原標(biāo)題：半固態(tài)改性6061鋁合金流變壓鑄試樣組織及力學(xué)性能

6061鋁合金具有中等強(qiáng)度、良好的機(jī)加工性能以及可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化和陽極氧化等特點，廣泛應(yīng)用于交通運輸、建筑裝飾和航空航天等領(lǐng)域。從實際生產(chǎn)來看，采用6061鋁合金棒坯或板坯在制造許多復(fù)雜薄壁零件時，常常需要進(jìn)行大量的機(jī)加工，材料的利用率很低，生產(chǎn)成本較高。采用傳統(tǒng)鑄造工藝鑄造6061鋁合金復(fù)雜薄壁零件毛坯，再進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋C(jī)加工，可以顯著降低生產(chǎn)成本，提高材料的利用率。但是，傳統(tǒng)鑄造工藝鑄造6061鋁合金復(fù)雜薄壁零件毛坯時存在嚴(yán)重的熱裂傾向，鑄件的合格率很低。

半固態(tài)金屬成形技術(shù)結(jié)合了固態(tài)金屬成形和液態(tài)金屬成形的優(yōu)勢，其成形壓力小、凝固收縮小，可以減輕鑄件的熱裂傾向，提高鑄件的組織和性能，實現(xiàn)零部件的近凈成形。此外，增加6061鋁合金中的Si含量（稱為改性6061鋁合金）有可能提升合金的流動性和充型能力，并降低鑄件的熱裂傾向。因此，可采用半固態(tài)金屬成形技術(shù)結(jié)合提高Si含量的方法來降低6061鋁合金鑄件的熱裂傾向。制備具有均勻細(xì)小和近球形固相晶粒的半固態(tài)漿料是半固態(tài)金屬成形技術(shù)的關(guān)鍵。多年來，國內(nèi)外研究者相繼開發(fā)出多種半固態(tài)漿料的制備方法，并開展半固態(tài)漿料的流變壓鑄研究。有研究者采用超聲波振動法制備了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的Fe的過共晶Al-Si合金漿料并進(jìn)行流變壓鑄成形，發(fā)現(xiàn)采用超聲振動法制備的半固態(tài)Al-Si合金漿料組織中的δ-Al4（Fe，Mn）Si2相得到顯著細(xì)化。提出了一種用于鋁和鎂合金半固態(tài)漿料制備的強(qiáng)制對流攪拌工藝，并結(jié)合高壓壓鑄設(shè)備開發(fā)了新的流變高壓壓鑄工藝。采用傾斜板振動冷卻法制備多種Al-Si合金漿料，并取得了良好的細(xì)化晶粒的效果。采用自孕育法制備6061鋁合金半固態(tài)漿料并進(jìn)行流變壓鑄研究，制備出具有球狀初生α-Al晶粒的流變壓鑄件。

還有研究者開展了蛇行通道澆注工藝制備6061鋁合金漿料的研究，分析了澆注工藝參數(shù)對6061鋁合金漿料制備的影響，為本研究工作提供了有力的技術(shù)支撐。但是，目前半固態(tài)改性6061鋁合金漿料的蛇形通道制備和流變壓鑄的研究尚無報道，因此本研究對石墨質(zhì)蛇形通道制備半固態(tài)改性6061鋁合金漿料進(jìn)行流變壓鑄成形，對比分析傳統(tǒng)液態(tài)壓鑄和流變壓鑄6061鋁合金試樣的組織，研究Si含量對半固態(tài)改性6061鋁合金流變壓鑄試樣組織及力學(xué)性能的影響，旨在為其應(yīng)用提供參考。

圖文結(jié)果

選用商用6061鋁合金、Al-28Si合金作為原材料，兩種合金的化學(xué)成分見表1。采用NETZSCHSTA409C/CD型差式掃描量熱儀對6061鋁合金進(jìn)行熱分析（Differential Scanning Calorimetry， DSC），測得6061鋁合金的固相線和液相線溫度分別為597℃和646℃，固-液溫度區(qū)間為49℃，見圖1。

表1 原材料的化學(xué)成分(%)

圖1 6061鋁合金的DSC曲線

(a)裝置示意圖        (b)合金液       (c)蛇形通道

圖2 蛇形通道制備半固態(tài)漿料示意圖
1.井式電阻爐 2. 石墨坩堝 3. 合金熔體4. Ni-Cr/Ni-Si型熱電偶 5. 石墨質(zhì)蛇形通道
6. 半固態(tài)漿料 7. RFM-復(fù)合陶瓷質(zhì)保溫澆勺

具體半固態(tài)流變壓鑄工藝過程為：首先，根據(jù)試驗設(shè)定的合金成分進(jìn)行配料，然后將鋁合金鑄錠放入井式電阻爐中進(jìn)行熔煉，熔煉溫度為800℃；待其完全熔化后，采用石墨管向熔體中通入氬氣進(jìn)行精煉10min；隨后取出石墨坩堝靜置冷卻，同時對合金熔體表面進(jìn)行扒渣和除雜；采用Ni-Cr/Ni-Si型熱電偶測量合金熔體的溫度，待合金熔體溫度冷卻至690℃時，立即將合金熔體倒入石墨質(zhì)蛇形通道內(nèi)，合金熔體流經(jīng)蛇形通道后形成半固態(tài)漿料。采用預(yù)熱至350℃的RFM-復(fù)合陶瓷質(zhì)保溫澆勺在蛇行通道出口處收集漿料，隨后立即將半固態(tài)漿料倒入YYC180B型壓鑄機(jī)的壓室內(nèi)，并迅速完成壓鑄充型過程。其中，半固態(tài)流變壓鑄工藝參數(shù)：壓射比壓為90MPa，壓射速度為0.5m/s，壓室和壓型預(yù)熱溫度為200℃。待保壓完成后，可以獲得帶有4根標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣的壓鑄件，見圖2。

圖3 半固態(tài)流變壓鑄拉伸試樣實物圖及其尺寸

                      (a)邊部組織                    (b)心部組織
                       圖4 傳統(tǒng)液態(tài)壓鑄6061鋁合金試樣組織

                               (a)邊部組織                    (b)心部組織

                            圖5 半固態(tài)改性6061鋁合金流變壓鑄試樣組織

可以看出，試樣邊部組織中初生α-Al晶粒主要為細(xì)小的等軸晶，而心部組織中初生α-Al晶粒主要為粗大的樹枝晶，二次初生α2-Al晶粒主要為細(xì)小的等軸晶，晶界處分布著網(wǎng)狀的共晶組織。流變壓鑄試樣邊部組織主要為大量細(xì)小球狀的二次α2-Al晶粒，而心部組織中初生α-Al晶粒主要為球狀晶或薔薇狀晶，初生α-Al晶粒的平均晶粒直徑和形狀因子分別為58μm和0.68，二次α2-Al晶粒和晶界處共晶組織增多。與傳統(tǒng)液態(tài)壓鑄的6061鋁合金試樣的心部組織相比較，半固態(tài)改性6061鋁合金流變壓鑄試樣的心部組織中初生α-Al晶粒由粗大的樹枝晶演變?yōu)榍驙罹Щ蛩N薇狀晶且平均晶粒直徑較小，二次初生α2-Al晶粒和晶界處非平衡共晶組織增多。這表明采用蛇行通道澆注復(fù)合流變壓鑄工藝能夠顯著改善6061鋁合金的組織形貌，使初生α-Al晶粒變得細(xì)小、圓整。

(a)0.6%Si (b)1.0%Si (c)1.4%Si (d)1.8%Si (e)2.2%Si (f)2.6%Si
圖6 不同Si含量的半固態(tài)改性6061鋁合金流變壓鑄試樣的邊部組織

(a)0.6%Si (b)1.0%Si (c)1.4%Si (d)1.8%Si (e)2.2%Si (f)2.6%Si
圖7 不同Si含量的半固態(tài)壓鑄6061鋁合金流變壓鑄試樣心部的顯微組織

表2 不同Si含量的半固態(tài)改性6061鋁合金的力學(xué)性能

                           (a)0.6%Si                                        (b)1.8%Si                              (c)2.6%Si
                      圖8 不同Si含量的半固態(tài)改性6061鋁合金流變壓鑄試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線

結(jié)論

（1）采用蛇行通道澆注復(fù)合流變壓鑄工藝可以有效改善6061鋁合金的鑄態(tài)組織，初生α-Al晶粒由粗大的樹枝晶演變?yōu)榧?xì)小、圓整的球狀晶或近球狀晶。

（2）增加Si含量可以顯著細(xì)化半固態(tài)改性6061鋁合金流變壓鑄試樣組織。隨著Si含量增加，流變壓鑄試樣組織中初生α-Al的平均晶粒直徑逐漸減小，當(dāng)Si含量由0.6%增加至2.6%時，邊部組織中的初生α-Al晶粒的平均晶粒直徑由52μm逐漸減小至32μm；心部組織中的初生α-Al晶粒的平均晶粒直徑由64μm逐漸減小至34μm。

（3）在相同Si含量下，半固態(tài)改性6061鋁合金流變壓鑄試樣比傳統(tǒng)液態(tài)壓鑄試樣表現(xiàn)出更好的力學(xué)性能。當(dāng)Si含量由0.6%增加至2.6%時，半固態(tài)改性6061鋁合金流變壓鑄試樣的鑄態(tài)抗拉強(qiáng)度由（107±4）MPa逐漸增加至（209±14）MPa，鑄態(tài)伸長率由2.2%±0.3%逐漸增加至5.5%±0.5%。

作者
張榮晟 毛衛(wèi)民 李乃擁
北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院
本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志，《壓鑄周刊》戰(zhàn)略合作伙伴