倾斜板法制备半固态A356合金浆料凝固后的显微组织

刘洪军，王扬虎，李亚敏

（兰州理工大学 有色金属新材料省部共建国家重点实验室，兰州730050）

0 引 言

随着金属产品向轻量化、高性能和低成本方向的发展，对于半固态成形技术的研究越来越深入，应用范围不断扩大。半固态坯料或浆料的制备技术是金属产品半固态成形的前提和关键环节，作为一种短流程、高效率、低成本和工艺简单的半固态浆料制备工艺，倾斜板法得到了广泛的关注，尤其适合在半固态流变铸造中应用［1-4］。

倾斜板法是将略高于液相线温度的金属液倒在倾斜的冷却板上，在重力的作用下金属液流入浆料收集容器中或者直接进入流变成形装置中成形。在流经冷却板的过程中，晶粒大量形核并被冲击、搅拌和脱落，有利于得到球晶或者蔷薇状晶粒的初生相组织，从而可以获得晶粒细小、无明显枝晶的半固态组织。在倾斜板法的原理基础上，很多研究者进行了一些改进，如采用水冷和气冷的混合冷却方式、波浪形板面和振动复合［5-6］、冷却倾斜管［7］、蛇形通道［8］和阻尼冷却管［9］等，取得了更好的半固态浆料制备效果。

在倾斜板法制备半固态浆料时，金属液流动过程影响了结晶初始状态和形核长大条件，最终决定了所形成的半固态合金组织。在各种影响因素中，金属液在倾斜板上的流动距离和速度决定了倾斜板的冷却条件和冲击搅拌效果，而金属液的浇注温度对形核和结晶条件影响非常大。基于倾斜板法原理开发的半固态浆料制备工艺研究中，几乎都涉及这三个关键因素，但大多集中于工艺参数对组织和性能的影响趋势和优化等方面。倾斜板法之所以能够获得非枝晶化的半固态浆料组织，主要源于促进形核和流动冲击两方面的作用。从这两方面的作用分析这三个关键因素对凝固组织的影响，将更有利于认识金属液在倾斜板上流动过程中复杂的动态结晶形核和凝固。因此，作者以A356铝合金为研究对象，采用倾斜板法制备了半固态浆料，考察了浇注温度、金属液流动距离和冷却板倾斜角度对其凝固后显微组织的影响。

1 试样制备与试验方法

试验材料为商用A356铝合金，其化学成分（质量分数/%）为7.0Si，0.35Mg，＜0.20Fe，＜0.20Cu，＜0.10Mn，0.20Zn，＜0.20Ti，＜0.05Pb，余 Al。A356铝合金液相线和固相线的温度分别为615℃和577℃，半固态温度区间为38℃。

倾斜板的结构如图1所示，板由5mm厚的45号钢板焊接而成，总长为1 200mm，倾斜角度由支架调整。半固态浆料收集容器是由厚3mm钢板焊接的底面为150mm×60mm的楔形槽，放置在水冷槽中。所有试验均在约22℃下进行。

图1 制备A356半固态浆料的倾斜板结构示意Fig.1 Schematic drawing of inclined cooling plate for preparing semi-solid A356alloy slurry

首先在坩埚电阻炉中熔化A356合金，熔化温度控制在700℃，在此温度下精炼，当金属液温度降低到预定浇注温度（620，630，640，650 ℃）后，在预设位置将金属液倒出，沿冷却板流入水冷槽中的浆料收集容器中，冷却后取样。每次试验合金浇注量约为800g，在楔形槽收集容器中形成约120mm×50mm×5mm的薄片，在薄片中心位置取样，试样经预磨（粗磨、细磨）、抛光后，用体积分数为0.5%的HF溶液进行腐蚀，然后在MeF3型光学显微镜下观察显微组织。

2 试验结果与讨论

2.1 浇注温度对显微组织的影响

浇注温度对半固态组织的形成有着非常重要的影响，在理想的浇注温度下既能获得良好的半固态组织形态又能保证其在冷却板上的流动速度。浇注温度过高，冷却板促进形核的激冷作用大大降低，甚至不能起到应有的作用；浇注温度过低，金属液流动性能恶化，在冷却板上流动速度太低，甚至部分凝固的金属液会粘附在冷却板上，金属液流动冲击和搅拌的作用将减弱或者不存在，也不能得到半固态的浆料。

试验结果表明，当金属液在冷却板上流动距离（800mm）和冷却板倾斜角度（60°）保持不变，浇注温度为620℃时，由于过热度太小，合金浇注到冷却板上因激冷形成较大的过冷度，初生晶形核长大迅速，过高的固相率阻碍了金属液的流动，在冷却板末端形成凝固的金属壳，收集容器中未能得到完整的凝固试样；在其他三种浇注温度下，金属液的过热度可以保证熔融合金在冷却板上流动顺畅，在收集容器中均可获得较完整的凝固试样。

由图2可见，当浇注温度为620℃（即过热度为5℃）时，得到的凝固组织由初生α相和共晶相组成，大部分初生相以近球团形、蔷薇状晶粒及独立块状存在，符合半固态组织特征。虽然，在此温度下金属液流动不畅，但是激冷效果好，与冷却板接触时大量形核，即使流动冲击作用较弱，得到的试样组织仍然细小，初生晶粒呈现良好的半固态特征，这是由于大量晶核间相互抑制长大，细小等轴晶凝固长大形成。当浇注温度为630℃（即过热度提高到15℃）时，组织中大部分初生α相呈近球状和块状，晶粒尺寸多在50～200μm间，分布很均匀，共晶组织均匀分布在初生晶粒之间，表明在过热度低时，冷却板对金属液的激冷效果好，金属液与冷却板接触时大量形核，大量初生α相晶核间相互抑制长大，以细小等轴晶凝固，同时将共晶成分的金属液均匀分散在初生α相晶粒间，也使得凝固后的共晶组织均匀细小。当浇注温度为640℃（即过热度为25℃）时，初生α相的蔷薇状组织特征明显，晶粒多以簇团状连接在一起，单独块状形貌的晶粒变少，二次枝晶开始出现，晶粒的纵横比逐渐变大，初生相的晶粒尺寸多在100～400μm间，尺寸有所长大，而初生晶粒间的共晶组织更大且相互连接趋向更明显，表明过热度的提高使冷却板的激冷形核作用减弱，初生相形核数量减少，形核后有更多的时间长大，最后凝固的共晶成分液相也更集中；当浇注温度为650℃（即过热度达到35℃）时，初生相的半固态组织特征已经恶化，可以看到明显的枝晶形貌，出现较长一次枝晶臂和二次枝晶臂，初生相枝晶组织粗大，尺寸可达500～1 000μm以上，枝晶间共晶相粗大，因此太高的过热度将使冷却板的激冷作用降低，很难再获得较好的半固态组织。

图2 不同浇注温度下半固态A356合金浆料的凝固显微组织（800mm，60°）Fig.2 Solidification microstructure of semi-solid slurry of A356alloy at different pouring temperatures

采用文献［10］的计算方法分析图2组织中初生α相晶粒的平均形状系数，衡量其晶粒圆整度，该系数越接近于1，晶粒越圆整。结果表明：半固态组织在过热度低于25℃时，圆整度较好，大部分在0.6以上，平均晶粒尺寸在100μm以下；而过热度高于25℃时，圆整度变差，晶粒粗大，初生相组织的半固态形态较差。综合合金液在冷却板上的流动情况，A356合金用倾斜板制备半固态浆料时应将浇注温度控制在630～640℃。

2.2 金属液流动距离对显微组织的影响

当浇注温度和冷却板倾斜角度一定时，金属液流动距离成为调整半固态浆料组织的关键因素。当金属液流动距离为0时，也就是直接浇注而不流经冷却板时，不发生额外的形核或者流动冲击，金属液按照正常枝晶生长方式结晶凝固，随着流动距离逐渐增大，激冷面积增大，可能的形核数量增多，流动冲击搅拌组织的时间变长，因此有利于得到初生相形状良好和分布均匀的半固态浆料，但是同时金属液热量散失也越多，流到冷却板末端的金属液温度越低，金属液流动性变差，如果在冷却板表面形成凝固壳，反而不利于半固态浆料的制备。

设置浇注温度为640℃、冷却板倾斜角度为60°，金属液流动距离分别为500，800，1 000mm。试验结果表明，当流动距离为1 000mm时，冷却板末端已经出现了凝固壳，表明合金液热量散失太多，不适用于半固态浆料的制备。从图3中可以看出，当流动距离较短（500mm）时，凝固组织中初生α相晶粒较粗大，多数都大于200μm，形貌多为蔷薇状，块状和近球形晶粒较少，部分晶粒上出现了较长的枝晶臂；当流动距离适当增加后（800mm），组织中近球状和块状晶粒增多，尺寸变得细小，共晶组织也变得均匀分散。

图3 640℃时不同金属液流动距离下半固态A356合金浆料的凝固显微组织（60°）Fig.3 Solidification microstructure of semi-solid slurry of A356alloy at different flow distances at 640 ℃

金属液在倾斜板上的流程较短时，初生相形核数量较少，枝晶破碎力度较小，而且冷却板末端流出金属液中保留的热量较多，凝固过程中可能熔化掉一些较小的晶核或者破碎的晶臂，造成可长大的晶核变少，凝固时间延长，从而为晶体生长提供更大空间和更长时间，有利于晶粒长大和枝晶臂的发展，因此组织较粗大，晶粒圆整度变差。

从图4可以看出，浇注温度为630℃时，合金浆料的凝固组织表现出了相同的变化趋势。因此增加金属液在冷却板上的流动距离，有利于形成更多的晶核和弱化晶臂生长条件，半固态合金浆料组织更细小均匀，但是过长的流程使冲击搅拌作用和促进形核效果不再明显增强，而且容易形成凝固壳，因此A356合金用倾斜板法制备半固态浆料时应将金属液流动距离控制在800mm左右。

图4 630℃时不同金属液流动距离下半固态A356合金浆料的凝固显微组织（60°）Fig.4 Solidification microstructure of semi-solid slurry of A356alloy at different flow distances at 630 ℃

2.3 冷却板倾斜角度对显微组织的影响

冷却板倾斜角度决定了金属液在冷却板上流动的速度，进而影响了已形核晶粒的冲击碰撞和金属液在板上的接触时间，因此对半固态合金浆料的组织也具有较大的影响。倾斜角度较大，金属液在板上流动时由于重力造成的加速度较大，流动速度增大迅速，形核晶粒间以及晶粒与板面间的冲刷、碰撞和剪切等作用比较激烈，但由于金属液和板面的接触时间较短，金属液热量散失较少，流入收集器时浆料中小的核心和破碎晶臂有可能会熔化，增加晶体的长大倾向。倾斜角度较小时加速度较小，金属液流动速度增大缓慢，形核数量和破碎晶臂数量减少，流动过程中热量散失较多，因此容易形成冷却板末端的凝固壳，半固态浆料的组织形态和分布也有所变化。

浇注温度为640℃、金属液流动距离为800mm时，设置了两种冷却板倾斜角度（30°和60°）。从图5可以看出，当倾斜板倾斜角度为30°时，半固态合金浆料凝固组织中初生α相晶粒形貌大多数为块状，晶粒尺寸多在50～300μm间，没有明显的枝晶出现，共晶组织分散在块状晶粒之间，凝固组织的半固态特征良好，但初生相的均匀程度稍差；当倾斜板倾斜角度为60°时，初生α相晶粒中可以观察到二次枝晶，多呈现蔷薇状组织，块状形貌的晶粒较少，晶粒尺寸多在100～400μm间，共晶组织更集中地分布在初生相晶粒间，尺寸有所增大，但凝固组织仍具有较好的半固态组织特征。

图5 640℃时不同冷却板倾斜角度下半固态A356合金浆料的凝固显微组织（800mm）Fig.5 Solidification microstructure of semi-solid slurry of A356alloy at different inclined angles at 640 ℃

当倾斜板的倾斜角度较大时，流动速度较快，冲击搅拌过程激烈，虽然金属液流出冷却板时含有较多的热量，组织容易变得稍大，但半固态浆料中初生相分布较均匀。当倾斜角度较小时，流动冲击不够激烈，但冲击和搅拌时间较长，组织较圆整细小，有利于获得初生相形态较好的半固态浆料。但是倾斜角度较小时，由于金属液流动较慢，靠近冷却板的金属液中晶核较多且流速慢，远离冷却板的金属液晶核较少且流速快，最终形成的组织均匀性稍差，而且浇注温度不太高时对工艺条件的波动较敏感。当浇注温度为640℃、冷却板倾斜角度为30°时，虽然多数情况下可以制备出较好的半固态合金浆料，但是有时（如环境温度略低或者浇注速度略慢时）也会在冷却板上形成凝固壳，造成浆料制备失败。将浇注温度提高到650℃，获得的浆料凝固组织见图6（a），浆料制备中不出现凝固壳，且对比冷却板倾斜角度为60°时的凝固组织见图6（b），初生相已经没有明显的枝晶，浆料组织得到了极大的改善。因此当浇注温度较高时，可设置较低的冷却板倾斜角度。为了获得较均匀的半固态浆料组织和更好地控制制备工艺，应该采用较低的浇注温度，冷却板的倾斜角度设置为60°较好，对于凝固组织中初生相略粗大及枝晶化倾向稍大的不足，可通过调整浇注温度和金属液流动距离来改善。

图6 650℃时不同冷却板倾斜角度下半固态A356合金浆料的凝固显微组织（800mm）Fig.6 Solidification microstructure of semi-solid slurry of A356alloy at different inclined angles at 650 ℃

综合试验结果和分析，用倾斜板法制备A356合金半固态浆料的优化工艺条件为浇注温度630～640℃，金属流动距离800mm，冷却板倾斜角度60°。

3 结 论

（1）浇注温度决定了金属液的过热度，随浇注温度升高，初生相组织逐渐倾向于更明显的枝晶形貌，过热度过低，冷却板上形成凝固壳，不利于获得良好的半固态浆料；在冷却板上流程更长的金属液有利于更小更圆整晶粒的形成，但不应使冷却板上出现凝固壳；冷却板倾斜角度较大，初生相组织更均匀，倾斜角度较小，组织更细小圆整。

（2）在试验条件下，用倾斜板法制备A356合金半固态浆料的优化工艺条件为浇注温度6 3 0～640℃，金属流动距离800mm，冷却板倾斜角度60°；此时的凝固组织为块状或者蔷薇状初生α相晶粒间均匀分布着共晶组织。

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