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采用电磁搅拌法制备具有不同微观初始组织特征的半固态合金熔体,利用半固态挤压铸造法铸造螺旋线试样,使用定量金相技术分析试样的初始组织、成形的螺旋线试样不同长度上的初生相微观组织特征参数(固相率、晶粒尺寸和形状因子),研究半固态合金熔体充型过程中初生相组织的演变规律。结果表明:初生固相率在充型的沿程流动过程中变化较小;初生相的晶粒尺寸、形状因子沿充型长度呈现波浪形变化,波峰和波谷出现的位置与充型长度没有明确的关系;充型后初生相晶粒尺寸的变化幅度与充型前半固态合金熔体初生相晶粒尺寸的大小有对应关系。
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第 19 卷第 7 期 中国有色金属学报 2009 年 7 月
Vol.19 No.7 The Chinese Journal of Nonferrous Metals Jul. 2009
文章编号:1004-0609(2009)07-1216-08
初始组织特征对充型过程中初生相演变的影响
谭建波
1
,李增民
1
,郭莉军
1
,樊金玲
1
,侯文杰
1
,胡映勇
1
,邢书明
2
(1. 河北科技大学 材料科学与工程学院,石家庄 050018;
2. 北京交通大学 机械与电子控制工程学院,北京 100044)
摘 要:采用电磁搅拌法制备具有不同微观初始组织特征的半固态合金熔体,利用半固态挤压铸造法铸造螺旋线
试样,使用定量金相技术分析试样的初始组织、成形的螺旋线试样不同长度上的初生相微观组织特征参数(固相率、
晶粒尺寸和形状因子),研究半固态合金熔体充型过程中初生相组织的演变规律。结果表明:初生固相率在充型的
沿程流动过程中变化较小;初生相的晶粒尺寸、形状因子沿充型长度呈现波浪形变化,波峰和波谷出现的位置与
充型长度没有明确的关系;充型后初生相晶粒尺寸的变化幅度与充型前半固态合金熔体初生相晶粒尺寸的大小有
对应关系。
关键词:初始组织;组织演变;半固态;充型过程
中图分类号:TG 146.4 文献标识码:A
Effect of initial structure characteristic on evolution of
primary phase in mold filling
TAN Jian-bo
1
, LI Zeng-min
1
, GUO Li-jun
1
, FAN Jin-ling
1
, HOU Wen-jie
1
, HU Ying-yong
1
, XING Shu-ming
2
(1.School of Material Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology,
Shijiazhuang 050018, China;
2. School of Mechanical and Electronic Control Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)
Abstract: Semi-solid alloy melt with different initial structure prepared by electromagnetic stirring method was poured
into a special mold and a series of the spiral samples were obtained by semi-solid squeeze casting process. The
characteristic parameters of the primary structure such as solid phase rate, grain size and shape factor of the spiral
samples located at different filling length were investigated by the quantitative metallographic techniques to explore the
evolution of primary phase of the semi-solid alloy melt during the mold filling. The results show that the variance of solid
phase rate of primary phase is small along the path of mold filling. The grain size and shape factor vary in a wave-shape
along the filling length. The positions of peak and trough of the wave have no clear relationship with the filling length.
The range of variation of grain size after filling has a coincidence relation with that of primary phase before filling.
Key words: initial structure; microstructure evolution; semi-solid; filling process
半固态合金熔体在充型过程中,初始组织中的初
生相会经历一系列动态变化,这种变化反过来会影响
充型过程和成形零件的性能。如果成形后零件的组织
不均匀,就会产生力学性能的不均匀性。所以半固态
合金成形过程中的组织演变一直是半固态成形领域研
究的重要问题之一
[1−5]
。但目前的研究主要集中在成形
后零件的组织变化和成形工艺参数对成形后零件组织
的影响规律
[6−13]
,至于成形过程中组织如何演变以及
成形前初始组织对成形后组织演变有何影响的研究还
很少。为了探索初始组织对充型过程中初生相组织沿
基金项目:河北科技大学校科研基金资助项目(2007012)
收稿日期:2008-12-01;修订日期:2009-04-08
通讯作者:谭建波,教授,博士;电话:0311-81668716;E-mail: tanjian1998@163.com
第 19 卷第 7 期 谭建波,等:初始组织特征对充型过程中初生相演变的影响
1217
充型长度的演变规律,本文作者采用电磁搅拌法制备
半固态合金熔体,利用半固态挤压铸造方法铸造螺旋
线试样,使用定量金相技术分析试样的初始组织以及
成形的螺旋线试样在不同长度上的初生相微观组织特
征参数(固相率、晶粒尺寸和形状因子),研究半固态
合金熔体充型过程中初生相组织的演变规律。该研究
成果可为半固态合金成形工艺提供理论与实验依据。
1 实验
1.1 材料
实验材料选用工业上常用的 A356 合金,经光谱
分析,其成分为:7.14% Si,0.12 % Fe,0.13% Cu,
0.29% Mg,0.09% Mn,0.18% Ni,0.005% Sr,其余为
Al。
1.2 方法
半固态合金熔体的微观组织特征可通过保温温度
控制和搅拌工艺参数进行间接控制
[14]
。因此,本文作
者采用电磁搅拌法制备半固态合金熔体,通过改变搅
拌频率、输出电压及保温温度,制备出具有不同初始
微观组织特征的半固态 A356 合金熔体。再将制备出
的半固态合金熔体浇入预热的阿基米德螺旋线试样模
具压室内,在固定的成形参数下进行间接挤压成形。
成形工艺参数为:模具预热温度 300 ℃、充型压力
95 MPa、充型速度 55 mm/s、保压时间 8 s、浇注量 1 300
g(控制压室中浇入半固态浆料的高度)。待螺旋线试样
凝固后,顶出试样,每个试样不论长短,平均截成 8
段,获得 8 个试样块,每个试样包括起始面和终止面,
观察截面为试样截取的终止面。用定量金相技术分析
螺旋线试样不同长度上初生固相的微观组织特征参
数,成形的螺旋线试样如图 1 所示。
在半固态合金熔体浇入模具前用取样器舀取少量
图 1 螺旋线试样照片
Fig.1 Photo of spiral line sample
熔体,进行水淬,制取金相试样后拍照,用图像分析
软件测定液、固相的平均面积,以及初生固相颗粒的
平均周长、平均尺寸。固相率 f
s
和形状因子 F
c
的定义
如下
[14−15]
:
sl
s
s
AA
A
f
+
=
(1)
2
c
π4
L
A
F =
(2)
式中:A
s
为初生固相面积;A
l
为液相面积;L 为晶粒
平均周长;A 为晶粒平均面积;F
c
=1 时,所有晶粒为
完整球状。
2 结果与讨论
2.1 初始微观组织的特征参数
浇注前初生固相微观组织特征如表 1 所列。由表
1 可以看出,各次实验半固态合金熔体的初始组织特
征存在明显差异,初生固相率的变化范围为 0.30~
0.60,形状因子为 0.43~0.71,晶粒平均尺寸为 21.1~
69.5 µm。
2.2 沿程流动中初生固相率的变化
在研究沿程流动过程中固相率的变化时,重点考
察了表 1 中的 1、3、5 和 7 号试样,原因是从初始组
织中低固相率抽取 2 个,高固相率抽取 2 个,因此,
具有一定的代表性。
1、3、5 和 7 号试样初生固相率沿充型长度变化
如图 2 所示。图 2 中公式为依据实验点回归得到的初
生固相率与充型长度的关系式,式中:x 为充型长度,
R 为相关系数,P 为置信度,根据该公式可以计算螺
旋线试样任意长度上的初生固相率。图中光滑曲线是
依据实验数据的平均值回归得到的。试样 3 和 5 不同
充型长度上的金相组织如图 3 和 4 所示。
在图 2 中,不同截面上的固相率测量值有所不同,
这是由于所观察的视场不同,同一截面视场的固相率
有差异,通过测量值误差分析,去除测量误差的影响
后,初生固相率沿充型长度还是存在波动,只不过是
充型过程中初生固相率沿充型长度变化很小,通过对
试样 2、4、6、8 分析研究得到的实验结果相同。不管
充型前试样 1~8 的初生固相率是相近还是相差较大,
充型过程中初生固相率沿充型长度变化都很小。这是
因为在半固态合金熔体挤压铸造过程中,熔体充型速
度较快,充型长度小于 1 000 mm。因此,充型时间很
短,一般在 0.5~2.0 s,初生固相率来不及变化就已经
充满并凝固。
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