【技术】半固态7075铝合金流变压铸充填性与组织分布

核心提示：倒锥形通道制备半固态7075铝合金浆料,试验研究了浆料的成形温度、压射比压和压铸模温度对半固态流 变压铸7075铝合金充填性能的影响。结果表明,半固态7075铝合金浆料适当高的成形温度有利于充填性能的提高;压射 比压和压铸模温度对半固态7075铝合金流变压铸充填性也有影响,压射比压越大,充填性越好。此外,采用倒锥形通道制 备的半固态7075铝合金浆料组织分布较均匀,在后续流变压铸件的组织也均匀、致密,表明通过此工艺方法可获得力学性 能较好的半固态7075铝合金压铸件。

触变成形和流变成形是半固态合金成形的两种基本方法。流变成形是一种直接将半固态金属浆料成形的成形方法。与触变成形相比,无需二次加热环节,具有效率高,浆料质量好且节省能源等特点,是未来半固 态金属成形发展的主要方向。流变成形通常用于 铸造铝合金,很少用于变形铝合金。7075铝合金属于7 系高强度变形铝合金,可热处理强化。目前7系高强度 变形铝合金为锻造和轧制件且不能通过铸造的方法直 接获得高性能复杂的铸件。7075铝合金应用范围广 泛,是航空、航天广泛应用的超高强度铝合金,也是其他 设备中以铸代锻、轻量化的目标材料。但目前7075铝 合金半固态触变成形研究较多,而流变成形技术的研究较少。因此研究半固态7075铝合金流变压铸工艺 具有很诱人的应用前景。本课题采用倒锥形通道制备了7075铝合金半固态浆料,研究了流变压铸工艺参数 对半固态7075铝合金浆料充填性能及浆料组织分布状态的影响。

1试验材料及方法

半固态流变压铸试验所用铝合金为7075铝合金,其化学成分见表1。

7075铝合金的液相线温度为635°C,固相线温度为477°C。采用电阻炉将7075铝合金熔化至710°C, 经过除气精炼,再使铝合金温度降至试验660~690°C, 然后将液态铝合金浇入室温状态的石墨质倒锥形通道 中,从而制备出半固态7075铝合金浆料。通过感应均 热装置将制备好的浆料加热到623~628°C,然后将浆料送入压铸机进行压铸成形。试验过程中采用螺旋形压铸模,通过测试半固态铝合金浆料在压铸模型腔中的充填长度来定量说明其充填能力。为了研究半固态7075铝合金浆料的流变压铸充填性能及浆料组织分布特点,在试验中通过调整压射比压、浆料的成形温度和压铸模温度3个工艺参数,分析这些参数对流变压铸充填性的影响。其中压射比压为12~26 MPa;浆料成形温度为623~628°C。

压铸模预热温度为80~250°C;压室预热温度为160°C,具体试验参数见表2。在分析半固态7075铝合 金浆料的成形温度、压射比压和压铸模温度对充填性影 响的基础上,截取流变压铸件的不同部位,用来制备金 相试样,通过光学显微镜对金相试样进行显微组织观察、比较与分析。
 

2试验结果与讨论

2.1成形温度对充填性的影响

试验中半固态7075铝合金浆料成形温度是指浆料经温度场均匀化处理后的半固态浆料温度,实际压铸温度可能比此温度略低一些。在压型温度为160°C,压射比压为26 MPa的条件下,浆料的成形温度对半固态浆料在螺旋形压铸模型腔中的充填长度的影响见图1。
 

从图1可以看出,在压铸机的压铸模型腔中浆料的成形温度和浆料的充填长度变化趋势是一致的。即提 高半固态7075铝合金浆料的成形温度,将有利于浆料 在压铸模型腔中的充填长度越长,成形温度越高,充填长度越长。其原因是浆料成形温度提高,浆料中球状初生α一A1的固相率会降低,因此浆料的表观粘度也会降低,导致浆料在压铸模型腔中充型流动阻力减小,半固态7075中铝合金浆料的流动越容易,浆料的充填性越好,充填长度就越长。所以在进行流变压铸时,较高的浆料成形温度对半固态7075铝合金浆料获得良好的充填性是很有利的。但要考虑到制备的半固态浆料适合流变压铸,温度过高会破坏浆料的组织,所以浆料在适 合压铸的温度范围内,浆料的成形温度越高越好。

2.2压铸模温度对充填性的影响

试验中的压铸模温度是指压铸模分型面处的实际测试温度。压铸模在实际预热的时候各处的预热温度存在不均匀性。在压射比压为26 MPa、浆料成形温度 为628°C的条件下,不同的压铸模温度对流变压铸充填 性的影响见图2。从图2可以看出,压铸模温度对浆料 充填长度的影响规律。当压铸模温度在80~160°C之间变化时,浆料的充填长度随压铸模温度的升高而变长,但充填长度变化不是非常显著。压铸模温度升高了 80°C,浆料充填长度才增加了75 mm。压铸模温度在 160°C以后,压铸模温度升高对浆料的充填长度基本没有影响。试验中压铸模预热温度为160°C左右时,浆料 在压铸模中的充填性最好。
 

2.3压射比压对充填性的影响

压射比压是半固态铝合金流变压铸最重要的工艺参数之一。在压铸模温度为160°C、浆料成形温度为628°C的条件下,半固态7075铝合金浆料的充填长 度随压射比压的变化规律见图3。从图3可以看出,随着压射比压的提高,半固态浆料在压铸模型腔中的充填长度先增加后减少,这可能是由于随着压射比压的增 大,半固态7075铝合金浆料在型腔中的充填动力在增 加,有利于克服充填阻力,因而浆料的充填长度在增加。 但是当压射比压增加到一定程度时,由于压射比压增加过大,导致浆料流动速度的增加,充填时间也就会缩短, 造成压铸模型腔中的气体来不及排出,反而增加了半固态铝合金浆料流动前沿的阻力,最终使充填长度下降。因此为了得到良好的充填效果,压射比压在20 MPa左 右时的充填性最好。
 

2.4半固态7075合金压铸试样的组织分布规律

半固态7075铝合金压铸件的力学性能受压铸件内 部组织分布影响较大。球状初生口一AI晶粒如果分布不均匀,可能会导致压铸件不同位置的力学性能不同,以 表2中试验编号C条件下的螺旋形压铸件为对象,从 n、6、c、d等4个不同的位置截取金相试样进行组织分析见图4。
 

图5为压铸件口、6、c、d 4个位置金相试样中心部位的金相组织。由图5可知,4个位置的组织中球状初 α一A1大小类似,初生α一Al相圆整性较好,晶粒尺寸 相对较小,分布也很均匀,但组织显示中心部位的固相 率很高。而且随着充填长度的增长,不同充填长度处的 金相试样中部组织中的固相率基本没有什么变化,即差 异性很小。这可能是由于充填速度较快,充填时间短, 球状初生留Al晶粒来不及向某处偏聚,因此试样中部的组织沿充填方向分布比较均匀。试样中心部位组织均匀性说明半固态7075铝合金浆料在压铸模型腔中充 填过程中流动很平稳,没有明显的液固相偏析现象,这有利于成形高质量的压铸件。
 

从金相试样的横截面组织分析看,铸件边缘存在一定程度的液相宏观偏析,但是偏析层的厚度不足1 mm,从球状初生α一Al的分布来看,压铸件的心部较多而表面处较少,见图6。但是,流变压铸7075铝合金铸件的边部偏析较小,因此,对压铸件的力学性能影响不大。可能是马格努斯力的作用[10]导致球状初生α一Al 的偏析,在马格努斯力的作用下,球状初生α—Al晶粒将 流向流动速度较高的心部。

3结论

(1)浆料的成形温度对充填性的影响明显,成形温 度越高,充填性越好。

(2)压铸模温度低于160°C时,浆料的充填性随压 铸模温度升高而提高,但当压铸模温度高于160°C时,压铸模温度对充填性没有明显变化。

(3)压射比压对充填性影响较大。低于20 MPa时时,压射比压越高,充填性越好。高于20 MPa时,充填 性变差。

(4)流变压铸件的组织整体上分布很均匀,这有利于获得高质量的半固态7075铝合金压铸件。

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