技术：电磁搅拌对过共晶Al-Si-Cu-Mg合金半固态成形的影响

冀恩龙，罗惠馨，孔昭阳，于宝义，郑黎，李润霞

(沈阳工业大学 材料科学与工程学院，辽宁沈阳110870)

摘要：

关键词：

半固态成型；过共晶Al-Si-Cu-Mg合金；显微组织；力学性能

Effect of Electromagnetic Stirring on Semi-solid Forming of Hypereutectic Al-Si-Cu-Mg Alloy

JIEn-long,LUO Hui-xin, KONG Zhao-yang, YU Bao-yi, ZHENG li, LI Run-xia

School of Materials Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, Liaoning, China

Abstract: Effect of semi-solid molding process on microstructure and mechanical properties of hypereutectic Al-Si-Cu-Mg alloy was investigated. The effects of ultrasonic melt treatment and semi-solid extrusion of different electromagnetic stirring on the microstructure and properties of the alloy were analyzed. The results show that the semi-solid alloy structure after electromagnetic stirring treatment is improved, and the mechanical properties are improved.The primary Si phase in the microstructure of the casting with electromagnetic stirring for 60 s is smoother and more evenly distributed. After semi-solid extrusion,the performance of 1/2 of the ingot radius is the best, the hardness reaches 105.8HB, and the tensile strength and elongation are 237MPa and 3.20%, respectively.

Keywords: Semi-solid molding process, Hypereutectic Al-Si-Cu-Mg alloy, microstructure, mechanical properties

2 实验材料与方法

实验选用纯Mg以及Al-42%Si和Al-50Cu中间合金来配制过共晶Al-Si-Cu-Mg四元合金。实验所需的合金化学成分如表1所示。

表1 实验用过共晶Al-Si-Cu-Mg四元合金成分(wt.%)

合金在电阻式坩埚炉中进行熔炼，采用可控硅控温仪和镍铬-镍硅热电偶进行温度控制。加热坩埚电阻炉至760℃，放入工业纯铝熔清后，放入Al-Si、Al-Mn、Al-Cu等中间合金，待全部熔清后，降温至720℃压入Al-Mg合金，轻轻均匀搅拌，让Mg充分熔化扩散，待Al-Mg合金全部融化后，加入C2Cl6进行精炼保温10min，加入C2Cl6进行二次精炼，保温5min。撇渣静置，将一定量的金属熔体倒入预先加热到620℃的小坩埚内，预设好FB900型超声发生控制器的参数，并将超声振动棒放入小坩埚内振动40s，同时用HX-W330型手持式熔炼测温仪进行测温，取不同温度的浆料进行挤压成型。合金的挤压成型是在YH61-500G型金属液压机上进行，最终获得所需的铸件，挤压铸造工艺参数如表2所示。

表2 挤压铸造工艺参数

对铸锭进行拉伸试样和组织观察试样的切割，拉伸试样用WGW-100H型微机控制电子万能材料试验机测量抗拉强度和伸长率。组织观察试样进行研磨、抛光后，用浓度为0.5%的HF酸酒精溶液腐蚀3-4s后即可在OLYMPUS GX51型光学显微镜上进行组织分析。合金的硬度在HB-3000型布氏硬度仪上测得，在合金的表面测量五个点，取平均值作为合金试样的布氏硬度值。

3 试验结果与分析

3.1 电磁搅拌对半固态成形过共晶Al-Si合金性能的影响

表3-1为不同电磁搅拌时间下半固态成形过共晶Al-Si-Cu-Mg四元合金的力学性能。从表中可看出，电磁搅拌时间为60s时合金的力学性能最佳。

表3-1 不同电磁搅拌时间下半固态成形过共晶Al-Si-Cu-Mg四元合金力学性能

图3-1为电磁搅拌时间对半固态成形过共晶Al-Si-Cu-Mg四元合金性能的影响。图3-1(a)为不同电磁搅拌时间下半固态成形过共晶Al-Si-Cu-Mg四元合金的抗拉强度和伸长率。从实验结果可以看出，电磁搅拌时间为40s时，半固态成形过共晶Al-Si-Cu-Mg四元合金的抗拉强度为129MPa、伸长率为2.60%；随着电磁搅拌时间的增加，电磁搅拌时间60s时，半固态成形过共晶Al-Si-Cu-Mg四元合金的抗拉强度为201MPa、伸长率为3.00%；与电磁搅拌40s的合金相比抗拉强度提高了55.8%，伸长率提高了15.4%；随着电磁搅拌时间继续增加，电磁搅拌时间未80s时合金得抗拉强度为157MPa，伸长率未2.80%，与电磁搅拌60s的合金相比抗拉强度降低了26.4%，伸长率降低了7.1%。

图3-1(b)为不同电磁搅拌时间下半固态成形过共晶Al-Si-Cu-Mg四元合金的硬度值。根据实验结果，当电磁搅拌时间为40s时，半固态成形过共晶Al-Si-Cu-Mg四元合金的硬度值为93.5HB，随着电磁搅拌时间得增加，当电磁搅拌时间为60s时合金的硬度值为101.1HB，相比于电磁搅拌40s的合金得硬度值提高了8.1%，随着电磁搅拌时间继续增加，到达80s时合金的硬度值为98.3HB，相比于电磁搅拌60s时合金硬度值降低了2.8%。

实验结果表明，在电磁搅拌时间为60s时半固态成形过共晶Al-Si-Cu-Mg四元合金的力学性能都高于电磁搅拌时间为40s和80s时半固态成形的合金，此时，合金的布氏硬度为101.1HB，抗拉强度为201MPa，伸长率为3.00%。

电磁搅拌是一种广泛使用的连续铸造技术。通过所产生的电磁力，改善和消除了铸钢中的过热度，提高了铸坯的等轴晶粒率，获得了具有良好凝固组织的铸坯，从而提高了成品的性能。电磁搅拌的实质是利用铸坯液相产生的电磁力，加强钢液在液相中的运动

实验结果表明，在电磁搅拌时间为60s时半固态成形过共晶Al-Si-Cu-Mg四元合金的力学性能都高于电磁搅拌时间为40s和80s时半固态成形的合金，此时，合金的布氏硬度为101.1HB，抗拉强度为201MPa，伸长率为3.00%。

电磁搅拌是一种广泛使用的连续铸造技术。通过所产生的电磁力，改善和消除了铸钢中的过热度，提高了铸坯的等轴晶粒率，获得了具有良好凝固组织的铸坯，从而提高了成品的性能。电磁搅拌的实质是利用铸坯液相产生的电磁力，加强钢液在液相中的运动。

如图3-2(a)-(f)所示为电磁搅拌时间对半固态成形过共晶Al-Si-Cu-Mg四元合金拉伸断口形貌的影响，从图3-2(a)、(b)中可以看出，当电磁搅拌时间为40s时，合金断口形貌中存在较多的解理平台，韧窝数量较少，撕裂棱数量较少，合金塑性较差；随着电磁搅拌时间的增加，当电磁搅拌时间为60s时，合金断口形貌中解理平台逐渐减少，尺寸减小，撕裂棱、韧窝数量增加，合金塑性较好；随着电磁搅拌时间继续增加，当电磁搅拌时间为80s时，合金断口形貌中解理平台增加，尺寸变大，韧窝数量减少，撕裂棱数量减少，半固态成形过共晶Al-Si-Cu-Mg四元合金的塑性降低。

3.2 电磁搅拌对半固态成形过共晶Al-Si合金组织的影响

图3-3中(a)-(f)所示分别为电磁搅拌时间为40s、60s和80s的半固态成形过共晶Al-Si-Cu-Mg四元合金试样的显微组织。

从图3-3中可以看出，电磁搅拌时间为40s时，合金组织中存在不规则的粗大的初生Si相，且棱角尖锐，集中分布。电磁搅拌时间为60s时，合金组织中初生Si相细小且圆整，且分布均匀。电磁搅拌80s时，合金组织中初生Si相又开始长大，并且棱角变得尖锐，分布不均匀。

电磁搅拌后，针状或块状初生Si变得细小、圆整，分布也趋于均匀，合金的力学性能也有很大提高。随着搅拌时间的延长，Al-Si合金组织中初生Si进一步细化、圆整化，电磁搅拌效果越来越明显。随着搅拌时间的继续延长，对组织的影响不大，反而因为裹入气体而导致力学性能降低。因此，最佳的电磁搅拌时间为60s，合金组织相对细小，硬度达到最高。

3.3半固态成形工艺下过共晶Al-Si合金不同位置力学性能的影响

表3-4为半固态成形工艺下过共晶Al-Si-Cu-Mg四元合金不同位置的力学性能，由表可知，在半固态挤压成形后坯锭半径的1/2处性能最佳，硬度达到105.8HB，抗拉强度和伸长率分别为237MPa、3.20%。

图3-10所示为成形位置对半固态过共晶Al-Si-Cu-Mg四元合金性能的影响。图3-10(a)为半固态成形工艺下过共晶Al-Si-Cu-Mg四元合金不同位置的抗拉强度和伸长率，从图中可以看出，位于1/2半径出的铸件的力学性能都明显高于其它部位。位于1/2处的铸件的抗拉强度达到了237MPa，伸长率达到了3.20%。

表3-4 半固态成形工艺下过共晶Al-Si-Cu-Mg四元合金不同位置的力学性能

相比于位于心部的铸件的抗拉强度214MPa，伸长率2.60%，分别提高了10.7%和23.1%。相比于位于边部的铸件的抗拉强度209MPa，伸长率2.25%，分别提高了13.4%和42.2%。半固态成形后，与重力铸造相比，合金的机械性能得到了改善。半固态成形后合金坯锭1/2处伸长率提升最显著。

图3-10(b)为半固态成形工艺下过共晶Al-Si-Cu-Mg四元合金不同位置的硬度值。由实验结果可以看出，半固态成形过共晶Al-Si-Cu-Mg四元合金，位于1/2半径处时硬度值最大，为105.8HB，位于心部的硬度值其次，位于边部的硬度值最低。位于1/2半径处的铸件硬度值比位于心部的铸件硬度值高5.4%，比位于心部的铸件硬度值高8.1%。

如图3-11为半固态成形过共晶Al-Si-Cu-Mg四元合金不同位置的断口形貌，图(a)和(b)为半固态成形合金坯锭边部断口形貌，发现边部断口形貌中存在较多的解理平台，并且其中的解理平台的尺寸很大，韧窝数量较少，所以合金的塑性会大大降低；图(c)和(d)为半固态成形合金坯锭1/2半径处的断口形貌，相比于半固态成形合金坯锭边部断口形貌，坯锭1/2半径处的断口中解理平台数量明显减少，并且尺寸显著减小，但是韧窝数量明显增加，撕裂棱数量增加，显著提高了合金的塑性；图(e)和(f)为半固态成形合金坯锭心部断口形貌，相比于半固态成形合金坯锭1/2半径处的断口形貌，坯锭心部处的断口中解理平台显著增加，尺寸也明显增大，并且韧窝数量减少，撕裂棱数量减少，从而会使合金的塑性降低。

3.4 半固态成形工艺下过共晶Al-Si合金不同位置组织的影响

图3-12中(a)-(f)所示分别为半固态成形工艺下过共晶Al-Si-Cu-Mg四元合金边部、1/2部以及心部的显微组织。

如图3-12(a)、(b)为位于铸件心部的组织形貌，初生Si相尺寸大，并且存在尖锐的棱角。导致这一现象的主要原因是因为位于中心部位与外壳层距有较大距离，所以该部位最后凝固，从而有助于其形核长大，进一步使共晶Si相组织长大。从而降低起力学性能。

如图3-12(c)、(d)为位于铸件的1/2半径部位的组织形貌，初生Si的尺寸较小，分布较均匀，且棱角更光滑，更圆润。因此可以提高铸件的力学性能。

如图3-12(e)、(f)为在铸件的边部的组织形貌，初生Si大多为块状，而且数量较多，这种初生Si对基体有较大的割裂作用。

4 结论

（1）电磁搅拌后半固态成型工艺下不同电磁搅拌时间铸件组织不同。电磁搅拌60s时的铸件的组织中初生Si相更为平整圆滑，且分布更为均匀，综合性能最好。

（2）相比电磁搅拌时间为40s和80s时，电磁搅拌为60s时，铸件的抗拉强度分别提高了55.8%和26.4%，伸长率提高了15.4%和7.1%。。

（3）半固态成形工艺下铸件中不同的位置组织不相同。与其他位置相比，1/2半径部位组织中的初生Si相更圆滑平整；其硬度值为105.8HB，抗拉强度达到237MPa，伸长率3.20%，综合性能最好。

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