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铝合金颗粒材料研究

时间: 2011-07-09 00:06 来源: 作者: 沈阳工业学院 孙伟成 刘粟新点击:
摘 要 采用振动法制取铝合金颗粒。探索了各工艺参数对颗粒尺寸、形状及冷却速度的影响;分析了颗粒的金相组织,估算了颗粒材料的凝固速度;采用真空热压技术和热挤压技术,将颗粒制成了试验棒材,测试了材料的力学性能。测试结果表明:采用颗粒制造工艺制取的材料的力学性能优于同成分的铸造材料的1~2倍,是一种有发展前途的材料制造加工工艺。
关键词:颗粒 真空热压 铝合金 快速凝固

快速凝固技术越来越受到人们的重视,它开辟了研制新型合金材料的有效途径。快速凝固的方法不下几十种,其中采用水雾化,制取颗粒材料是其中的一种方法[1]。所谓颗粒是指合金液快凝结晶时获得的质点的尺寸为0.5~10 mm的松散物质。颗粒胜过粉末的优点之一是松散性好,从而有利于连续制取致密的工业用材料。另外,在制取颗粒时,合金液在水中冷却,其冷却速度比生产粉末时大。据文献[2]报道直径为2 mm的颗粒,其冷却速度超过1×104 ℃/s。

试验采用振动法制取颗粒,这种方法能使颗粒的尺寸级别保持稳定,从而使颗粒获得同样的冷却条件。这种方法也较离心法安全,成本比较低。

1 试验方法与步骤

1.1 颗粒的制造

采用自制的垂直振动装置制造颗粒。试验中,考察了合金液过热度,振动振幅、频率等工艺参数对颗粒尺寸的影响。

1.2 试验合金化学成分

试验选用了三种不同合金成分(见表1)。

表1 试验合金的化学成分(质量分数/%)

1.3 试验步骤

试验流程见图1。


图1 试验流程图

振动制粒机的振幅从0到20 mm连续可调,振动频率0~10 Hz连续可调。调整好振幅及频率后,将熔炼好的合金液倒入底部带有1 mm孔径的坩埚内,振动即可制取颗粒。制取的颗粒尺寸相当均匀,筛选只是将个别较大的颗粒挑出去即可。经烘干脱水后,放在真空热压机上加热、去气。真空度为10-3Pa,去气温度400 ℃,热压压力为150 MPa。真空热压坯锭再经过热挤压,制成φ12 mm的试验棒材,挤压温度为350~450 ℃,挤压比为1∶24。挤压试棒经热处理强化后加工成各种试样进行性能测试和金相观察。

2 试验结果与分析

2.1 频率、振幅对颗粒尺寸的影响

同一种合金在合金过热度保持不变时,改变制粒机的频率或振幅对颗粒尺寸的关系见表2。从表2中可以看出,频率相同,增大振幅,颗粒尺寸减小,也就是说,颗粒尺寸与振幅和频率呈反比关系。改变振幅比较麻烦,而且随着振幅加大,噪音增加,对设备损坏也较大,而改变振动频率较方便易行,只要改变电机转数即可。

表2 频率、振幅与颗粒尺寸的关系

2.2 铝液过热度对颗粒尺寸的影响

在所有的试验中,固定振幅不变,均为3.5 mm。合金为Al-Zn-Mg-Cu系合金,对试验结果分析表明,随着合金液过热度的增加,颗粒尺寸开始减小,当温度达到一定范围时,颗粒尺寸基本保持不变,进一步提高温度,颗粒尺寸增大。


图2 合金过热度与颗粒尺寸关系

提高合金过热度和振动频率,不仅对颗粒的尺寸有好处,而且随着这两个参数的增加,装置的产量也会增加。

2.3 颗粒材料冷却速度与显微组织

三种不同成分制造得到的颗粒材料均呈圆盘形(见图3)。直径为φ3~8 mm,厚度为1.5~3 mm。其金相组织见图4,图4a为Al-Zn-Mg-Cu合金颗粒(直径d=5 mm)显微照片,经测量二次枝晶间距D=5.71 μm,图4b为Al-20Si-5Fe-3Ni合金颗粒(d=10 mm)金相照片,图中针状相为FeAl3,针的厚度仅铸态的1/6,图4c为Al-18Si-Cu的金相照片,其共晶硅与初晶硅均为颗粒状。根据二次枝晶间距与冷却速度关系曲线[2]确定颗粒材料的冷却速度均为103 K/s。


图3 颗粒的形貌


a. Al-Zn-Cu合金 b. Al-Si-Fe-Ni合金 c. Al-Si-Cu合金
图4 颗粒的金相照片 ×100

2.4 颗粒材料的力学性能

选用Al-18Si-1Cu合金颗粒,经连续热压,热挤压成φ12 mm棒材,经520 ℃固溶处理,190 ℃,4 h人工时效处理后加工成拉伸试棒,测试结果如表3。从表3可以看出同样成分的合金,经颗粒化处理后,强度提高1.5倍、伸长率提高4倍,硬度也明显提高,这是由于凝固速度急剧增加,合金元素在αAl中过饱和固溶度增大、产生固溶强化、晶粒明显细化而产生细晶强化,析出初晶硅和共晶硅尺寸明显减小,使初晶硅和共晶硅割裂基体的有害作用降低,因此使材料力学性能大幅度提高。

表3 Al-18Si-Cu合金力学性能

3 结 论

(1) 采用垂直机械振动法制造铝合金颗粒,颗粒形状为圆状。在确定的工艺参数下,颗粒形状与尺寸稳定,这是振动法制造颗粒的主要优点;
(2) 颗粒尺寸随振动频率和振幅的增加而减小。随着合金过热度的增加,颗粒尺寸开始减小,超过一定温度后,尺寸增加,综合考虑,最佳工艺参数为:合金过热度150~250 ℃,振动频率3.5 Hz,、振幅为3.5 mm;
(3) 在现工艺参数下,颗粒直径φ3~10 mm,厚度3~5 mm颗粒的冷凝速度可达到103 K/s;
(4) 颗粒材料经真空热压、挤压、热处理后,材料的力学性能超过同成分铸态合金1~2倍以上。

作者单位:孙伟成,男,1943年出生,教授,沈阳工业学院材料系,沈阳市文化路81号(110015)

参考文献
[1] 柯尔巴什尼柯夫 A H.周光垓译.颗粒材料.北京:国防工业出版社,1986.
[2] 张荣生.快速凝固技术.北京:冶金工业出版社,1994.(end)

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