ZL114A合金凝固过程应力变化

冯义成 张令柱 王丽萍 马旭梁 姜文勇 郭二军 刘洪汇 陈冬冬

摘要：以ZL114A合金为研究对象，采用铸造合金熔体凝固特性分析仪对该合金进行动态凝固应力测试，研究了铸造工艺参数对ZL114A合金应力框铸件应力影响。实验结果表明，ZL114A合金凝固过程对应力框铸件的应力状态及变化有重要影响。随着浇注温度的升高，粗杆最小应力值和最终应力值增加。冷却速率增加，粗杆最小应力值变小，最终应力值增加。与未变质试样相比，经Sr变质处理后，粗杆最小应力值减小，最终应力值增加。

关键词：凝固应力;ZL114A合金;显微组织;变质处理

DOI：10.15938/j.jhust.2018.05.024

中图分类号： TG146

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2018）05-0138-05

Solidifying Stress of ZL114A Alloy with Different Process Parameters

FENG Yicheng1，ZHANG Lingzhu1，WANG Liping1，MA Xuliang1，JIANG Wenyong1，GUO Erjun1，LIU Honghui2，CHEN Dongdong1

（1School of Materials Science and Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150040， China;

2AECC Harbin Dong`an Engine Co LTD， Harbin 150066， China）

Abstract：The dynamic solidifying stress of ZL114A alloy was tested by stress testing equipment in this work The effect of casting process parameters on solidifying stress of stressframe specimen was studied The testing results show that the solidifying process has an important effect on the stress state and change of stressframe specimen with ZL114A alloy The minimum stress value and final stress value of coarse bar in stressframe specimen increase with increasing of pouring temperature The minimum stress value decreases and finial stress value increases with increasing of cooling rate Compare to the specimen with unmodified treatment， the minimum stress value decreases and finial stress value increases for the modified ZL114A alloy with Sr

Keywords：Solidifying stress， ZL114A alloy， Microstructure， Modified treatment

0引言

鋁合金具有高的强度、良好的韧性和很好的流动性、气密性和抗热裂性，能铸造复杂形状的高强度铸件，广泛应用于航空、航天、汽车、机械行业等领域[1-8]。铸件在凝固过程中会产生收缩，由于铸型的阻碍作用，从而会在凝固过程中产生热应力和残余应力[9-10]，这对铸件的尺寸精度、铸件性能、铸件质量及铸件变形或裂纹具有重要的影响。因此，研究铸件铸造应力的产生及发展规律，探索减小铸造应力的工艺方法和措施，对提高铸件质量具有重要的实际意义[11-13]。

本文以ZL114A合金为研究对象，采用哈尔滨理工大学自主研制的铸造合金熔体凝固特性分析仪进行ZL114A合金凝固过程应力测试分析，研究ZL114A合金铸造工艺参数对其凝固过程动态应力的影响规律。

1实验材料与实验方法

本实验采用的ZL114A合金材料为生产航空铸件的回炉料，化学成分如表1所示。

本文采用应力框试样进行该合金凝固过程动态应力测试，在测试过程中实时记录凝固过程中的温度变化和力变化，动态应力测试示意图如图1所示。为考察浇注温度对ZL114A合金凝固过程动态应力的影响，固定试样砂型为树脂硅砂砂型，本研究进行了浇注温度为710℃、730℃、750℃和770℃ 4组试验。为考察冷却速度对ZL114A合金凝固过程动态应力的影响，固定浇注温度为730℃，进行了试样砂型为树脂硅砂砂型和铬铁矿砂砂型两组对比试验。为考察合金熔体处理对ZL114A合金凝固过程动态应力的影响，固定浇注温度为730℃，试样砂型为树脂硅砂砂型，进行了ZL114A合金Sr变质处理及ZL114A合金重熔未变质两组对比试验。具体试验方案如表2所示。

2试验结果

21动态凝固应力分析

应力框试样典型的凝固过程中温度、凝固动态应力随时间变化曲线如图2所示。从图中可以看出，无论是凝固温度变化曲线还是动态应力变化曲线，两个细杆的变化曲线基本重合。粗杆的凝固冷却速率明显低于细杆的凝固冷却速率。由于细杆的冷却速率较快，先于粗杆凝固，细杆由于凝固收缩产生拉应力，而粗杆产生压应力[14]。随着凝固时间延长，粗杆开始凝固，产生收缩，使得粗杆由压应力向拉应力转变，应力并持续增加;而细杆所受应力开始下降，直至趋于稳定。

下面以应力框粗杆为例，对ZL114A合金凝固工程进行分析。粗杆冷却曲线及一阶求導函数如图3所示。从图中可以看出，随着凝固时间变化，按冷却曲线斜率大小， ZL114A合金冷却曲线可分四部分。第一部分为从铝液浇入型腔热电偶显示最高温度到αAl开始形核阶段，冷却曲线斜率最大，冷却速度最快。第二部分为αAl开始形核阶段到AlSi共晶凝固开始阶段，该阶段冷却曲线斜率变小。第三部分为AlSi共晶凝固开始阶段到AlMg2Si共晶凝固阶段，该阶段冷却曲线斜率最小，冷却速度最小。第四部分为ZL114A合金全部凝固后冷却阶段。根据图3中冷却曲线一阶求导函数[15，16]，可确定αAl形核温度、AlSi共晶凝固开始和AlMg2Si共晶凝固开始温度分别为621℃、572℃和541℃，如图3中标注所示。

粗杆应力曲线及粗杆与细杆温度差随时间变化曲线如图4所示。从图中可以看出，随着凝固时间变化，粗杆和细杆温度差先增大然后减小趋势变化。由于细杆尺寸较小，在凝固开始时，冷却速度较大，而粗杆尺寸较大，冷却速度较小，造成粗细杆之间存在温度差。细杆完全凝固前，粗杆还未处于共晶凝固阶段，粗细杆温度差先升高然后再降低;当细杆完全凝固后，粗杆还处于共晶凝固阶段，随着时间的变化，粗细杆温度差逐渐变大，当粗杆共晶凝固结束时，粗细杆温度差最大。当粗杆完全凝固后，粗细杆温度差越来越小。液态铝合金在凝固过程中会释放结晶潜热，液态金属比固态金属导热慢，另外合金在共晶反应时也会释放热量。当细杆完全凝固前，进行共晶反应时会放出热量，使细杆冷却速率降低，而粗杆处于液态和αAl形核凝固阶段，粗细杆温度差表现为先升高然后再降低。当细杆完全凝固，而粗杆处于共晶凝固阶段，细杆的冷却速率高，而粗杆的冷却速率低，所以 粗细杆温度差增大。当粗细杆都完全凝固后，粗杆温度高，而细杆温度低，由于两杆温度差别造成其冷却速率差别，即粗杆温度高，冷却速率大，细杆温度低，冷却速率小，所以粗细杆温度差越来越小。

根据粗细杆温度差变化和粗杆凝固应力变化，从图中还可以看出，当细杆完全凝固后，粗杆共晶凝固开始时，也即粗杆凝固形成固体骨架时，粗杆应力处于最小值。随着凝固时间延长，粗细杆温差最大时，凝固应力增加，但增加幅度不大。当粗杆完全凝固，粗细杆都处于固态收缩阶段，粗杆应力持续增加，并呈线性增长趋势。因此，从应力框试样动态凝固应力与试样的凝固过程密切相关，粗杆和细杆凝固进程不同，造成不同部位应力状态不同。也即，对于壁厚不同的铸件，其冷却速度不同，势必会造成不同壁厚部位产生凝固应力，容易造成铸件产生热裂或变形等缺陷。因此，降低铸件不同壁厚部位冷却速率差，实现同时凝固，是降低铸件凝固应力的一个措施。

22工艺条件对ZL114A合金凝固动态应力的影响

不同浇注温度的粗杆动态凝固应力如图5所示。从图中可以看出，浇注温度对动态凝固应力变化趋势没有影响，与图2表现趋势一致。随着浇注温度变化，对最终应力值大小以及凝固过程中最小应力值有所影响。浇注温度越低，其最小应力值也越小;浇注温度越高，最终应力值越大。浇注温度越高，导致铸型升温越高，会影响粗细杆凝固速率，减小粗细杆温度差，可降低凝固最小应力;另外浇注温度越高，使得金属收缩率越大，从而使得最终应力增高。当浇注温度为730℃时，动态凝固应力变化趋势稍有差别，需进一步深入研究。

树脂硅砂砂型和铬铁矿砂砂型的粗杆动态凝固应力如图6所示。从图中可以看出，树脂铬铁矿砂砂型的凝固应力最小值比树脂硅砂砂型的值低，而最终凝固应力值高于树脂硅砂砂型的值。铬铁矿砂导热效果比硅砂好，铬铁矿砂的蓄热系数比硅砂大，因此，铬铁矿砂型的冷却速率大于树脂硅砂砂型的冷却速率，造成粗细杆温差更大，粗杆的凝固速率更高，相同时间收缩更大。从而动态凝固应力最小值更小，最终应力值更高。

回炉料重熔和回炉料重熔+Sr变质的粗杆动态凝固应力如图7所示。从图7可以看出，经Sr变质处理后，粗杆的凝固应力最小值比未经变质处理的要低，最终凝固应力比未经变质处理的要高。Sr变质处理对ZL114A合金的凝固过程产生影响，降低了αAl形核温度和AlSi共晶凝固开始温度，提高了AlMg2Si共晶凝固开始温度。Sr变质处理ZL114A合金的αAl形核温度、AlSi共晶凝固开始和AlMg2Si共晶凝固开始温度分别为617℃、564℃和548℃（与图3的计算方法相同）。这同时说明合金的凝固过程 对其动态凝固应力有重要影响。

23显微组织

不同条件ZL114A合金的铸态金相组织如图8所示。

从图中可以看出，生产航空铸件的ZL114A合金回炉料经730℃重熔后，由于组织遗传效应[17]及回炉料中残留Sr元素，共晶硅为棒状或纤维状，仍为变质组织特征，如图8（a）所示。当浇注温度升到770℃，ZL114A合金中的共晶硅转变为粗大针片状，如图8（b）所示。这是因为高的熔炼温度可以消除组织遗传效应，另外，温度较高时可造成变质元素Sr的严重烧损，Sr含量减少，变质效果消失。与树脂硅砂砂型相比，铬铁矿砂砂型试样中的共晶硅更加细小、均匀。高的冷却速度可以抑制共晶硅长大，提高变质效果。经Sr变质处理后，共晶硅全部变为纤维状。从初生αAl相形貌、尺寸来看，冷却速度影响最大，其次是浇注温度，变质处理影响效果最小。李建峰等人[18]研究结果认为，变质处理只影响Si的形态，αAl相尺寸及枝晶搭接点的固相分数没有影响。结合上述动态凝固应力分析，不同工艺条件对共晶硅尺寸和形貌影响较大，也即对共晶凝固阶段有较大影响，从本研究结果来看，共晶凝固过程对ZL114A合金的凝固应力有较大影响。

3结论

1）应力框粗杆试样动态凝固应力受粗杆和细杆凝固过程的影响，与粗细杆温度差有一定关系。

2）浇注温度对试样凝固应力影响较大，但对粗杆最小应力值和最终应力值影响不同。

3）砂型冷却速率大和Sr变质处理均使粗杆最小应力值降低和最终应力值升高。

参 考 文 献：

[1]刘晓晶，刘翠红，王欣，等 铝合金异形底盒形件预胀成形数值模拟[J].哈尔滨理工大学学报， 2016， 21（5）：29-33，39

[2]李缨缤，郭二军，王丽萍，等 Sm 对7050 铝合金铸态组织及硬度的影响[J].哈尔滨理工大学学报， 2016， 21（5）：20-23，28

[3]WANG J J， ZHANG Z M， PHILLION A B， et al Alloy Development and Reheating Process Exploration of AlSi Casting Alloys with Globular Grains for Thixoforming [J]. Journal of Materials Research 2016， 31（16）：2482-2492

[4]ZUO Min， LIU Xiangfa， DAI Hongshang， et al AlSiP Master Alloy and Its Modification and Refinement Performance on AlSi Alloys[J]. RARE METALS， 2009， 28（4）： 412-417

[5]王宝山，冯义成，郭育阳，等 Al5Ti1B4Sr中间合金对Al8Si合金同时细化和变质效果[J]. 稀有金属， 2016， http：//www.cnki.net/kcms/detail/11.2111.TF.20160713.1658.020.html

[6]王姣姣， 尚淑珍， 路贵民， 等 半固态ZL201合金本构关系研究[J]. 材料科学与工艺， 2012， 20（5）：127-131

[7]赵彦玲， 车万博， 铉佳平， 等 铝硅合金轧制中硅晶粒应力集中数值模拟[J].哈尔滨理工大学学报， 2013， 18（2）：81-85

[8]段守坤， 蒋祖龄， 曾松岩， 等 铸造合金凝固过程瞬时应力的测试[J]. 金属科学与工艺， 1992， 11（3，4）： 95-98

[9]邹树梁 ，周雄锋，唐德文，谢宇鹏 ，徐守龙 新型 FeW 合金应力框铸造应力模拟及变形分析[J].铸造技术， 2016， 37（7）： 1411-1418

[10]白清领，李宏祥，张济山，等 起始铸造速度对 AA7050 合金半连续铸锭应力分布的影响[J]. 稀有金属材料与工程， 2015， 44（1）：158-163

[11]宋强， 孟繁芹 铸造合金动态应力测试装置改进设计[J]. 铸造设备研究， 1988（2）： 45-47

[12]孙谦， 李大勇， 石德全， 等 新型铸造合金线收缩-应力-热裂特性综合测试系统的研制[J]. 铸造， 2006， 55（6）： 608-610

[13]祖方遒， 袁晓光， 梁维中 铸件形成原理[M]. 北京： 机械工业出版社， 2013

[14]王尤生， 王连登， 朱定一 基于热分析法研究Al7%Si合金的凝固過程[J]. 机械工程材料， 2013， 37（11）： 35-39，67

[15]FARAHANY S， OURDJINI A， IDRIS M H， et al Computeraided Cooling Curve Thermal Analysis of Near Eutectic AlSiCuFe AlloyEffect of Silicon Modifier/refiner and Solidification Conditions on the Nucleation and Growth of Dendrites[J]. J Therm Anal Calorim， 2013， 114：705-717

[16]熊永超 利用组织遗传性双重变质过共晶 AlSi 合金的研究[D]. 镇江： 江苏科技大学， 2014

[17]李建峰， 李金山， 寇宏超， 等 熔体处理对A357 合金枝晶搭接点的影响[J]. 中国有色金属学报， 2006， 16（3）：470-475

（编辑：关毅）