1 試驗過程

　　1.1 ZL109鑄造鋁合金的化學成分

　　本試驗采用的ZL109鑄造鋁合金的主要成分為：w（Si）＝11.1％，w（Mg）＝0.512％，1，w（Fe）＝0.77％，w（Cu）＝0.448％，其余為Al。該合金硅含量接近共晶成分，為準共晶型合金，它的液相線溫度為566℃，固相線溫度為538℃。

　　1.2 半固態原始坯料的制備

　　采用低過熱法^[7-9]制備半固態原始坯料。試驗方法是：首先將合金在電阻爐中進行熔煉，將熔體溫度升至750℃，然后加入覆蓋劑，保溫，打渣。通過測量發現，剛開始時金屬液溫度降低較快，當熔體溫度接近566℃時，降低非常緩慢，表明熔體中已經有晶粒析出，釋放出結晶潛熱。因此在566℃時澆注較為合理。澆注的半固態坯料如圖1所示。

圖1 半固態原始坯料

　　1.3 半固態原始坯料的二次重熔

　　將機加工后的坯料放入高頻感應加熱設備的線圈，進行二次重熔，并用熱電偶測量坯料的溫度，采用普通鋼刀切割的方法確定坯料的觸變性能。通過多次試驗獲得ZLl09合金最佳的二次重熔溫度為569℃。

　　1.4 半固態鍛造的方法

　　把加熱到569℃半固態溫度的坯料放入自行設計的模具（圖2，型腔為五根并排的標準拉伸試樣），在3MN油壓機上鍛造成形。對最終成形的零件進行熱處理及力學性能測試。圖3是鍛造成形的零件。

圖2 模具示意圖

圖3 標準試樣鍛件

　　1.5 取樣方法

　　原始坯料以及在重熔過程中的試樣制備如圖4所示，坯料水淬后在棒料中部截取一段，再沿軸線截取其中的四分之一作為組織觀察的試樣，觀察邊部和心部即A、B處的組織。

圖4 原始坯料組織觀察試樣解剖示意圖

　　2 半固態組織演變的觀察結果

　　2.1低溫熱法澆注的半固態坯料的組織特征

　　圖5是常規條件下高溫（一般在680℃左右）直接澆注和低過熱法澆注坯料邊部的組織。

圖5ZL109合金高溫澆注和低過熱法澆注的組織比較（邊部）

　　從圖5a、5b可以明顯看出兩種不同澆注方法獲得的坯料的邊部組織形狀的差異。圖5a中只有少量的初生α相，基本上都是共晶組織；大量的黑色蠕蟲狀組織即共晶硅相分散在白色的共晶α相中，呈條狀，較粗大。而圖5b中白色的是初生α相，大量的黑色和灰色部分則是共晶組織，該圖中的共晶硅相比5a中的更細更短。說明采用低過熱法達到了細化晶粒的目的。

　　2.2 重熔過程的組織^[10]的演變

　　坯料的二次重熔采用高頻電源感應加熱。在加熱過程中，開始時使用較大的震蕩電流，隨著溫度的升高逐漸降低震蕩電流，使加熱過程趨于緩慢，便于坯料內外溫度趨于均勻。在試驗過程中，每隔10s同時記錄一次坯料心部和邊部的溫度，將不同時刻的溫度繪制成時間-溫度曲線。本試驗研究了兩個二次重熔溫度：552℃和569℃。

　　圖為坯料二次重熔過程中不同溫度條件下，水冷至室溫所觀察到的心部組織。

　　從圖6看，坯料在二次加熱重熔的過程中，共晶組織發生了一定的變化。圖6a中共晶硅相呈蠕蟲狀和條狀，灰色的共晶α相也比較粗大。由于該合金的固相線溫度為538℃，加熱到545℃圖6b、550℃圖6時，只在固相線溫度以上幾度及十幾度，共晶織熔解得很少，因此共晶硅的形態沒有什么明顯的變化。但是加熱到560℃圖6d時，距離液相線溫度566℃只有幾度，因此共晶組織大量熔解，很多黑色條狀的共晶硅相都從中間斷開來，變成短條狀，明顯的陵角也消失了。加熱到565℃圖6e時，共晶組織基本上都熔解了，它的形貌完全發生了變化，條狀組織基本消失，灰色的共晶α相呈小團狀分布在黑色共晶硅相中，而且分布比較均勻。

圖6ZL109合金二次重熔加熱過程中的組織演變（坯料心部）

　　2.3 成形零件的組織特征

　　將原始坯料二次重熔后放在模具上鍛造成形。成形零件的組織如圖7所示。從圖7可以看出，半固態鍛造后，與鍛壓前的組織相比，共晶組織不再具有明顯的條狀和團塊狀，而是細小的顆粒狀。同時，初生α相更加呈球團狀的組織分布在黑色共晶組織中。合金在半固態流動過程微觀組織間發生了摩擦、變形，使得α相球團化和共晶組織細化。

圖7半固態鍛件組織

　　3 鍛件熱處理及性能分析

　　3.1 熱處理

　　對ZL109合金做近似T6處理^[11]，工藝過程如圖8所示。圖9a和9b分別是鍛件熱處理前后的金相組織，從兩圖比較可以看出，熱處理后共晶組織中的α相向初生α相發生了轉移，形成了白色的網狀組織；共晶硅相聚集成灰黑色團塊狀，分布在白色的網狀組織中。這是由于在熱處理過程中，Al原子和Si原子在高溫下發生擴散形成的。

圖8 ZLl09合金熱處理工藝

圖9 ZLl09合金鍛件熱處理前后的金相組織圖

　　3.2 鍛件的力學性能測試

　　用線切割解剖試樣獲取近似標準拉伸試樣，在萬能拉伸機上對試樣進行拉仲測試。圖10為ZL109合金熱處理前后的抗拉強度的比較，熱處理后，鍛件的抗拉強度得明顯的提高，平均強度達到了220N／mm²。這是因為，固溶處理析出增強相，使得合金的抗拉強度得到明顯的改善。圖11為ZL109合金熱處理前后伸長率的比較，平均伸長率從熱處理前的0增加到熱處理后的1.42％。

圖10　ZL109合金熱處理前后抗拉伸強度比較

圖11　ZL109合金熱處理前后伸長率比較

　　一般鑄造條件下的ZL109伸長率0^[12]。可見本研究所獲得鍛件的伸長率得到了較大提高。

　　4討論

　　4.1 ZLl09合金的半固態組織變化特征

　　近年來對Al－Si鋁合金半固態技術的研究主要集中在亞共晶合金，其中研究較多的合金是ZL101A（w（Si）＝6.5％～7.5％）、AlSi9Mg、AlSi6Mg2^[13-15]及ZL112Y等。它們的金相組織主要為初生α相，在半固態重熔過程中主要的轉變是初生α相的球團化。本試驗室以前研究的w（Si）＝8％的ZL112Y合金屬于亞共晶合金，圖12是ZLl12Y低過熱法澆注的原始坯料在二次重熔過程中不同溫度下水冷后的金相組織，可以明顯看出在重熔過程中，隨著溫度的升高初生α相在逐漸的變短，逐漸球團化^[16]。

圖12 　ZL112Y半固態坯料二次重熔過程組織變化

　　本試驗研究的ZL109合金w（Si）＝11.1％，它的成分較接近共晶成分，所以合金的組織以共晶組織為主。因此該合金在整個試驗過程中半固態組織的變化主要是共晶組織的變化。從前面的組織分析可以看出：低過熱法制備半固態坯料的組織中共晶硅相比高溫澆注坯料組織中的共晶硅相明顯更細更短。二次重熔過程中，當坯料溫度達到560℃時，很多共晶硅相都從中間斷開，變成短條狀，明顯的棱角消失。加熱到565℃時就更加明顯了，共晶組織的形貌完全發生了變化，條狀組織基本消失，共晶α相呈小團狀分布在共晶硅相中，而且分布比較均勻。分析坯料半固態鍛造成形零件的金相組織發現，共晶組織中的硅相不再具有明顯的形狀，初生α相呈球團狀分布在共晶組織中。

　　4.2 半固態鍛造工藝提高合金塑性的微觀機制

　　鑄造鋁合金采用常規液態澆注法所獲得的鑄件塑性很差，而本試驗發現半固態鍛造工藝顯著提高了ZL109合金的室溫塑性，這在金屬學理論上具有積極的意義。

　　采用常規液態澆注的鑄造鋁合金共晶組織粗大，共晶硅相呈片狀，嚴重地削弱了合金的基體，使得合金呈現脆性。圖5a是ZL109合金采用常規液態澆注的微觀組織，共晶硅片平均長度為50μm。本半固態鍛造方法從三個階段改變了共晶體的微觀組織形態：

　　（1）半固態二次重熔過程中，很多共晶硅相從中間斷開變成短條狀。圖6e是二次重熔結來時的合金微觀組織，其中共晶硅片平均長度20μm～30μm。

　　（2）半固態鍛造工藝細化了合金的共晶組織。圖7表明：鍛造成形零件微觀組織中的硅相完全變成了小于10μm的顆粒狀，α相呈球團狀分布在共晶組織中。

　　（3）熱處理工藝進一步改變了合金的共晶組織。圖9b表明：共晶組織中的α相向初生α相發生了轉移，形成了白色的網狀組織；共品硅相聚集成灰黑色團塊狀，分布在白色的網狀組織中。α相的網狀組織是提高合金塑性的重要因系。

　　4.3 ZL109合金二次重熔溫度范圍的特征

　　本研究是將二次重熔的坯料置于模具中鍛造成形，因此該合金的二次重熔溫度在鍛造成形工藝過程中是一個關鍵的控制參數。本試驗室以前研究的ZL112Y是亞共晶合金^[16]，其主要成分是w（Si）＝8%，w（Cu）＝2.5％，w（Fe）＝1.0％，其余為Al。它的固相線溫度和液相線溫度分別為540℃和594℃。由于它的半固態溫度范圍較大，可以選擇的二次重熔溫度范圍為568℃～573℃。而ZLI09合金的成分較接近共晶合金成分，它的固相線溫度和液相線溫度分別為538℃和566℃；由于它的半固態溫度范圍較小，可以選擇的二次重熔溫度范圍為568℃～570℃。因此在半固態鍛造成形時，控制ZLI09合金的重熔溫度變得更加困難也更加重要。

　　5結論

　　（1）對低過熱法澆注坯料與高溫液態澆注坯料的微觀組織進行了比較。采用低過熱法，ZLI09合金坯料的共晶組織中的共晶硅相明顯細化，因此采用低過熱法澆注能夠改善坯料的組織，達到細化晶粒的目的。最終確定的低過熱法澆注溫度為566℃～568℃。

　　（2）對感應加熱過程巾的坯料組織進行了觀察，由于ZL109合金成分接近共晶合金成分，加熱過程中共晶組織細化，在接近半固態觸變溫度時共晶組織中的蠕蟲狀和條狀組織基本消失。該合金進行二次重熔，獲得了良好的觸變性能。通過現場加熱切割實驗，該合金的合適半固態觸變成形溫度確定為（569±1）℃。

　　（3）接近共晶成分的ZL109鋁合金半固態鍛造過程的組織變化的特征是：低過熱澆注使坯料微觀組織的共晶硅片細化；在二次重熔時共晶組織熔解，共晶硅片進一步細化和團塊化；在鍛壓成形流動過程中，合金微觀組織間發生了摩擦、變形，使得α相球團化和共晶組織細化；在半固態鍛壓成形零件熱處理過程中，共晶組織中的α相向初生α相聚集成球團狀，而共晶組織中的硅顆粒聚集成團塊硅相。

　　（4）半固態二次重熔主要是共晶組織的熔解，由于ZL109鋁合金的初生α相量少且骨架較弱，因此重熔溫度范圍窄，二次重熔溫度是半固態鑄造工藝過程中的關鍵控制參數。

　　（5）ZL109合金在熱處理后的塑性指標有明顯的提高，一般鑄造方法的鑄件伸長率為0，而本試驗中鑄件的平均伸長率為1.42%。

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