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復(fù)合材料mg2si/al的冷卻斜槽法鑄造和其局部重熔演化過(guò)程中的半固態(tài)微觀結(jié)構(gòu)
摘要
Mg2Si/Al–Si–Cu 復(fù)合材料的半固態(tài)結(jié)構(gòu)及斜槽鑄造的部分重熔過(guò)程。該鑄態(tài)微觀結(jié)構(gòu)的形態(tài)，大小和形狀受保溫時(shí)間等的因素影響。據(jù)調(diào)查結(jié)果表明：該 mg2si和- Al晶粒部分重熔過(guò)程后形態(tài)的主要呈復(fù)合球形和橢圓形。Al晶粒大小和
形狀因子- 與保溫時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)。
1 。導(dǎo)言
眾所周知，半固態(tài)加工（ SSP ）的有很多顯著的優(yōu)勢(shì)，與傳統(tǒng)的鑄造相比它盡量減少宏觀偏析、凝固收縮和形成溫度。關(guān)鍵該固相[ 1 ]半固態(tài)合金的形成是由于缺乏樹(shù)突狀形態(tài)
。典型的非樹(shù)突狀的微觀結(jié)構(gòu)
需要的是構(gòu)成固相球懸浮在
液相。觸變的影響，該合金半固態(tài)使他們能夠處理大量固體。許多不同的
路線(xiàn)已被用來(lái)生產(chǎn)非樹(shù)突狀結(jié)構(gòu)， 如磁流體（磁流體）攪拌，噴射成形， 應(yīng)變誘導(dǎo)熔體激活結(jié)晶和部分熔化（ RAP ）的液相/近液相線(xiàn)鑄造等[ 3-8 ] 。 最近，切爾文斯基[ 9月11日]調(diào)查的制作鎂合金半固態(tài)組件的注塑成型過(guò)程。 菲爾德等人 [ 12 ]研究形成的半固態(tài)鎂-鋁-鋅合金擠壓 [ 13 ]修建了一個(gè)模型，半固態(tài)金屬的生長(zhǎng)形態(tài)，用凝固和液體流速作為影響晶體形態(tài)的變化。過(guò)磷酸鈣斜槽的冷卻過(guò)程技術(shù)是一個(gè)簡(jiǎn)單的路線(xiàn)。初級(jí)階段，在半固態(tài)合金冷卻斜槽重熔[ 14 ]已成為球后 。哈加和鈴木[ 14,15 ]調(diào)查鋁錠的生產(chǎn)過(guò)程為鋁- 6si合金冷卻的斜槽鑄造觸變成形的。 過(guò)共晶鋁硅合金鎂含量高，含有大量硬顆粒Mg2Si ，Mg2Si/Al復(fù)合材料是潛在的汽車(chē)制動(dòng)盤(pán)材料，因?yàn)閺?fù)合Mg2Si具有較高的熔融溫度， 低密度，高硬度，低的熱膨脹
系數(shù)和相當(dāng)高的彈性模量[ 8 ] 。但是，鋼筋的主要mg2si粒子在正常的復(fù)合下效果不好。因此，復(fù)合材料與粒子需要修改以獲取足夠的機(jī)械強(qiáng)度和延展性。有報(bào)道說(shuō)，稀土元素，如Ce [16], Sr [17] 和其鹽類(lèi)[ 18,19 ]可以修改Mg2Si形態(tài) 。經(jīng)司馬在以往的研究[ 8 ]預(yù)計(jì)以改善力學(xué)性能半固態(tài)微觀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的Mg2Si/Al 復(fù)合已制作完成 。不過(guò)，這項(xiàng)技術(shù)相對(duì)復(fù)雜，因?yàn)樾枰鋽D壓和變形。部分工作已進(jìn)行了對(duì)半固態(tài)Mg2Si/Al 復(fù)合材料進(jìn)行了冷卻斜槽鑄造和部分重熔過(guò)程。在目前的研究中，Mg2Si/Al 半固態(tài)的在原Mg2Si/Al–Si–Cu 復(fù)合材料編寫(xiě)的冷卻斜槽鑄造和部分重熔過(guò)程和影響等溫持有時(shí)間對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的綜合考察。
2 。實(shí)驗(yàn)程序
Al–13 wt.% Si 中間合金（錠） ，純銅 （錠， > 99.7 ％純度）和鎂（錠， > 98.0 ％純度） 被用來(lái)編寫(xiě)實(shí)驗(yàn)合金。約520克共晶鋁硅中間合金熔體熔融在一個(gè)石墨坩堝電阻爐。約100克，鎂和26克
銅，預(yù)熱在300 ? c ，分別加入到Al - Si熔體在
680-700 ?15分鐘之后，熔體被注入模具鋼通過(guò)鋁冷卻斜槽（預(yù)熱在300 ?）
產(chǎn)生Mg2Si/Al 復(fù)合錠，化學(xué)成分列于表1 。
表1
Mg2Si/Al的化學(xué)成分（ wt. ％ ）
鑄造工藝如圖 1所示。
圖1
冷卻斜槽鑄造和部分重熔技術(shù)示意圖[ 15 ]
（通過(guò)從[ 15 ] ） 。隨后， 該鋼錠被削減成一系列12毫米×12毫米× 12毫米的樣本。該部分重熔過(guò)程在垂直管式爐，樣本加熱
高達(dá)560 ? C加熱時(shí)間分別為30 ， 60 ， 180和600分鐘，然后淬在冷水中。金相試樣拋光通過(guò)光學(xué)顯微鏡和使用標(biāo)準(zhǔn)程序觀看微觀結(jié)構(gòu)。 0.5 ％的氫氟酸水溶液用來(lái)蝕刻拋光樣本。通過(guò)定量分析系統(tǒng)主要固相進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（ omnimet成像
系統(tǒng)buehler ，美國(guó)） 。
3 。結(jié)果與討論
據(jù)組成的合金和研究[ 8,16 ] ，作為鑄態(tài)組織的綜合構(gòu)成對(duì)mg2si ， - Al和共晶Si階段。圖A和B顯示，作為典型的鑄態(tài)組織在復(fù)合mg2si/al
分別由正常的鑄造和冷卻斜槽鑄造。那個(gè)微觀結(jié)構(gòu)的綜合顯示，形態(tài)小的mg2si作為鑄態(tài)，正常的復(fù)合材料是樹(shù)突狀（如圖2A中箭頭表示），大小約 200納米。第一階段，在復(fù)合材料冷卻邊坡現(xiàn)澆更改樹(shù)突狀至球形與直徑約 10納米，顯然可以在圖2 B可以看出。 一個(gè)原因是由于增加在核襯底在熔融后鑄件冷卻邊坡;另一個(gè)原因是有關(guān)流動(dòng)熔體對(duì)邊坡。流動(dòng)熔體會(huì)造成部分片段的樹(shù)突由對(duì)流。
圖 2
Mg2Si/Al 復(fù)合材料鑄態(tài)的顯微組織[ 8 ]
圖 3 A – D所示為該復(fù)合材料分別等溫?zé)崽幚?0 ， 60 ， 180和 600分鐘的冷卻斜槽鑄造演化過(guò)程的半固態(tài)微觀結(jié)構(gòu)
圖3 復(fù)合材料mg2si/al冷卻斜槽鑄造不同的保溫時(shí)間的半固態(tài)微觀結(jié)構(gòu)（a） 30分鐘（b） 60分鐘 （c） 180 分鐘 （d） 600分鐘。
圖3 A表明，作為該鑄態(tài)粗mg2si樹(shù)突是支離破碎，轉(zhuǎn)變?yōu)橐徊灰?guī)則形狀，略圓，以及形態(tài)-鋁已成為平均粒徑為球狀，保溫時(shí)間增加至60分鐘，形態(tài)學(xué)研究mg2si粒子主要復(fù)合成為平均粒徑85納米橢圓形狀和球形。
在圖3 B所示，一些較小的Al晶粒是不完全溶解尚存在液體中如圖白色箭頭表明的那樣。圖3 C表明，與mg2si和鋁顆粒等溫處理 180分鐘的綜合微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)無(wú)明顯改變，不過(guò)，鋁顆粒平均粒徑增加111納米。有興趣地注意到在圖箭頭所表明的那樣一些出現(xiàn)表面上的大球形顆粒。該區(qū)域幸存下來(lái)的小固體顆粒數(shù)額增加，與60分鐘保溫時(shí)間比較看來(lái)液體分?jǐn)?shù)增加。不幸的是，液體分?jǐn)?shù)無(wú)法衡量在本研究中存活的小型固態(tài)粒子。普瓦里埃等人 [ 20 ]報(bào)道說(shuō)，鋁銅合金的液體體積分?jǐn)?shù)略有下降，在半固態(tài)等溫處理粗化時(shí)期。這一現(xiàn)象需要進(jìn)一步的研究。
圖 4該復(fù)合材料不同等溫時(shí)間鋁“小顆?！钡慕鹣囡@示。 （ a ）在180分鐘 （ b ） 600分鐘
圖4 A表明，該小柱狀形態(tài)和一些幸存不規(guī)則形狀固相標(biāo)注由圖4 A白箭頭所示。等溫處理時(shí)間高達(dá)600分鐘時(shí)，如圖所示小mg2si粒子和- Al晶粒形狀仍然是球形，。Al晶粒大小顯然增加平均粒徑149納米。此外，該金相存活的固體小顆粒明顯減少，表面上大- Al晶粒消失小顆粒出現(xiàn)。凝固的液體在處理樣品之前，淬火在水中，并且出現(xiàn)和消失，可能是由于淬火處理時(shí)間差異。從圖4B，這是清楚地表明，存活的固體顆粒形態(tài)沒(méi)有明顯變化..
更深入的了解的演變固體顆粒，晶粒的最后尺寸它決定了它的綜合力學(xué)性能[ 21 ] 。較早前[ 8] 進(jìn)行了研究， 從一個(gè)傳統(tǒng)的鑄造樹(shù)突狀結(jié)構(gòu)等溫控制形成一個(gè)半固態(tài)結(jié)構(gòu)。過(guò)渡期的固相從樹(shù)突狀成球形認(rèn)為是由于液體的滲透，即晶界是滲透液在半固態(tài)等溫控制，造成枝晶破碎，然后，支離破碎枝晶改變成球狀或橢球粒。
圖 5Al晶粒平均粒徑和保溫時(shí)間的關(guān)系。
圖 6Al晶粒形狀因子和保溫時(shí)間的關(guān)系。
鋁顆粒晶粒的尺寸和保溫時(shí)間之間的關(guān)系圖 5所示 。鋁顆粒大小隨持有時(shí)間粗化機(jī)制是聚結(jié)的粒子，即將各部分結(jié)合在一起形成的，形成新的大的顆粒[ 22 ] 。另一個(gè)奧斯特瓦爾德[ 22,23 ]成熟粗化機(jī)制 ，在其中規(guī)模較大的顆粒增長(zhǎng)和規(guī)模較小的顆粒熔。
利用圖像分析系統(tǒng)，有多少對(duì)象在選定的地區(qū)，以及以選定的對(duì)象可以衡量[ 2 ]周長(zhǎng)及面積 。一般情況下，形成一個(gè)對(duì)象的特點(diǎn)是形狀因子定義為[ 2 ] ：
那里的A0和p0分別代表該面積和周邊的物體[ 2 ] 。在圖 6表明 等溫處理改變形狀因子結(jié)果。這是表示形狀因子迅速增加，保溫時(shí)間從30至180分鐘然而F0 從0.51至0.69，一個(gè)更大的保溫時(shí)間結(jié)果不能相當(dāng)大的變化F0 ，這表明該F0 似乎達(dá)到最高值。據(jù)報(bào)道，固相顆粒趨于球形，但對(duì)于較長(zhǎng)的保溫時(shí)間，形狀顆粒的變化放緩甚至逆轉(zhuǎn)高的固體體積分?jǐn)?shù)[ 21 ] 。要隨時(shí)想到，高固體體積分?jǐn)?shù)也意味著高的連續(xù)性，這可以歸因于球形硬撞擊的固體顆粒，導(dǎo)致顆粒的形狀扭曲[ 21 ] 。在本研究中，微觀結(jié)構(gòu)的固相體積分?jǐn)?shù)是相對(duì)較低（ ≤ 0.6 ）根據(jù)結(jié)果的定量分析，因此，努力降低撞擊機(jī)會(huì)和增加時(shí)間，更高曲率部分的固體顆粒會(huì)被溶解，并導(dǎo)致增加F0 。最后過(guò)程中達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡后顆粒的形狀因子不會(huì)改變。
4 結(jié)論
復(fù)合材料mg2si/al冷卻斜槽鑄造和部分重熔過(guò)程的半固態(tài)結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：
(一) mg2si小形態(tài)階段不明顯改變保溫時(shí)間時(shí)是球形和/或橢圓形; （二）增加保溫時(shí)間從30至600分鐘，Al晶粒平均粒徑從50到150米增加，其形態(tài)變得更接近于球形; （三）鋁固體顆粒形狀因子保溫時(shí)間從30至60分鐘時(shí)迅速?gòu)?.51增至0.69。