固溶处理对快速凝固过共晶铝硅合金组织性能的影响

1、固溶处理对快速凝固过共晶铝硅合金组织性能的影响王爱琴1,2谢敬佩1,2王文焱1,2李继文1,2李洛利1,2(1.河南科技大学材料科学与工程学院;2.河南省有色金属材料科学与加工技术重点实验室摘要利用单辊旋转甩带法制备快速凝固铝硅合金薄带,并对其进行固溶处理,研究了不同固溶热处理工艺对合金组织和性能的影响。结果表明,快速凝固使Si相的形核和析出受到抑制,相领先析出;与铸态组织相比,过共晶成分的铝硅合金经快速凝固后得到微纳米级亚共晶组织,且在随后的固溶处理过程中,随着保温时间的延长,Si元素从基体中脱溶析出并逐渐聚集长大,形成细小的Si颗粒均匀分布于基体之上。在480下保温100min并水淬,经自

2、然时效96h后,Si相颗粒细小且圆整度高,合金硬度(HV达到最高值241.67。关键词快速凝固;过共晶铝硅合金;微观组织;显微硬度;固溶处理中图分类号T G146.2+1;T G113.1文献标志码A文章编号1001-2249(200903-0219-03过共晶铝硅合金被广泛应用于航空、航天、汽车、机械等行业的高精密耐磨件1。Si是该类合金组织中的第二相,其形状和分布与合金的力学性能密切相关。快速凝固可以细化合金组织并能获得微纳米晶组织,高的冷却速度,使基体及Si相俘获大量合金元素形成过饱和固溶体,并引起它们晶格发生严重畸变,使合金系统处于高能不稳定状态,在外场作用下可能发生过固溶元素的脱溶以

3、及沉淀相析出,使合金的性能发生变化25。因此,本课题以快速凝固过共晶铝硅合金为研究对象,对其固溶处理后的组织形态、性能进行研究,探讨热处理对快速凝固铝硅合金组织形态及性能的影响。收稿日期:2008208226;修改稿收到日期:2008210220基金项目:河南省国际科技合作项目(084300510006;河南科技大学博士科研启动基金资助项目(2008zy053第一作者简介:王爱琴,女,1964年出生,教授,河南科技大学材料科学与工程学院,河南洛阳(471003,电话:139*,E-mail:aiqin_wang888 3结论(1AZ31镁合金铸轧板和常规轧制板在低温变形过程中发生局部流变失稳,

4、变形后的组织主要包括被拉长和破碎的晶粒以及孪晶。随着变形温度升高,AZ31镁合金发生动态再结晶。当变形温度达到400时,在低应变速率变形条件下,AZ31镁合金板的三叉晶界处产生空洞。(2高温低应变速率条件下,A Z31镁合金的主要变形机制是晶界滑移。相同变形条件下,铸轧板的晶界滑移比常规轧制板明显,铸轧板的空洞尺寸、体积分数和密度均较大。(3AZ31镁合金在低应变速率条件下拉伸变形后的动态再结晶晶粒尺寸在变形温度为200时最小,之后随着温度的升高晶粒尺寸不断增加。在高温条件下,动态再结晶晶粒尺寸随着应变速率的增加而减小。不同变形条件下铸轧板的动态再结晶晶粒尺寸均小于常规轧制板。动态再结晶晶粒尺

5、寸和参数Z呈幂律关系,幂律指数为0.090.11。参考文献1FA TEMI2VARZAN EH S M,ZAREI2HANZA KI A,BELADI H.Dynamic recrystallization in AZ31magnesium alloyJ.MaterialsScience and Engineering,2007,A456:52257.2刘志民,邢书明,鲍培玮,等.AZ31B镁合金铸轧板温热拉伸流变行为研究J.特种铸造及有色合金,2008(年会专刊:2232225. 3刘宇,刘天模,肖盼.AZ31镁合金冷压缩变形再结晶的研究J.材料导报,2007,A21(5:3702371.4

6、陈维平,詹美燕,陈宛德,等.变形镁合金的塑性加工技术研究及展望J.特种铸造及有色合金,2007,27(1:40242.5张先宏,崔振山,阮雪榆.镁合金塑性成形技术2AZ31B成形性能及流变应力J.上海交通大学学报,2003,37(12:187421877. 6KL IMAN E K P,PO TZSCH A.Microstructure evolution undercompressive plastic deformation of magnesium at different temper2 atures and strain ratesJ.Materials Science and En

7、gineering,2002,A324:1452150.7范永革,汪凌云,黄光胜,等.变形镁合金高温变形流变应力分析J.重庆大学学报,2003,26(2:9211.8MICHA EL M A,BA KER H.ASM Specialty Handbook:Magnesi2um and Magnesium AlloysM.Ohio:ASM International Materi2 als Park,1999.9刘晓霏,严巍,陈国学.AZ31B镁合金塑性变形动态再结晶的试验研究J.塑性工程学报,2005,12(3:10212.10SRINIVASN N,PRASAD Y V R K,RAMA R

8、AO P.Hot de2formation behavior of Mg23Al alloy2a st udy using processing mapJ.Materials Science and Engineering,2008,A476:1462156.11LAN GDON G.Grain boundary sliding revisited:development s insliding over four decadesJ.Journal of Materials Science,2006, 41:5972609.(编辑:袁振国912实用研究特种铸造及有色合金2009年第29卷第3期

9、 1试验方法试验合金的化学成分(质量分数,下同为:21%的Si 、1.5%的Cu 、0.5%的Mn 、0.8%的Mg 、0.2%的Ti ,余量为Al ,采用金属型铸造Al 221Si 多元合金,采用单辊旋转淬冷法制备快速凝固铝硅合金条带,辊轮转速为1600r/min ,氩气压力为0.04M Pa ,所得薄带厚度为18m ,宽度为10mm ,其冷却速度约为4.36×106/s 。沿用过共晶铝硅合金的热处理工艺,固溶后水淬并自然时效96h ,但由于快速凝固铝硅合金凝固后的组织是亚共晶组织,所以固溶温度应适当降低,具体工艺为320×40min 、400×40min 、4

10、80×(20、40、60、100、150、250min 。采用金相显微镜、扫描电镜、透射电镜对微观组织形貌进行分析,在M H 23型硬度计上测量合金的显微硬度,载荷为25N 。2试验结果及分析2.1试验合金快速凝固后的组织特征铸态下多元过共晶铝硅合金变质处理后的组织为共晶基体上分布着尺寸为2050m 的多角形块状初晶Si ,共晶Si 呈纤维状或短杆状,同时还有少量的金属间化合物。快速凝固后合金组织细化,而且组织形态和相结构也发生了变化,图1是试验合金快速凝固后的组织形貌。由图1可以看出,其组织特征为基体组织上分布着细小雪花状等轴枝晶,其主要生长方向上的长度小于1m ,晶粒间充满大量的

11、灰色晶间物。经TEM 分析及衍射斑点标定表明(见图2,雪花状组织为Si 过固溶于2Al 形成的固溶体,灰色的基体组织为相+Si 共晶体,共晶Si 的电子衍射斑点呈多晶衍射环,表现为超细微的羽毛针列状,快速凝固后过共晶成分的铝硅合金形成了细微的亚共晶组织 。图1 快速凝固合金的光学显微组织(a TEM 组织(b 对应于A 点的TEM 衍射花样(c 衍射花样标定图2合金快速凝固后的TEM 组织形貌2.2快速凝固铝硅合金固溶处理后的组织图3为快速凝固合金不同温度下固溶40min 时的组织形貌,可以看出,在320下保温40min 时,合金的组织基本没有变化,仍然可见大量的初生相;400下保温40min

12、 时,合金基体中固溶的Si 已经开始沉淀析出,但是析出的Si 颗粒非常少且细小,组织变化不明显;温度升至480时,Si 颗粒大量均匀析出,初生相已完全溶解,枝晶特征消失。因此,研究固溶处理对快速凝固铝硅合金组织和性能影响时,固溶温度定在480。(a 320(b 400(c 480图3合金在不同温度下保温40min 后的显微组织22特种铸造及有色合金2009年第29卷第3期图4为在480下保温不同时间的快速凝固试验合金的组织,可以看出,随着保温时间延长,从基体中析出的Si 颗粒的数量和形态在逐渐发生着变化,虽然保温40min 时,合金基体中固溶的Si 已经大量沉淀析出,初生2Al 已完全溶解,但

13、是析出的Si 颗粒形态多为不规则的带有棱角的颗粒状。固溶60100min 并(a 20min (b 40min (c 60min (d 100min (e 150min (f 250min图4试验合金在480保温不同时间的微观组织时效后,沉淀析出的Si 颗粒虽有轻微的长大,而其Si颗粒尺寸仍小于3m ,且颗粒圆整度明显提高(见图4c 、图4d 。保温150min 后析出相Si 颗粒出现了较为严重的长大现象,且析出相颗粒出现尖角,在250min 固溶时间下,析出相颗粒粗化和棱角严重恶化。2.3试验合金的硬度图5为试验合金在不同固溶温度下的硬度。图5表明,合金的硬度随温度的升高而降低。这是由于单辊

14、甩带快速凝固使合金具有高达106/s 以上的冷却速度,Si 元素在2Al 中的溶解度高达10%以上,Al 元素在Si 相中的溶解度达到7%以上,快凝后的合金中2Al 和Si 相均处于严重的过饱和状态,相应的晶格畸变也相当严重,晶格点阵上的原子具有较高的势能。当外部施加能量时这些原子可能被激活移向其他位置,多个溶质原子被激活后可能发生偏聚,随着固溶时间的延长,溶质和溶剂原子不断相互迁移,溶质原子越来越聚集,如同发生形核和长大。同时,固溶处理时,加热促使溶质原子扩散迁移,一部分迁移到固溶体以外发生脱溶,另一部分迁移到固溶体的低能位置6,7。故合金加热后基体中过饱和固溶原子在热激活作用下脱溶析出,减

15、弱过饱和固溶原子对基体的固溶强化作用,使基体的硬度略有降低。图6是快速凝固铝硅合金在480 固溶处理时硬图5不同温度保温40m in 固 溶处理后合金的硬度图6480固溶处理后合金的硬度度随时间的变化曲线。由图6可以看出,保温初期合金硬度呈缓慢上升趋势,保温100min 后硬度(HV 达到峰值241.67,继续保温,硬度开始降低。这是由于合金在保温时,析出相弥散分布且非常细小,因此硬度随析出相数量增加而升高;随着固溶时间进一步延长,虽然有弥散相不断析出,但固溶强化作用的不断削弱,使合金硬度有所下降,但由于弥散相长大速度很慢,至60min 后,由于Si 相的析出,使得合金硬度升高,到100min

16、 后,硬度达到峰值。随后继续加热,由于Si 颗粒过于粗大,出现多角化,并且分布不均匀,导致合金的硬度降低,不同固溶处理工艺下合金硬度变化规律同组织中析出相形态变化规律一致。3结论(1与传统铸态组织相比,快速凝固使Al 221Si 20.8Mg 21.5Cu 20.5Mn 20.2Ti 合金的组织发生了极大的变化,快速凝固过共晶铝硅合金形成了微纳米级的亚共晶组织。(2快速凝固过共晶铝硅合金固溶处理时,Si 原子从2Al 固溶体中脱溶析出,形成微细颗粒状的Si 相,过固溶合金的微观组织特征为:Si 相不断聚集和粗化,并出现尖角形态。(3合金的硬度峰固溶热处理工艺为:480固溶100min 、水淬后

17、自然时效96h ,硬度(HV 达241.67。参考文献1谢壮德,沈平,董寅生,等.快速凝固铝硅合金材料及其在汽车中的应用J .材料科学与工程,1999,17(4:1012104.2王倩,李青春,常国威.快速凝固技术的发展现状与展望J .辽宁工学院学报,2003,23(5:41244.3沈宁福,汤亚力,关绍康,等.凝固理论进展与快速凝固J .金属学报,1996,32(7:673.4沈军,孙剑飞,谢壮德,等.快速凝固高硅铝合金粉末显微组织及时效特性J .特种铸造及有色合金,2001(4:123.5袁晓光,任露泉,张锦峰,等.时效处理微晶(2024Al 220Si 25Fe 合金的组织及性能J .金

18、属学报,1999,35(5:4832486.6陈光,傅恒志.非平衡凝固新型金属材料M.北京:科学出版社,2004.7袁晓光,黄瀛,崔成松,等.时效处理对铝硅系合金超细粉末微观组织的影响J .哈尔滨理工大学学报,2001,6(5:1122116.(编辑:栗万仲122固溶处理对快速凝固过共晶铝硅合金组织性能的影响王爱琴等thermal T ensile T esting,MicrostructureInfluence of Solution T reatment on Microstructure and Properties of R apidly Solidif ied H ypereutec

19、tic Al2Si Al2 loys Wa ng Aiqin1,2,X ie J ingp ei1,2,Wa ng Wenya n1,2, Li J iwen1,2,Li Luoli1,2(1.School of Materials Science and Engineering,Henan U niversity of Science and Technology,L uoyang,China;2.Henan Key Labora2 tory of Advanced Non2ferrous Metals,L uoyang,Chi2 na2009,29(302190221Abstract:Ef

20、fect s of different solution p rocesses on mi2 cro st ruct ure and p roperties of rapidly solidified hyper2 eutectic Al2Si alloy st rip s,which were p repared by single roller melt2spinning met hod,were investigated by scanning elect ron microscope(SEMand transmis2 sion elect ron micro scope(TEM.The

21、 result s indicate t hat compared wit h as2cast microst ruct ure,micro2 nanocrystal hypoeutectic p hase in rapidly solidified hy2 pereutectic Al2Si alloy can be o bserved and2Al p hase is p rior to p recipitate from t he Al2Si alloy,which is att ributed to rapid solidification rest raining t he nucl

22、ea2 tion and p recipitation of Si p hase in t he alloy.Furt her2 more,in t he p rocess of solution t reat ment,Si element can be p recipitated from t he mat rix and gradually ag2 gregated to generate fine silicon particle,which was u2 niformly dist ributed into t he mat rix,wit h extending holding t

23、ime.Desirable fine silicon particle wit h high sp heroidization rate can be observed in t he alloy wit h holding for100min at480followed by quenching in water and nat ural aging for96h,which makes maxi2 mum hardness of HV241.67for t he alloy.K ey Words:R apid Solidif ication,H ypereutectic Al2Si All

24、oy,Microstructure,Micro2hardness,Solution T reat2 mentSolidif ication B ehavior and As2cast Microstructure of Permanent Mould C asting Mg210Z n22Al alloy Li Zho ng2 sheng1,2,Pa n Fusheng2,Wu Hulin1,Zha ng J ing2(1. No.59Instit ute of China Ordnance Indust ry, Chongqing,China; 2.Materials Science and

25、 Engi2 neering,Chongqing U niversity,Chongqing,China 2009,29(302220224Abstract:Solidification behavior and as2cast micro2 struct ure of permanent mould casting Mg210Zn22Al al2 loy were investigated by optical micro scope(OM, scanning elect ron micro scope(SEM,X2ray diff raction (XRDand differential

26、scanning calorimet ry(DSC. Meanwhile,p hase t ransformation during solidification p rocess was app roached wit h t he help of DSC analysis and Mg2Zn2Al ternary liquidus p rojection p hase dia2 gram.The result s indicate t hat as2cast micro struct ure of t he alloy is compo sed of p rimary2Mg p hase,

27、Mg32 (Al,Zn49and MgZn p hase,in which co ntinuous or semi2co ntinuous skeleton Mg32(Al,Zn49p hase is uni2 formly dist ributed in interdendrite and along grain boundaries.The liquidus temperat ure and solidus tem2 perat ure are609.4and300.0,respectively,which makes a wide solidification range of app

28、roxi2 mately309.4.In addition,t he second p hase t rans2 formation start s at332.2and ends at300.0.K ey Words:Magnesium Alloy,Mg210Z n22Al Alloy, Solidif ication B ehavior,MicrostructurePreparation of Foamed Magnesium by Direct Molten Foaming Process Zho u Qua n,Chen Leping(School of Materials Scien

29、ce and Engineering,Nanchang Hangkong University,Nanchang,China2009,29(3 02240226Abstract:Foamed magnesium was prepared wit h ZM5 alloy as matrix alloy and SiC as viscosity2increasing a2 gent as wellas MgCO3as foaming agent by direct mol2 ten foaming process.It is found t hat foamed magnesi2 um wit h

30、 low density and high poro sity rate can be suc2 cessf ully p repared.Wit h increasing in MgCO3or SiC content,density of t he foamed magnesium is de2 creased.However,it is slightly increased wit h Mg2 CO3content more t han1.5%or SiC content more t han 15%.Variation of average porous rate in foamed m

31、ag2 nesium is oppo site to t hat of densitys.K ey Words:Foamed Magnesium,Direct Molten Foa2 ming Process,MgCO3F abrication and Mechanism of Non2dendrite Structure in Semi2solid Z L101Alloy by Controlled Pouring T empera2 ture Xu Kai1,Liu Huiping2,Wa ng X i aoping1,Y ua n Ba ngyi1,Zha ng Shuqua n1(1.

32、Depart ment of Mechan2 ical Engineering,Anhui Technical College of Mechani2 cal and Elect rical Engineering,Wuhu,China;2.Cen2 ter of Materials Testing and Analysis,Jiangxi Univer2 sity of Science and Technology,Ganzhou,China 2009,29(302270229Abstract:Effect s of pouring temperat ure on non2den2 drite st ruct ure in