譚建波，魏勝輝，劉雪萍

(1.河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2.河北省材料近凈成形技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北石家莊 050018)

工藝參數(shù)對(duì)7075半固態(tài)鑄-鍛組織均勻性的影響

譚建波1,2，魏勝輝1,2，劉雪萍1,2

(1.河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2.河北省材料近凈成形技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北石家莊 050018)

在半固態(tài)模鍛過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)液相偏析現(xiàn)象，使零件中出現(xiàn)“弱點(diǎn)”或“弱區(qū)”，這些“弱點(diǎn)”或“弱區(qū)”通常又是潛在的裂紋源和服役條件下失效的起因。為了分析研究半固態(tài)模鍛液相偏析的影響因素，采用手工攪拌法制備半固態(tài)7075合金，利用壓力機(jī)及杯形實(shí)驗(yàn)?zāi)＞?，進(jìn)行7075半固態(tài)鑄-鍛成形，研究了合金溫度、壓頭預(yù)熱溫度、保持時(shí)間等工藝參數(shù)對(duì)7075半固態(tài)鑄-鍛組織均勻性的影響。結(jié)果表明：在一套模具內(nèi)實(shí)現(xiàn)鑄造和鍛造是可行的；在壓頭預(yù)熱溫度為400 ℃，保持時(shí)間為2 s，成形比壓為50 MPa的條件下，隨著合金溫度的增加，杯形件的液相偏析度增加，組織越不均勻，當(dāng)合金溫度為628 ℃時(shí)，杯形件的液相偏析度為14.02%；隨著壓頭預(yù)熱溫度的增加，杯形件的液相偏析度減小，組織越均勻；在合金溫度為621 ℃，成形比壓為50 MPa，壓頭預(yù)熱溫度為400 ℃時(shí)，隨著保持時(shí)間的增加，杯形件的液相偏析度減小，組織越均勻，當(dāng)保持時(shí)間為4 s時(shí)，杯形件的液相偏析度為2.99%。該結(jié)果可為鋁合金半固態(tài)鑄-鍛成形工藝的制定和相關(guān)研究提供理論參考。

鑄造工藝與設(shè)備；半固態(tài)鑄-鍛；保持時(shí)間；7075合金；組織均勻性；液相偏析度

零件組織均勻化是零件成形制造領(lǐng)域的一個(gè)基本要求，在輕量化要求高的航天器、飛機(jī)、高速列車(chē)、汽車(chē)、坦克、火炮等零件制造中，組織均勻化要求更嚴(yán)格。然而，在實(shí)際的零件制造中又都存在一定的組織不均勻傾向，特別是近年來(lái)發(fā)展較快的半固態(tài)成形中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)液相偏析現(xiàn)象，造成零件的組織不均勻，而組織的不均勻性又會(huì)導(dǎo)致材料性能的不均勻，在零件中出現(xiàn)“弱點(diǎn)”或“弱區(qū)”，這些“弱點(diǎn)”或“弱區(qū)”通常都是潛在的裂紋源和服役條件下失效的起因。KANG等[1]的6061合金流變擠壓鑄造試驗(yàn)結(jié)果表明，液相偏析是影響零件性能的主要因素。因此，如何實(shí)現(xiàn)零件的組織均勻化，是零件成形制造領(lǐng)域中的一個(gè)共性的關(guān)鍵問(wèn)題。由于半固態(tài)合金是含有非枝晶固相的固液混合物，因此，在外力作用下成形時(shí)，液相比固相更容易流動(dòng)而造成液相偏析。研究表明，許多合金在半固態(tài)成形中出現(xiàn)固液分離導(dǎo)致液相偏析，如A356，A357，2024，5083，6061，6082，7050，7075，2A50，A201，AZ91D，ZK60-RE，ADC12等[2-17]。本文利用自制的杯形件鑄-鍛試驗(yàn)?zāi)＞?，研究了工藝參?shù)對(duì)7075半固態(tài)鑄-鍛組織均勻性的影響，定量描述了工藝參數(shù)與液相偏析大小之間的關(guān)系，研究結(jié)果對(duì)半固態(tài)成形組織均勻性的控制有一定的參考價(jià)值。

1 試 驗(yàn)

試驗(yàn)所用材料為7075合金，其主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))：Zn (5.1%～6.1%)，Mg(2.1%～2.9%)，Cu (1.2%～2.0%)，Si(0.40%)，F(xiàn)e(0.50%)，Mn(0.30%)，Cr (0.18%～0.28%)，Ti(0.20%)，余量為Al。

將購(gòu)買(mǎi)的7075合金棒材切割成Φ32 mm×28 mm的圓柱形試塊，將切割好的圓柱形7075合金試塊放入試驗(yàn)?zāi)＞叩南履Ｖ?如圖1所示，下模尺寸為Φ40 mm×Φ32 mm×60 mm，上模下部為Φ22 mm，上部為Φ32 mm)，采用高頻加熱裝置將切割的試塊加熱到720 ℃冷卻，冷卻過(guò)程中用捆有熱電偶的鋼棒進(jìn)行攪拌，到設(shè)定溫度后，放入成形設(shè)備中進(jìn)行半固態(tài)鑄-鍛成形，成形過(guò)程如圖2所示。由圖2可以看出，圖2 a)為初始狀態(tài)，由圖2 a)到圖2 b)，壓頭快速向下移動(dòng)設(shè)定的距離(H1=13.5 mm)，半固態(tài)合金由下部向上充填，但并沒(méi)有充填完畢，此階段成形壓力較低(鑄造成形階段)，此后，短暫保持一定時(shí)間(保持時(shí)間為0，2，4 s，…，在這一段時(shí)間內(nèi)半固態(tài)合金溫度下降，固相率提高)，接著進(jìn)行鍛造成形，壓頭向下移動(dòng)距離為H2(2.5 mm)，合金在較大壓力下繼續(xù)充填和結(jié)晶凝固。壓頭的行程過(guò)程如圖3所示。

圖1 試驗(yàn)?zāi)＞吆驮嚇覨ig.1 Experimental mold and dimensions of sample

圖2 流變鑄-鍛示意圖Fig.2 Schematic diagram of time-dependent rheoforging

具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表1，壓頭最大壓力為50MPa，第1階段壓頭下移速度為30mm/s，第2階段壓頭下移速度為3mm/s。將半固態(tài)鑄-鍛成形的試樣沿最大截面剖開(kāi)，打磨、拋光、腐蝕后，采用掃描儀對(duì)試樣進(jìn)行掃描，掃描后的試樣截面如圖4所示，通過(guò)金相組織觀察，高溫液相主要偏聚在試樣上部，為了定量描述試樣液相偏析大小，引入了液相偏析度的概念：將高溫液相所占面積A液與整個(gè)杯形試樣U型截面總面積A總的百分比稱為液相偏析度，即

液相偏析度=(A液/A總)×100%,

(1)

式中：A液為試樣U型截面高溫液相面積；A總為試樣U型截面總面積。

圖3 壓頭的行程過(guò)程Fig.3 Stroke curves of upper die

圖4 試樣截面Fig.4 Sample cross section

2 結(jié)果與分析

2.1 合金溫度對(duì)7075半固態(tài)鑄-鍛組織均勻性的影響

經(jīng)分析計(jì)算，不同合金溫度下杯形件試樣液相偏析度如圖5所示。由圖5可以看出，隨著合金溫度的提高，液相偏析度是逐漸增加的。這是因?yàn)楹辖饻囟仍礁?，合金中的液相越多，在進(jìn)行半固態(tài)鑄-鍛時(shí)，由于液相優(yōu)于固相領(lǐng)先流動(dòng)，造成液相總是聚集在最后充型部位。通過(guò)金相組織觀察，杯形件試樣上部高溫液相區(qū)域與其他部位顯微組織差別較大，試樣上部存在較多高溫液相形成的共晶組織，如圖6所示，這樣，就造成了試樣上部和其他部位的組

表1 半固態(tài)鑄-鍛成形參數(shù)

圖5 不同合金溫度下的液相偏析度Fig.5 Liquid phase segregation degree under different alloy temperature

圖6 合金溫度為623 ℃時(shí)的試樣截面及微觀組織Fig.6 Sample cross section and microstructure under alloy temperature of 623 ℃

織不均勻，因此，嚴(yán)格控制半固態(tài)合金成形溫度，對(duì)成形零件的組織均勻性是非常有利的。

2.2 壓頭預(yù)熱溫度對(duì)7075半固態(tài)鑄-鍛組織均勻性的影響

不同壓頭預(yù)熱溫度下杯形件試樣液相偏析度如圖7所示。由圖7可以看出，隨著壓頭預(yù)熱溫度的提高，液相偏析度是逐漸減小的。通過(guò)金相組織觀察，杯形件試樣上部也存在較多高溫液相形成的共晶組織，如圖8所示，因此，提高壓頭的預(yù)熱溫度，對(duì)成形零件的組織均勻性是非常有利的。

圖7 不同壓頭預(yù)熱溫度下的液相偏析度Fig.7 Liquid phase segregation degree under different head preheating temperature

圖8 壓頭預(yù)熱溫度為300 ℃時(shí)的試樣截面及微觀組織Fig.8 Sample cross section and microstructure under head preheating temperature of 300 ℃

圖9 不同保持時(shí)間下的液相偏析度Fig.9 Liquid phase segregation degree under different holding time

2.3 保持時(shí)間對(duì)7075半固態(tài)鑄-鍛組織均勻性的影響

圖9是不同保持時(shí)間下杯形件試樣液相偏析度的情況。由圖9可以看出，隨著保持時(shí)間的延長(zhǎng)，杯形件上部高溫液相面積逐漸減少，其原因是隨著保持時(shí)間的增加，合金溫度下降，合金中固相增加。

研究表明，對(duì)于半固態(tài)合金，可把其看成多孔性的金屬材料，固相顆粒部分互相接觸且液相充滿晶間空間。半固態(tài)合金在受到壓力變形時(shí)，可用多孔介質(zhì)的毛細(xì)管模型來(lái)解釋固液兩相的分離現(xiàn)象。在多孔介質(zhì)中，流過(guò)一個(gè)孔道的流量為[18]

(2)

式中：η為表觀黏度；d為孔道直徑；Δp為壓力差；L為孔道長(zhǎng)度。

由式(2)可以看出，只要半固態(tài)合金中存在液相可以自由流動(dòng)的通道和壓力差，液相一定會(huì)從壓力大的區(qū)域流向壓力小的區(qū)域，使液相發(fā)生流動(dòng)，液固兩相發(fā)生分離。

隨著保持時(shí)間的延長(zhǎng)，半固態(tài)合金的溫度就會(huì)降低，固相率就會(huì)增加，固相率與合金溫度之間的關(guān)系為[19]

(3)

式中：fs為固相率；TM為純?nèi)軇┑娜埸c(diǎn)；TL為合金的液相線溫度；k為平衡分配比值。

而表觀黏度隨固相率的增加而增加，表觀黏度與固相率之間的關(guān)系[20]為

η=Aexp(Bfs),

(4)

式中：A，B為系數(shù)。

由以上分析可知，隨著保持時(shí)間的延長(zhǎng)，流過(guò)孔道的流量就會(huì)減小，另外，初生固相也會(huì)長(zhǎng)大，造成孔道直徑d的減小。因此，隨著保持時(shí)間的延長(zhǎng)，高溫液相偏析會(huì)減少。

3 結(jié) 論

實(shí)現(xiàn)零件的組織均勻化，是零件成形制造領(lǐng)域追求的目標(biāo)，由于半固態(tài)合金是含有非枝晶固相的固液混合物，因此，在外力作用下成形時(shí)，由于液相比固相更容易流動(dòng)而產(chǎn)生液相偏析。在半固態(tài)鑄-鍛成形過(guò)程中，成形工藝參數(shù)對(duì)零件液相偏析影響較大，本文以7075合金為例，研究了合金溫度、壓頭預(yù)熱溫度、保持時(shí)間對(duì)半固態(tài)鑄-鍛杯形件組織均勻性的影響規(guī)律，研究結(jié)果可為鋁合金半固態(tài)鑄-鍛成形工藝的制定和相關(guān)研究提供理論參考。

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Influence of process parameters on the uniformity of microstructure of semi-solid casting-forging 7075 alloy

TAN Jianbo1,2, WEI Shenghui1,2, LIU Xueping1,2

(1.School of Material Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China; 2.Hebei Key Laboratory of Material Near-Net Forming Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)

Liquid phase segregation frequently occurs in the process of semi-solid die forging, which makes the parts appear “weak point” or “weak region”, and usually, the “weak point” or “weak area” is the reason of crack and service condition failure. In order to analyze the influencing factors for the liquid phase segregation of the semi-solid die forging, in this paper, the sample of semi-solid 7075 alloy is prepared by hand stirring method. The casting-forging forming of the sample is made by means of press machine and cup mould to research the influence of alloy temperature, head preheating temperature, hold time and other process parameters on the uniformity of the microstructure. The results show that the semi-solid casting-forging process is feasible within a set of mold. Under the conditions of head temperature of 400 ℃, hold time of 2 s and the forming pressure of 50 MPa, the liquid phase segregation degree of cup sample increases, the uniformity of the microstructure becomes worse with increasing of alloy temperature. The segregation degree is up to 14.02% when the alloy temperature is 628 ℃. The liquid phase segregation degree of cup sample decreases and uniformity of the microstructure becomes better along with increasing of head preheating temperature. Under the conditions of alloy temperature of 621 ℃, the forming pressure of 50 MPa, and head preheating temperature of 400 ℃, the liquid phase segregation degree of cup sample decreases, the uniformity of the microstructure becomes better along with increasing of the hold time. The segregation degree is up to 2.99% when the hold time is 4 s. The results could provide theoretical reference for the process formulation and experimental research of aluminum alloy semi-solid casting-forging forming.

foundry technique and equipment; semi-solid casting-forging； hold time； 7075 alloy； uniformity of the microstructure； liquid phase segregation degree

1008-1542(2017)02-0196-06

10.7535/hbkd.2017yx02015

2016-09-10；

2016-11-08；責(zé)任編輯：王海云

河北省自然科學(xué)基金(E2014208087)；河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(ZD2015003)；河北省引進(jìn)留學(xué)人員資助項(xiàng)目(C201400515)

譚建波(1964—)，男，河北定州人，教授，博士，主要從事半固態(tài)成型技術(shù)與理論方面的研究。

E-mail: tanjian1998@163.com

TG146.4

A

譚建波，魏勝輝，劉雪萍.工藝參數(shù)對(duì)7075半固態(tài)鑄-鍛組織均勻性的影響[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào),2017,38(2):196-201.

TAN Jianbo, WEI Shenghui, LIU Xueping.Influence of process parameters on the uniformity of microstructure of semi-solid casting-forging 7075 alloy[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2017,38(2):196-201.