金属快速凝固冷却装置及其实验应用★

郭涛铭， 冯志禹， 徐俊哲， 鞠昊言， 水 丽

（沈阳理工大学机械工程学院， 辽宁 沈阳 110159）

引言

过共晶铝硅合金具有密度小、强度高、耐磨性好、导热强度高、膨胀系数低以及良好的铸造性能等优点[1-2]，在航空、航天、内燃机活塞和缸体[3]等领域都有广泛的应用。而且随着合金中硅含量的增加,合金的耐磨性提高,密度降低，线膨胀系数减小，热稳定性增加，耐蚀性提高。在普通铸造条件下,由于冷却速率慢,析出粗大的不规则形态初晶硅,破坏了基体的连续性,显著降低了合金的强度、塑性。变质处理可以改善初晶硅的形貌、细化初晶硅[4],但当合金中硅含量超过14%时, 采用变质处理方法也无法根本消除初晶硅形态粗大带来的不利影响。采用快速凝固技术可以显著细化初晶硅相[5-9]。本文研究冷却速率对Al-18Si、Al-25Si 合金的凝固组织和拉伸性能的影响, 观察不同的冷却速率下Al-18Si 和Al-25Si 合金的微观组织形貌，测量不同冷却速率下合金内部初晶硅颗粒尺寸，研究经不同冷却速率凝固后Al-18Si 和Al-18Si 合金的拉伸性能，分析初晶硅颗粒形态及颗粒尺寸对合金抗拉强度的影响。

1 实验

1.1 冷却设备工作原理

双控金属凝固冷却装置如图1 所示，合金凝固结晶冷却装置由液压元件、循环泵、热电偶、冷凝管等组成，上述元件组合成冷却水循环系统、水流速控制系统、温度测量系统3 个部分。打开进水流量调节阀A，向箱体内注入冷却水至刻度线处，溢流排水截止阀B 开始工作，接通溢流排水截止阀B 与冷却水出口C 使得冷却水持续流入冷却装置循环系统中，打开冷却水出口F 与进水流量调节阀A 保证冷却降温后的冷却水重新流入水流速度控制系统中，通过循环泵与进水流量调节阀A 控制水流速度，配合水流测速仪调节水流速度至恒定不变，随后将经过高温融化的Al-Si 合金液体倒入实验装置中的坩埚D内，将热电偶插入金属液体中，测量Al-Si 合金液体温度，将液体温度变化数据收集反馈至计算机存储。

图1 双控金属凝固冷却装置

1.2 冷却速度选择及力学性能测试

采用纯度为99.95%的纯铝锭和Al-50Si 的工业铝硅在井式电阻炉中配制熔炼Al-18Si 和Al-25Si过共晶铝硅合金，以不同冷却速率凝固，观察不同的冷却条件下的凝固组织。

1）当水流速度为0.9 m/s 时，合金的冷却速率约0.2 K/s；

2）当水流速度为1.1 m/s 时，合金的冷却速率约0.35 K/s；

3）当水流速度为2.0 m/s 时，合金的冷却速率约0.5 K/s；

4）当冷却箱内水流速度为0 时，合金的冷却速率约0.1 K/s。对比不同冷却条件下的凝固组织。用Carl Zeiss Axioskop 2MAY 型光学显微镜和SEM-IAS数字图像分析软件，对不同冷却速率凝固的Al-18Si与Al-25Si 合金中的初晶硅颗粒形貌和颗粒轮廓平均尺寸进行定量分析。拉伸试验在CTM-4GD 型拉伸实验机上进行。拉伸试样的尺寸为Φ18 mm×160 mm，装夹试样，试样端部连接记录应变变化感应片，试验数据记录以Tensile stress（MPa）-Tensile strain（%）曲线的形式自动输出。

2 实验结果与分析

2.1 不同冷却速率下的合金微观组织形貌

在快速凝固过程中，Al-18Si 与Al-25Si 合金内微观组织形态特征（初晶硅的形貌及颗粒尺寸）与铝硅合金冷却速率间存在一定对应关系，通过测量Al-18Si 和Al-25Si 合金内部的初晶硅颗粒尺寸和初晶硅颗粒形状因子来评估合金的冷却凝固速率对合金微观组织形貌的影响；通过测量合金的拉伸强度，间接确定初晶硅颗粒尺寸和初晶硅颗粒形状因子与合金拉伸强度间的对应关系。

甘吉松等[9]的实验结果显示冷却速率对Al-Si合金凝固组织形态有显著的影响，冷却速率不同，初晶硅的形貌和颗粒尺寸大小随之变化。Al-18Si 和Al-25Si 合金在0.2 K/s、0.5 K/s 冷却速度下的微观组织形貌如图2 所示，微观组织由（a-Al+共晶Si+初晶硅）相组成，初晶硅颗粒基本上呈放射状复杂的多角形，形态粗大。Al-8Si 合金中初晶硅颗粒平均尺寸约150 μm（0.2 K/s）;共晶硅为针状，其长度为30～50 μm（如图2-1 所示），当冷却速率为0.35 K/s 时（如图2-2 所示），共晶硅依然呈针状，初晶硅和共晶硅相的形貌与0.2 K/s 冷却速度试样的微观组织形貌特征相同，但是初晶硅颗粒和针状共晶硅相尺寸比0.2 K/s 冷速试样的尺寸都有所减小，随着冷却速率提高至0.5 K/s，Al-18Si 合金中初晶硅颗粒平均轮廓尺寸持续下降至约50 μm。对比图2-3 和图2-4，可以发现Al-25Si 合金在不同冷却速率下初晶硅颗粒平均尺寸演化规律与Al-18Si 合金在不同冷却速率下的演化趋势相似。Al-18Si 和Al-25Si 合金中初晶硅颗粒平均尺寸随冷却速率变化的规律如图3 所示，表明冷却速率越高强化相初晶硅颗粒尺寸越细小。颗粒的形状因子反映了初晶硅相形貌的复杂程度，形状因子绝对值越大，说明初晶硅的形态大多为放射状的复杂星形多边形，随冷却速率提高，形状因子逐步下降（见图4），颗粒形态趋于简单的四边形和碎块状形态。当合金中星形状初晶硅颗粒转变为简单四边形现象发生，有益于提高合金的力学性能。

图2 不同冷速下Al-8Si 和Al-25Si 合金的微观组织形貌

图3 不同冷却速率下初晶硅颗粒轮廓尺寸

图4 初晶硅颗粒形状因子随冷却速率变化

2.2 不同冷却速率下铝硅合金拉伸性能分析

经历不同冷却速率凝固后的Al-18Si 和Al-18Si 合金加工成片状拉伸试样，选取实验温度为室温，进行拉伸强度测试，Al-18Si 合金拉伸测试结果列于下页表1 中。表中对应1-1～1-3 组试样合金的冷却速率为0.5 K/s，2-1～2-3 组试样对应的冷却速率为0.35 K/s，3-1～3-3 组试样对应的冷却速率为0.2 K/s，4-1～4-3 组试样对应的冷却速率为0.1 K/s，对比分析表中数据，合金的强度和延伸率均随着合金冷却速率的提高逐步改善。下页图5、图6 为Al-25Si 合金冷却速率分别为0.2 K/s 和0.5 K/s 拉伸试样的应力-应变曲线，可以看出，在冷却速率较高的0.5 K/s，图5 的抗拉强度达到250 MPa，延伸率接近3%，比冷速为0.2 K/s 试样的强度和塑性分别提高约25%和30%。可见随着冷却速率的提高，过共晶Al-18Si 和Al-25Si 合金的综合性能逐步升高。

图5 0.5 K/s 冷却速度试样室温拉伸曲线

图6 0.2 K/s 冷却速率下Al-25Si 合金拉伸试样的拉伸曲线

表1 Al-18Si 合金不同冷却速率凝固后合金拉伸性能数据

3 结论

1）应用金属凝固冷却设备，可以定量评估合金冷却速率。随着冷却速率的增加，Al-18Si 和Al-25Si合金微观组织中初晶硅颗粒的尺寸逐渐减小，其形状由放射状复杂多角形演化为相对简单多边形和碎块状。

2）在0.1～0.5 K/s 范围内调节合金的冷却速率，Al-18Si 和Al-25Si 合金的组织结构由（a-Al+共晶Si+初晶硅）相组成。Al-18Si 和Al-25Si 合金在0.5 K/s冷却速率试样的抗拉强度比0.1 K/s 冷却速率试样的抗拉强度分别提高约12%和17%，延伸率小幅下降约10%和6%，合金的综合力学性能提高。

3）实验结果表明，双控金属凝固冷却设备可以实现对铝合金冷却速率的调节，并对相关铸造实验提供参考依据。