改性6系铝合金半固态压铸试样的力学性能研究

原标题：半固态改性6061铝合金流变压铸试样组织及力学性能

6061铝合金具有中等强度、良好的机加工性能以及可进行热处理强化和阳极氧化等特点，广泛应用于交通运输、建筑装饰和航空航天等领域。从实际生产来看，采用6061铝合金棒坯或板坯在制造许多复杂薄壁零件时，常常需要进行大量的机加工，材料的利用率很低，生产成本较高。采用传统铸造工艺铸造6061铝合金复杂薄壁零件毛坯，再进行适当的机加工，可以显著降低生产成本，提高材料的利用率。但是，传统铸造工艺铸造6061铝合金复杂薄壁零件毛坯时存在严重的热裂倾向，铸件的合格率很低。

半固态金属成形技术结合了固态金属成形和液态金属成形的优势，其成形压力小、凝固收缩小，可以减轻铸件的热裂倾向，提高铸件的组织和性能，实现零部件的近净成形。此外，增加6061铝合金中的Si含量（称为改性6061铝合金）有可能提升合金的流动性和充型能力，并降低铸件的热裂倾向。因此，可采用半固态金属成形技术结合提高Si含量的方法来降低6061铝合金铸件的热裂倾向。制备具有均匀细小和近球形固相晶粒的半固态浆料是半固态金属成形技术的关键。多年来，国内外研究者相继开发出多种半固态浆料的制备方法，并开展半固态浆料的流变压铸研究。有研究者采用超声波振动法制备了质量分数为2%的Fe的过共晶Al-Si合金浆料并进行流变压铸成形，发现采用超声振动法制备的半固态Al-Si合金浆料组织中的δ-Al4（Fe，Mn）Si2相得到显著细化。提出了一种用于铝和镁合金半固态浆料制备的强制对流搅拌工艺，并结合高压压铸设备开发了新的流变高压压铸工艺。采用倾斜板振动冷却法制备多种Al-Si合金浆料，并取得了良好的细化晶粒的效果。采用自孕育法制备6061铝合金半固态浆料并进行流变压铸研究，制备出具有球状初生α-Al晶粒的流变压铸件。

还有研究者开展了蛇行通道浇注工艺制备6061铝合金浆料的研究，分析了浇注工艺参数对6061铝合金浆料制备的影响，为本研究工作提供了有力的技术支撑。但是，目前半固态改性6061铝合金浆料的蛇形通道制备和流变压铸的研究尚无报道，因此本研究对石墨质蛇形通道制备半固态改性6061铝合金浆料进行流变压铸成形，对比分析传统液态压铸和流变压铸6061铝合金试样的组织，研究Si含量对半固态改性6061铝合金流变压铸试样组织及力学性能的影响，旨在为其应用提供参考。

图文结果

选用商用6061铝合金、Al-28Si合金作为原材料，两种合金的化学成分见表1。采用NETZSCHSTA409C/CD型差式扫描量热仪对6061铝合金进行热分析（Differential Scanning Calorimetry， DSC），测得6061铝合金的固相线和液相线温度分别为597℃和646℃，固-液温度区间为49℃，见图1。

表1 原材料的化学成分(%)

图1 6061铝合金的DSC曲线

(a)装置示意图 (b)合金液 (c)蛇形通道

图2 蛇形通道制备半固态浆料示意图1.井式电阻炉 2. 石墨坩埚 3. 合金熔体4. Ni-Cr/Ni-Si型热电偶 5. 石墨质蛇形通道6. 半固态浆料 7. RFM-复合陶瓷质保温浇勺

具体半固态流变压铸工艺过程为：首先，根据试验设定的合金成分进行配料，然后将铝合金铸锭放入井式电阻炉中进行熔炼，熔炼温度为800℃；待其完全熔化后，采用石墨管向熔体中通入氩气进行精炼10min；随后取出石墨坩埚静置冷却，同时对合金熔体表面进行扒渣和除杂；采用Ni-Cr/Ni-Si型热电偶测量合金熔体的温度，待合金熔体温度冷却至690℃时，立即将合金熔体倒入石墨质蛇形通道内，合金熔体流经蛇形通道后形成半固态浆料。采用预热至350℃的RFM-复合陶瓷质保温浇勺在蛇行通道出口处收集浆料，随后立即将半固态浆料倒入YYC180B型压铸机的压室内，并迅速完成压铸充型过程。其中，半固态流变压铸工艺参数：压射比压为90MPa，压射速度为0.5m/s，压室和压型预热温度为200℃。待保压完成后，可以获得带有4根标准拉伸试样的压铸件，见图2。

图3 半固态流变压铸拉伸试样实物图及其尺寸

(a)边部组织 (b)心部组织 图4 传统液态压铸6061铝合金试样组织

(a)边部组织 (b)心部组织

图5 半固态改性6061铝合金流变压铸试样组织

可以看出，试样边部组织中初生α-Al晶粒主要为细小的等轴晶，而心部组织中初生α-Al晶粒主要为粗大的树枝晶，二次初生α2-Al晶粒主要为细小的等轴晶，晶界处分布着网状的共晶组织。流变压铸试样边部组织主要为大量细小球状的二次α2-Al晶粒，而心部组织中初生α-Al晶粒主要为球状晶或蔷薇状晶，初生α-Al晶粒的平均晶粒直径和形状因子分别为58μm和0.68，二次α2-Al晶粒和晶界处共晶组织增多。与传统液态压铸的6061铝合金试样的心部组织相比较，半固态改性6061铝合金流变压铸试样的心部组织中初生α-Al晶粒由粗大的树枝晶演变为球状晶或蔷薇状晶且平均晶粒直径较小，二次初生α2-Al晶粒和晶界处非平衡共晶组织增多。这表明采用蛇行通道浇注复合流变压铸工艺能够显著改善6061铝合金的组织形貌，使初生α-Al晶粒变得细小、圆整。

(a)0.6%Si (b)1.0%Si (c)1.4%Si (d)1.8%Si (e)2.2%Si (f)2.6%Si图6 不同Si含量的半固态改性6061铝合金流变压铸试样的边部组织

(a)0.6%Si (b)1.0%Si (c)1.4%Si (d)1.8%Si (e)2.2%Si (f)2.6%Si图7 不同Si含量的半固态压铸6061铝合金流变压铸试样心部的显微组织

表2 不同Si含量的半固态改性6061铝合金的力学性能

(a)0.6%Si (b)1.8%Si (c)2.6%Si 图8 不同Si含量的半固态改性6061铝合金流变压铸试样的应力应变曲线

结论

（1）采用蛇行通道浇注复合流变压铸工艺可以有效改善6061铝合金的铸态组织，初生α-Al晶粒由粗大的树枝晶演变为细小、圆整的球状晶或近球状晶。

（2）增加Si含量可以显著细化半固态改性6061铝合金流变压铸试样组织。随着Si含量增加，流变压铸试样组织中初生α-Al的平均晶粒直径逐渐减小，当Si含量由0.6%增加至2.6%时，边部组织中的初生α-Al晶粒的平均晶粒直径由52μm逐渐减小至32μm；心部组织中的初生α-Al晶粒的平均晶粒直径由64μm逐渐减小至34μm。

（3）在相同Si含量下，半固态改性6061铝合金流变压铸试样比传统液态压铸试样表现出更好的力学性能。当Si含量由0.6%增加至2.6%时，半固态改性6061铝合金流变压铸试样的铸态抗拉强度由（107±4）MPa逐渐增加至（209±14）MPa，铸态伸长率由2.2%±0.3%逐渐增加至5.5%±0.5%。

作者张荣晟 毛卫民 李乃拥北京科技大学材料科学与工程学院本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志，《压铸周刊》战略合作伙伴