半固态硼合金铸造技术研究

2014-11-24四川材料与工艺研究所江油621700余国红

金属加工(热加工) 2014年5期

四川材料与工艺研究所（江油 621700）刘华余国红

硼合金具有低成本、高硬度、高耐磨性等优点，有望成为继镍硬铸铁与高铬铸铁之后的新型耐磨材料。但硼合金韧性处于较低的水平，很难应用于冲击载荷较大的工况。本文研究了半固态加工技术铸造硼合金的组织和性能，通过半固态铸造显著提高了硼合金的冲击韧度。

1.半固态工艺简介

半固态金属加工技术，就是金属在凝固过程中进行剧烈搅拌，或控制固-液态温度区间，得到一种液态金属母液中均匀地悬浮一定固相组分的固－液混合浆料，这种半固态金属浆料具有流变特性，易于通过普通加工方法制成产品，采用这种既非完全液态又非完全固态的金属浆料加工成形的方法，就称为半固态金属加工技术。凡具有固－液两相区的合金均可实现半固态加工。半固态加工的基本方法可分为流变成形和触变成形两种，与普通的加工方法相比，半固态金属加工方法具有以下独特的优点：

（1）应用范围十分广泛，可适用于多种加工工艺。

（2）加工温度较液态金属低，减轻了对模具的热冲击。

（3）可改善晶粒形貌，半固态浆料流动性较好，能以更高的速度成形部件，且可进行复杂件成形，缩短加工周期。

（4）属于近净成形，改善了表面粗糙度，提高了材料的利用率，有利于节能节材，加工成本低。

目前，铝镁合金的半固态加工技术已用于工业生产。

半固态加工技术中的一个关键问题就是如何制备优质的半固态金属浆料或坯料。常用的制备方法包括搅拌法、应变诱发熔化激活法、喷射成形法、倾斜冷却体法等。

2.试验方法

本文中采用倾斜冷却体法。该方法是由日本宇部生产株式会安达充等根据大野笃美的晶粒游离理论于1996年提出并获得专利。将液态金属通过浇包倾倒在倾斜冷却体上，通过冷却体表面的激冷作用使金属液产生晶核，在后续流体的冲刷下晶核从表面游离而形成半固态浆料。倾斜冷却体法对于初生相形核有明显的促进作用，用该方法制备半固态浆料可实现浆料的连续制备，具有装置简单、成本低、效率高、占地面积小等优点，因而特别适合于熔点较高的黑色金属。半固态制备硼合金的成分见下表。

半固态制备硼合金的成分（质量分数）（%）

3.试验装置

采用倾斜冷却体法制备高硼铁基合金的试验设备如图1所示。整个试验装置由三部分组成：倾斜冷却体、砂箱、计算机测温系统。倾斜冷却体由灰铸铁组成，表面采用等离子喷涂方法喷覆上与初生奥氏体相不润湿的硼化物涂层。倾斜冷却体板长为400mm，倾斜角30˚。试验中控制浇注温度为1450℃。测温系统包括铂铑热电偶和耐高温温度测试仪，能测量约1500℃的高温。

在半固态加工技术中，必须控制一定的初生相体积分数，即固相率。若固相率过低，则达不到半固态加工的效果；若固相率过高，一方面不利于得到初生相均匀分布的半固态浆料，另一方面会导致浆料流动性差，不利于金属浆料充型。本试验中半固态浆料固相体积分数控制在10%～20%。

图1 倾斜冷却体法制备硼合金的试验装置

4.试验结果

图2为铸态下硼合金的金相组织。铸态下，不同铸造工艺下的硼合金都是由铁素体、珠光体和网状分布的共晶硼化物所组成。通过对比可以发现，半固态铸造硼合金的基体相晶粒有一定的细化，晶界处的共晶硼化物变细、变薄，大块团簇的鱼骨状硼化物减少。

图2 硼合金铸态组织形貌

硼合金经过1000℃保温4h后水淬，之后在180℃低温回火4h的热处理工艺后，组织如图3所示。从图中可以看出，半固态铸造硼合金经过热处理后，硼化物形态得到了明显改善，大块硼化物减少，对基体的割裂作用减弱，这有利于硼合金韧性的提高。经测试，冲击韧度由普通铸造的9.2J/cm2提高到19.6J/cm2。