工艺参数对7075半固态铸锻组织均匀性的影响

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  摘要:在半固态模锻过程中,经常会出现液相偏析现象,使零件中出现“弱点”或“弱区”,这些“弱点”或“弱区”通常又是潜在的裂纹源和服役条件下失效的起因。为了分析研究半固态模锻液相偏析的影响因素,采用手工搅拌法制备半固态7075合金,利用压力机及杯形实验模具,进行7075半固态铸锻成形,研究了合金温度、压头预热温度、保持时间等工艺参数对7075半固态铸锻组织均匀性的影响。结果表明:在一套模具内实现铸造和锻造是可行的;在压头预热温度为400 ℃,保持时间为2 s,成形比压为50 MPa的条件下,随着合金温度的增加,杯形件的液相偏析度增加,组织越不均匀,当合金温度为628 ℃时,杯形件的液相偏析度为14.02%;随着压头预热温度的增加,杯形件的液相偏析度减小,组织越均匀;在合金温度为621 ℃,成形比压为50 MPa,压头预热温度为400 ℃时,随着保持时间的增加,杯形件的液相偏析度减小,组织越均匀,当保持时间为4 s时,杯形件的液相偏析度为2.99%。该结果可为铝合金半固态铸锻成形工艺的制定和相关研究提供理论参考。
  关键词:铸造工艺与设备;半固态铸锻;保持时间;7075合金;组织均匀性;液相偏析度
  中图分类号:TG146.4文献标志码:A
  收稿日期:20160910;修回日期:20161108;责任编辑:王海云基金项目:河北省自然科学基金(E2014208087);河北省高等学校科学技术研究项目(ZD2015003);河北省引进留学人员资助项目(C201400515)第一作者简介:谭建波(1964—),男,河北定州人,教授,博士,主要从事半固态成型技术与理论方面的研究。Email: tanjian1998@163.com
  零件组织均匀化是零件成形制造领域的一个基本要求,在轻量化要求高的航天器、飞机、高速列车、汽车、坦克、火炮等零件制造中,组织均匀化要求更严格。然而,在实际的零件制造中又都存在一定的组织不均匀倾向,特别是近年来发展较快的半固态成形中,经常会出现液相偏析现象,造成零件的组织不均匀,而组织的不均匀性又会导致材料性能的不均匀,在零件中出现“弱点”或“弱区”,这些“弱点”或“弱区”通常都是潜在的裂纹源和服役条件下失效的起因。KANG等[1]的6061合金流变挤压铸造试验结果表明,液相偏析是影响零件性能的主要因素。因此,如何实现零件的组织均匀化,是零件成形制造领域中的一个共性的关键问题。由于半固态合金是含有非枝晶固相的固液混合物,因此,在外力作用下成形时,液相比固相更容易流动而造成液相偏析。研究表明,许多合金在半固态成形中出现固液分离导致液相偏析,如A356,A357,2024,5083,6061,6082,7050,7075,2A50,A201,AZ91D,ZK60RE,ADC12等[217]。本文利用自制的杯形件铸锻试验模具,研究了工艺参数对7075半固态铸锻组织均匀性的影响,定量描述了工艺参数与液相偏析大小之间的关系,研究结果对半固态成形组织均匀性的控制有一定的参考价值。
  1试验
  试验所用材料为7075合金,其主要成分(质量分数):Zn (5.1%~6.1%),Mg(2.1%~2.9%),Cu (12%~2.0%),Si(0.40%),Fe(0.50%),Mn(0.30%),Cr (0.18%~0.28%),Ti(0.20%),余量为Al。河北科技大学学报2017年第2期谭建波,等:工艺参数对7075半固态铸锻组织均匀性的影响将购买的7075合金棒材切割成Φ32 mm×28 mm的圆柱形试块,將切割好的圆柱形7075合金试块放入试验模具的下模中(如图1所示,下模尺寸为Φ40 mm×Φ32 mm×60 mm,上模下部为Φ22 mm,上部为Φ32 mm),采用高频加热装置将切割的试块加热到720 ℃冷却,冷却过程中用捆有热电偶的钢棒进行搅拌,到设定温度后,放入成形设备中进行半固态铸锻成形,成形过程如图2所示。由图2可以看出,图2 a)为初始状态,由图2 a)到图2 b),压头快速向下移动设定的距离(H1=13.5 mm),半固态合金由下部向上充填,但并没有充填完毕,此阶段成形压力较低(铸造成形阶段),此后,短暂保持一定时间(保持时间为0,2,4 s,…,在这一段时间内半固态合金温度下降,固相率提高),接着进行锻造成形,压头向下移动距离为H2(2.5 mm),合金在较大压力下继续充填和结晶凝固。压头的行程过程如图3所示。
  具体试验方案见表1,压头最大压力为50 MPa,第1阶段压头下移速度为30 mm/s,第2阶段压头下移速度为3 mm/s。将半固态铸锻成形的试样沿最大截面剖开,打磨、抛光、腐蚀后,采用扫描仪对试样进行扫描,扫描后的试样截面如图4所示,通过金相组织观察,高温液相主要偏聚在试样上部,为了定量描述试样液相偏析大小,引入了液相偏析度的概念:将高温液相所占面积A液与整个杯形试样U型截面总面积A总的百分比称为液相偏析度,即液相偏析度
  式中:A液为试样U型截面高温液相面积;A总为试样U型截面总面积。
  2结果与分析
  2.1合金温度对7075半固态铸锻组织均匀性的影响
  经分析计算,不同合金温度下杯形件试样液相偏析度如图5所示。由图5可以看出,随着合金温度的提高,液相偏析度是逐渐增加的。这是因为合金温度越高,合金中的液相越多,在进行半固态铸锻时,由于液相优于固相领先流动,造成液相总是聚集在最后充型部位。通过金相组织观察,杯形件试样上部高温液相区域与其他部位显微组织差别较大,试样上部存在较多高温液相形成的共晶组织,如图6所示,这样,就造成了试样上部和其他部位的组织不均匀,因此,严格控制半固态合金成形温度,对成形零件的组织均匀性是非常有利的。
  2.2压头预热温度对7075半固态铸锻组织均匀性的影响
  不同压头预热温度下杯形件试样液相偏析度如图7所示。由图7可以看出,随着压头预热温度的提高,液相偏析度是逐渐减小的。通过金相组织观察,杯形件试样上部也存在较多高温液相形成的共晶组织,如图8所示,因此,提高压头的预热温度,对成形零件的组织均匀性是非常有利的。   2.3保持時间对7075半固态铸锻组织均匀性的影响
  图9是不同保持时间下杯形件试样液相偏析度的情况。由图9可以看出,随着保持时间的延长,杯形件上部高温液相面积逐渐减少,其原因是随着保持时间的增加,合金温度下降,合金中固相增加。 研究表明,对于半固态合金,可把其看成多孔性的金属材料,固相颗粒部分互相接触且液相充满晶间空间。半固态合金在受到压力变形时,可用多孔介质的毛细管模型来解释固液两相的分离现象。在多孔介质中,流过一个孔道的流量为
  式中:η为表观黏度;d为孔道直径;Δp为压力差;L为孔道长度。由式(2)可以看出,只要半固态合金中存在液相可以自由流动的通道和压力差,液相一定会从压力大的区域流向压力小的区域,使液相发生流动,液固两相发生分离。 随着保持时间的延长,半固态合金的温度就会降低,固相率就会增加,固相率与合金温度之间的关系为
  式中:fs为固相率;TM为纯溶剂的熔点;TL为合金的液相线温度;k为平衡分配比值。而表观黏度随固相率的增加而增加,表观黏度与固相率之间的关系
  式中:A,B为系数。 由以上分析可知,随着保持时间的延长,流过孔道的流量就会减小,另外,初生固相也会长大,造成孔道直径d的减小。因此,随着保持时间的延长,高温液相偏析会减少。
  3结论
  实现零件的组织均匀化,是零件成形制造领域追求的目标,由于半固态合金是含有非枝晶固相的固液混合物,因此,在外力作用下成形时,由于液相比固相更容易流动而产生液相偏析。在半固态铸锻成形过程中,成形工艺参数对零件液相偏析影响较大,本文以7075合金为例,研究了合金温度、压头预热温度、保持时间对半固态铸锻杯形件组织均匀性的影响规律,研究结果可为铝合金半固态铸锻成形工艺的制定和相关研究提供理论参考。
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