二次重熔工艺对触变成形Al-Pb合金力学性能的影响

谢 磊，黄海军，张素卿

（1.中国铝业兰州分公司 炭素厂，兰州 730060；2.兰州理工大学 材料学院，兰州 730050）

二次重熔工艺对触变成形Al-Pb合金力学性能的影响

谢 磊1，黄海军2，张素卿2

（1.中国铝业兰州分公司 炭素厂，兰州 730060；2.兰州理工大学 材料学院，兰州 730050）

研究了二次重熔工艺对触变成形Al-20%Pb合金性能的影响，结果表明：在半固态温度615℃加热不同时间时，加热150min时初生相球化程度最高，成形合金的力学性能最好；在不同温度加热150min时，620℃时的初生相颗粒圆整度最高，合金的力学性能最好。初生相球化程度越高，合金越致密且变形协调能力越好，合金的力学性能越好。

触变成形；Al-Pb合金；力学性能

Al-Pb合金具有良好的耐磨、减磨性能，是优异的轴瓦材料。然而Pb在Al基体中难溶且由于密度差异在高温出现液相分层，采用传统铸造法难以使组织均匀从而影响合金的性能。因此研究人员一直试图通过寻求新的成形方法以获得均匀组织及优异的性能，并取得了一定的成就[1-4]，但都存在工艺复杂、成本高等不足。近年来，半固态成形技术的出现及在轻质有色合金（铝、镁等合金）产品上的研究及应用表明该成形技术能显著提高合金的性能且具有工艺简单兼造价低等优点[2，3，5，6]，被誉为 21 世纪最具应用前景的金属成形技术[7-14]。

然而，半固态成形技术在Al-Pb合金上的应用却鲜有报道。本文采用倾斜板冷却剪切法制备组织均匀的Al-20%Pb合金半固态坯料，通过改变二次重熔工艺，研究了触变成形Al-Pb合金性能，以期为半固态成形技术在Al-Pb合金上的应用及提高合金性能奠定基础。

1 试验方法

试验材料为自行配制的Al-Pb合金，其成分见表1。DSC测试表明其凝固温度区间为629.7～579.4℃。该合金的熔炼工艺为：首先将Al基体合金（成分见表1）置入预热后的石墨坩埚中，待熔化后，在700℃加入C2Cl6精炼，扒渣后加入20%的Pb，继续加热到1250℃，加热30min，获得混熔的Al-Pb合金液，然后将该合金液在倾斜板进行浇注成ø73mm×160mm的柱状坯料。将制得的柱状坯料置入坩埚电阻炉，通过改变加热时间和加热温度以获得不同的半固态组织。之后立即将其注入DAK450-54型500t冷室压铸机压铸成型（产品如图1所示），压射速度为5m/s，模具温度为300±5℃。

表1 基体合金的化学成分（质量分数%）

将压铸产品分别制成晶相试样和标准拉伸试样。金相试样先进行硬度测试后经粗磨、抛光、腐蚀在Mef3光学显微镜进行金相分析；拉伸试验在WDW-100D万能材料试验机上进行，拉伸速率为2mm/min，拉伸后的断口立即在JSM-6700F扫描电子显微镜上观察。

2 试验结果

2.1 加热时间对半固态组织及合金性能的影响

图2为倾斜板剪切冷却法得到的Al-Pb合金坯料铸态组织，其主要有初生α-Al枝晶、二次α-Al枝晶和Pb颗粒构成。615℃二次加热时，其组织发生了显著的变化。如图3（a）所示，加热120min后，α-Al枝晶已出现球化，随着加热时间的延长，球化逐渐加剧，当加热180min后α-Al枝晶已经呈近球状颗粒。然而，随着加热时间的进一步延长，颗粒有粗化趋势造成球状组织变差，如图 3（d）。

图4为615℃加热时力学性能随加热时间的变化。由图可见，力学性能的变化与圆整度的变化有很好的对应关系，即先增加至180min时出现最大值，然后力学性能变差。

2.2 加热温度对半固态组织及合金性能的影响

图5为不同加热温度条件下，加热150min时的合金半固态组织。由图可见，不同加热温度，α-Al枝晶球化程度不同。随着温度的升高其球化程度增加，当615℃加热150min时，球化程度最好，如图5（b）；但随着加热温度的进一步升高其球化状态开始恶化，如图5（d），当625℃加热时α-Al已呈“纺锤”状。同时随加热温度的升高半固态组织中的液相逐渐增多。

图6为不同加热温度时加热150min时力学的变化。由图可见力学性能亦呈先增加后减小的趋势。当615℃加热150min时，各力学性能指标达到其峰值。

3 分析与讨论

由Al-Pb合金二元合金相图可知，随温度的降低合金液先经过富Al和富Pb的液相不互溶区，当到达熔晶点时富Al液相发生熔晶反应产生初生α-Al相和富Pb液相，随着温度的进一步冷却富Al液相凝固产生Pb相。因而在半固态部分重熔过程中Pb相率先熔化形成液相，随着温度的升高枝晶间富Pb部分溶入初生α-Al使枝晶粗化，随着温度进一步升高液相逐渐增多，由于Thomson-Gibbs效应，组织球化，其球化过程受溶质原子的扩散控制，时间与温度是其影响因素，因而随着加热时间的延长和加热温度的升高，组织球化加剧从热力学上来说，体系存在单位体积界面能减小的趋势，故而产生组织粗化以减小单位体积界面能。在半固态等温热处理过程中，一般通过两种方式粗化，即Ostwald熟化和合并长大两种方式[15]。

合金的性能与其组织密切相关，就半固态成形合金而言，其半固态浆料中初生相的形态、固相率对其影响较大。当固相率一定时，初生相的颗粒越圆整，在充型过程层流越平稳，利于补缩，因而致密度较高，硬度较大如图7，其为615℃加热不同时间试样的拉升断口，由图可见随着球化程度的增加缩孔逐渐减小，合金的致密度增加使合金的硬度和强度提高。与此同时，颗粒化越圆整，协调变形能力越强有利于合金力学性能的提升。

当不同加热温度时，合金液半固态组织中的固相率不同，高的加热其固相率低，在其充型过程中紊流程度增大，容易卷起形成缩孔，不利于合金的性能。但初生颗粒的球化程度有利于减小卷气，有利于合金的性能因而，不同加热温度时，两个方面即初生相的球化程度和固相率决定了合金的性能。图8为不同加热温度时合金试样的拉伸断口SEM图，由图可见620℃加热150min时，合金组织最为致密，合金性能最佳。

此外，Pb相的形态也影响到合金的性能。Pb相在Al-Pb合金中为软质相，因而其分布和聚集程度影响合金的性能。Pb相熔点低，且随合金液的补缩而最后凝固，出现在缩孔区（图9），这加剧了合金性能的恶化。

3 结论

（1）615℃加热时，初生相随加热时间的延长球化程度增加，加热130min后初生相呈近球状，合金性能最优，进一步加热组织合并，合金性能恶化。

（2）不同温度加热150min时，随加热温度的升高，球化程度增加，620℃时组织球化程度最高，力学性能最好。

（3）组织球化程度越高，合金液充型平稳，不易卷气，合金组织致密，力学性能越好；同时Pb相约分散、有利于合金性能的提升。

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Effects of Reheating Processes on the Mechanics Properties of Thixoformed Al-Pb Alloy

XIE Lei1,HUANG HaiJun2,ZHANG SuQing2
（1.Carbon Factory Lanzhou Branch CHALCO,Lanzhou 730060,Gansu China；2.School of Materials Science and Engineering Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,Gansu China

The mechanics properties of thixoformed Al-20wt.%Pb alloy with different partial remelting processes have been studied,resulting in that the finest primary particles of the alloy and thus the most excellent performance were obtained at heating temperature 615℃for 150min.But the results from heating for 150 min at different temperatures,the primary particles heated at 620℃were the finest and the mechanics properties the best.The more spheroidal the primary particles,the more compact the microstructure and the easier the deformation during testing,and thus the more excellent the mechanics properties.

Thixoforming；Al-Pb alloy；Mechanics property

TG146.2;

A；

1006－9658（2011）03－4

2010－12－19

2010－189

谢磊（1971-），男，中国铝业兰州分公司炭素厂高级工程师