖14演示了這些樣品的顯微

15、組織。模具溫度對APD和ASF的效果。模具溫度在上述條件下連接桿的抗拉強度和延伸率的影響如圖16所示?？梢钥闯?。14和15，隨著模具溫度的升高，原鋁顆粒變粗，球狀，APD的不斷增加而先增加后減小的APS。當(dāng)模具溫度達到350，有許多花顆粒，因此，形狀因子ASF突然降低。可以看出，從圖16看出，拉伸強度和斷裂伸長率隨著模具溫度從200增加到250迅速增加，但只有輕微的改變?yōu)?50和300然而之間的模具溫度，拉伸強度和斷裂伸長率降低模具溫度突然增加到350。與傳統(tǒng)的液體SC相比，SSSC的澆注溫度低100以上，這樣，如果模具溫度太低，澆注后，薄的凝固層將立即漿和模腔表面之間形成。高架下施加的壓力，

16、這將打破成碎片和外殼進入漿，創(chuàng)造小片段后凝固，對鑄造的顯微組織和力學(xué)性能的不利影響。下模溫度會顯著提高漿料的寒蟬效應(yīng)，增大了漿料與模具表面之間的過冷度和冷卻速率，因此，原A2鋁顆粒顯著增加。作為連接桿很薄，當(dāng)模具溫度太低，凝固時間很短，并且創(chuàng)造了無數(shù)的很小但不是球形原A2鋁顆粒的微觀結(jié)構(gòu)。導(dǎo)致所有的APD和ASF很小。此外，模具溫度太低會導(dǎo)致冷隔缺陷。相反，較高的模具溫度降低過冷度和泥漿冷卻速率，因此原鋁顆粒變大，但更多的球狀，APD和ASF增加，使鑄件力學(xué)性能稍有變化時，模具溫度變化約250300。然而，當(dāng)模具溫度達到350，凝固時間延長，導(dǎo)致原鋁顆粒變得比較粗糙和玫瑰花形。這些比較粗糙和玫

17、瑰花形顆粒的機械性能大幅降低。模具溫度太高會造成對模具工作條件的不利影響，降低模具壽命。因此，模具溫度應(yīng)控制在約250。根據(jù)研究結(jié)果，在本研究中使用的實驗條件范圍內(nèi)，連桿的制造的SSSC最好的顯微組織和力學(xué)性能均在100 MPa施加的壓力達到575，澆注溫度和模具溫度約250。在這些條件下，組織中含有小的球形非樹突狀初級-Al顆粒與APD和APS分別在22.7毫米和0.6554。在鑄態(tài)和熱處理狀態(tài)，在此條件下制造的SSSC連桿的抗拉強度分別為248.9 MPa和312.6 MPa，而伸長率，分別為7.61%和6.65%，分別。這些結(jié)果均大于16.35%（抗拉強度）和23.40%（延伸率）高于常規(guī)液體懸浮制。4.總結(jié)1.非枝晶初級鋁顆粒均勻分布在連接桿由SSSC的微觀結(jié)構(gòu)。SSSC連桿的抗拉強度和延伸率都超過了16.35%和23.40%，都高于常規(guī)液體懸浮制備2。當(dāng)施加的壓力由25 MPa增加到100