原標題：擠壓鑄件不同部位和壁厚組織及溶質分布

摘要：研究了擠壓鑄造零件不同部位的微觀組織和Cu含量并討論了壁厚對試樣微觀組織和Cu含量的影響，利用光學顯微鏡和直讀光譜儀，觀察和測量了零件各部位微觀組織變化和溶質含量變化。結果表明，隨著試樣距內澆口道距離（158、201、245、284 mm）依次增大，試樣的晶粒變得粗大，晶粒尺寸由18.35μm變為39.85μm。Cu含量由表面的1.73%~1.77%增加到心部的1.81%~1.87%，硬度(HV)由表面的102.5~106減小到心部的96~99；壁厚越大（6、17、27.5 mm），心部的硬度值越小，最小值為96HV，晶粒變得粗大，晶粒尺寸為45.22 μm，心部銅含量增加；從試樣表面至心部，銅含量呈增加趨勢，由表面的1.73%~1.75變為心部的1.83%~1.85%，硬度呈減小趨勢。

擠壓鑄件具有優異的力學性能、更細的晶粒尺寸和更均勻的顯微組織。在擠壓鑄造過程中，固-液相區在擠壓力作用下，發生強制性的補縮，從而消除鑄件內部縮孔、縮松、氣孔之類鑄造缺陷，并且增加了金屬液的過冷度以及與模具接觸界面的傳熱系數，以獲得細小致密的鑄件組織，從而提高鑄件質量和力學性能。由于金屬液在充型過程中受到模具壁的激冷，在模具表面先凝固，形成一層薄的激冷層，在金屬液充型過程中，激冷層受到擠壓力的作用而產生塑性變形，導致從內澆口處開始，擠壓力逐漸減小，擠壓力的變化和零件不同部位壁厚的不同，導致零件不同部位組織和溶質含量的不同。目前關于擠壓鑄造工藝參數對零件的組織和溶質含量影響的研究報道很多，但關于同一零件上不同部位和壁厚對鑄件不同部位組織及溶質含量和性能的影響報道較少，因此研究擠壓鑄造承力件不同位置和壁厚的組織及溶質分布對擠壓鑄造件成分設計、性能評價，以充分發揮材料的潛能具有積極意義。

1、試驗材料及方法

選用ADC12鋁合金，將ADC12在KGPS160/500中頻感應爐里進行熔煉，熔煉溫度為750±20 ℃，在680±20 ℃下澆注，利用SCH-350擠壓鑄造機進行擠壓鑄造，用M5000直讀光譜儀測得其化學成分見表1。獲得擠壓鑄造零件見圖1。選擇部位1、部位2、部位3和部位4作為不同部位的組織和溶質含量的研究對象，其距內澆口的距離見表2。選擇壁厚為17 mm的部位2、壁厚為6 mm的部位5和壁厚為27.5 mm部位6作為壁厚對組織和溶質分布影響的研究對象。

圖1 制件及取樣部位示意圖

圖2 金相及成分試樣制備方法示意圖

表1 ADC12合金的化學成分wb/%

表2 取樣部位距內澆口距離

根據圖2，將試樣平行于表面剖切，在每個試樣上選5個區域，距試樣定模表面距離為r=0、0.25L、0.5L、0.75L、L，L為整個樣件的厚度，對試樣進行拋光和磨光，采用體積分數為1.5%HF腐蝕10 s，利用OLYMPUS-GX71-6230A金相顯微鏡觀察試樣的微觀組織，對其進行直讀光譜分析，測定各試樣由心部到表面Cu含量的分布，并繪制不同部位和不同壁厚的銅含量曲線圖，然后利用HVS-50維氏硬度計按測定各試樣由心部到表面的硬度變化，硬度取值為測定5點取均值法，并繪制不同部位和不同壁厚的硬度曲線。

2、試驗結果與分析

2.1 不同部位的微觀組織和Cu含量

2.1.1 不同部位的微觀組織

圖3為不同部位試樣心部的微觀組織。可以看出，其組織由白色的α-Al相，黑色的共晶Si相組成。隨著到內澆口距離增大，試樣的晶粒越粗大。金屬液在充滿型腔后在壓力作用下凝固，與模具先接觸部位先凝固，但壓力仍作用在鑄件上。與直接擠壓鑄造工藝不同，此時鑄件表面只發生微量塑性變形。由于先凝固組織阻礙了壓力的傳遞導致擠壓力的損失，即零件每個部位上的擠壓力大小不同，且隨著到內澆道距離的增大，擠壓力逐漸減小。由圖1可以看出，試樣1離澆口最近，所以作用在試樣1上的擠壓力最大，其次是試樣2，試樣3，試樣4，其晶粒大小的分布規律也是試樣1最細小，由小到大依次是試樣2，試樣3，試樣4，晶粒尺寸由試樣1的18.35 μm增大為試樣4的39.85 μm。
對各點模具溫度采用紅外溫度測溫儀測量，其結果見表3。結果表明，各點溫度基本一致，因此可以假設金屬液在同一外界條件下凝固。

表3 各取樣位置模具溫度

研究表明，改變合金上的擠壓力，將引起其平衡結晶溫度的變化，并且有如下關系式：

可以近似的寫成

式中，P為擠壓力；V_S、V_L為單位質量液相和固相的體積；T_f為P=1.1MPa時的平衡溫度。

ADC12合金凝固時體積收縮，也就是V_S-V_L<0，由式（2）可知，當距離內澆口距離減小時，擠壓力隨之增大，使合金的平衡溫度升高。在擠壓鑄造下，由于擠壓力的作用，使合金的液相線溫度升高，增加了合金的過冷度。

金屬液凝固時的臨界晶核半徑r_k和臨界形核功為：

式中，L_m為熔化潛熱； 為密度； 為表面張力； 為過冷度。

由式（3）和式（4）可知，提高過冷度可以減小臨界晶核半徑和臨界形核功，從而引起結晶核心數量的增加，結晶核心數目越多，則晶粒越細小。

圖3 不同部位的微觀組織

2.1.2 不同部位Cu含量

圖4是不同部位試樣由表面到心部的Cu含量變化曲線。可以看出，從鑄件表面到心部，Cu含量呈增加趨勢,由表面的1.73%~1.77%增加到心部的1.81%~1.87%。這是因為ADC12合金為近共晶型合金，其結晶溫度范圍窄，凝固平衡分配系數k0<1，凝固方式表現為層狀凝固特征，在擠壓鑄造過程中，金屬液由外到內凝固結晶形成枝晶骨架，Al₂Cu相凝固點低于共晶相和α相的凝固點，鑄件外側先凝固的固相區在擠壓力的作用下發生微量塑性變形，Al₂Cu相由枝晶間的金屬液沿著枝晶通道被強行擠向鑄件內側。

胡漢起等研究表明，鑄件表皮枝晶內溶質分布的公式為：

式中， ，  為合金的凝固收縮率；u為凝固速度；V為金屬液流動速度； 為冷卻速度；T為溫度梯度。

因此對于某個區域內的溶質平均濃度可以表示為：

簡化式（6）為：

在某一局部區域內，根據加權公式有：

式中， 是固態質量分數； 為液態質量分數，根據式（8）可以求出固態周圍液相中溶質元素的含量為：

由式（5）可以看出區域內溶質元素的含量是由 決定的， ADC12鋁合金的平衡凝固系數k₀<1，因此隨著q值增大，C—_S隨之減小。模具表面溫度低，導致冷卻速度增大，從而q增大，C—_S也減小。由式（7）可以看出，C—_S減小，C—_L增大，也就是液相中溶質含量比固相中高，所以沿著枝晶通道被擠向心部的金屬液溶質含量高，從而導致心部銅含量高，表面銅含量低。

圖4 由表面到心部銅含量

圖4為ADC鋁合金擠壓件由表及里的Cu含量。可以看出，試樣1到試樣4隨著距內澆口距離的增大，心部銅含量逐漸減小由1.87%將至1.81%。在零件充型凝固過程中，由于金屬液由外向內凝固結晶形成枝晶骨架，鑄件外側先凝固的固相區在擠壓力的作用下發生塑性變形，這樣導致在充型的過程中擠壓力有損失，即零件每個部位上的擠壓力大小不同，且隨著到內澆口距離的增大，擠壓力逐漸減小。根據Darcy定律，枝晶間液體金屬的流動速度V與壓力梯度呈線性關系，關系式為：

式中,K為滲透系數，K=Vf_L²，它取決于枝晶間隙大小, 其中V為與枝晶間隙和結構有關的常數；f_L為液相的體積百分數;Z為液相的粘度系數；P為三維空間中的壓力梯度;g為重力加速度，d_L為液體的密度。

當考慮到一維流動及液體的均質性，式(10)變為：

顯然金屬流動速度和動力粘度系數、液相體積分數和壓力梯度有關，在擠壓鑄造過程中擠壓力P遠大于凝固收縮造成的負壓，由式（11）可以看出，外加壓力愈大, 則枝晶間液體流動速度加快，鑄件心部Cu的含量增大。

2.1.3 不同部位的硬度值

圖5為不同部位試樣由表面到心部硬度的變化曲線。可以看出，從試樣表面到心部，硬度值呈減小的趨勢。硬度(HV)由表面的102.5~106變為心部的96~99。由于鑄件表面與模具壁接觸，冷卻速度增大，結晶完成所需要的時間短，溶質再分配起到的作用很小，提高了合金的硬度，而心部形成的樹枝晶較為粗大，所以心部位置硬度相對較低。

圖5試樣不同位置的硬度值

從圖5可以看出,試樣1到試樣4隨著到內澆道距離的增加，硬度值呈下降趨勢。由于到內澆道距離增大，擠壓力減小，金屬液的過冷度也減小，從而導致金屬液的冷卻速度減小，在金屬液凝固的過程中心部形成的縮松缺陷增多，所以合金的心部硬度減小。

2.2 壁厚對組織和Cu含量的影響

2.2.1 壁厚對微觀組織的影響

圖6是不同壁厚試樣的心部顯微組織。可以看出，試樣5的晶粒最細小，厚壁試樣6的晶粒比較粗大，經測算得出，隨著壁厚增加，晶粒尺寸分別為18.25 μm、27.38 μm和45.22 μm。試樣2、試樣5和試樣6離澆道的距離都為201 mm，所以在充型過程中，到達這3個位置的擠壓力相同，壁厚依次是27.5 mm（試樣6）、17 mm（試樣2）、6 mm（試樣5），壁薄的試樣所含的金屬液少，在凝固過程中冷卻速度快，導致過冷度增大，根據式（3）和式（4）的分析，提高過冷度可以減小臨界晶核半徑和臨界形核功，從而引起結晶核心數量的增加，結晶核心數目越多，則晶粒越細小，所以試樣5的晶粒最細小。

圖6 不同壁厚試樣顯微組織

2.2.2 壁厚對Cu含量的影響

圖7為不同壁厚試樣表面到心部位置銅的含量。可以看出，從試樣表面到心部，銅含量呈增加趨勢，由表面的1.73%~1.75變為心部的1.83%~1.85%，試樣1、試樣5和試樣6的心部銅含量分別為1.85%、1.84%和1.83%。由式（9）可知，金屬液中溶質含量高，在擠壓力的作用下，這些富Cu的金屬液被強行擠到試樣心部，導致心部Cu含量比兩側高。

圖7 不同壁厚試樣不同位置Cu含量

由圖7可以看出，隨著壁厚增加，試樣的心部銅含量也隨之增加。壁厚的大小決定著合金液的冷卻速度，壁薄的試樣冷卻速度快，根據滲透系數關系可知，冷卻速度快，枝晶間隙就小，滲透系數也就小，金屬液的流動速度也就小，從而富Cu金屬液流到心部的也就少，所以壁厚的試樣心部含銅量高。

2.2.3 壁厚對試樣硬度的影響

圖8為試樣不同位置的硬度變化。可以看出，從試樣表面到心部，硬度值(HV)減小，由表面的103.75~106降至心部的97~100.5。這是因為ADC12為層狀凝固特征，由于鑄件表面與模具壁接觸，冷卻速度增大，結晶完成所需要的時間短，形成的縮松縮孔很少，而心部最后凝固，很容易形成縮松等缺陷，降低了合金心部的硬度。

圖8 試樣不同位置的硬度

由圖8可以看出，隨著壁厚增加，試樣的硬度降低，其中試樣6硬度最低,為97HV。這是因為試樣壁薄，金屬液的冷卻速度快，其固液界面前方合金液中的溫度梯度較大，ADC12合金在相圖上液相線和固相線間隔較小, 導致其凝固方式為層狀凝固特征，在凝固過程中，鑄件斷面上的凝固區域很窄，靠近凝固前沿的液體溫度低，首先在其上凝固。已凝固的晶體中的溶質摩爾分數比平均含量低，多余的溶質原子被排斥在周圍的液體中，使這部分液體的凝固點降低，晶體生長暫時停止。液體的溫度降低，靠近固體的液態金屬又在前沿上結晶，凝固繼續進行。凝固區域越窄，發展為柱狀晶的趨勢越大。層狀凝固時其凝固前沿直接與液態金屬接觸，當液體凝固成為固體而發生體積收縮時，可以不斷得到液體的補充，所以產生分散性縮孔的傾向小，壁薄的試樣硬度值高。

3、結論

（1）在本試驗條件下，擠壓力隨距內澆口距離的增大而減小，過冷度減小，晶粒粗大，晶粒尺寸由近澆道位置的18.35 μm變為遠澆道位置的39.85 μm。

（2）隨著到內澆道距離增大，擠壓力減小，試樣心部的銅含量減小，由表面的1.73%~1.77%變化為心部的1.81%~1.87%，試樣心部的硬度值減小。

（3）由于Al2Cu相通道偏析的作用，隨著距試樣表面距離增大，試樣的銅含量增大，而硬度值減小。試樣4心部最大Cu含量為1.87%，硬度(HV)為96。

（4）隨著壁厚增大，試樣冷卻速度減小，試樣晶粒尺寸由18.25 μm變為45.22 μm，心部銅含量隨之增大，而心部硬度值隨著減小，其中試樣6的最低，硬度值為97HV。

作者：

張永冰 吉澤升 汪勝 胡茂良 姜博
哈爾濱理工大學材料科學與工程學院

宋偉生
哈爾濱吉星機械工程有限公司

本文來自:《特種鑄造及有色合金》雜志2021年第41卷第06期