半固態(tài)處理對(duì)水透明模型合金組織的影響

半固體金屬（ssm）是20世紀(jì)70年代開發(fā)的一種新金屬材料。經(jīng)過20多年的研究和發(fā)展,SSM成形技術(shù)在汽車、通訊、航空、航天、國防等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用,被稱為21世紀(jì)新興的金屬制造關(guān)鍵技術(shù)。與傳統(tǒng)全液態(tài)成形技術(shù)相比,SSM成形技術(shù)具有成形溫度低(以Al合金為例,成形溫度至少可降低120℃左右),延長模具壽命,節(jié)省能源,改善生產(chǎn)環(huán)境,鑄件質(zhì)量提高(減少了氣孔和凝固收縮),減少加工余量,擴(kuò)大壓鑄合金范圍等優(yōu)點(diǎn)。然而由于SSM成形技術(shù)難度大,目前在材料制造技術(shù)中所占份額與傳統(tǒng)技術(shù)相比還很小。半固態(tài)金屬的特殊工藝基于其微觀組織呈均勻細(xì)小的球狀晶。準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)球晶的形成機(jī)理及工藝特性,有助于完善半固態(tài)成形工藝,促進(jìn)其應(yīng)用。目前,人們對(duì)SSM成形機(jī)理的認(rèn)識(shí)大都還是基于Flemings等的枝晶斷裂破碎機(jī)制,認(rèn)為型腔中的初始樹枝晶生成后,在攪拌剪切力作用下,枝晶與熔體、型腔壁以及枝晶之間發(fā)生碰撞、摩擦、剪切等作用,初次枝晶臂發(fā)生折斷、破碎和球化而變成微細(xì)粒狀球晶。實(shí)際上,由于金屬的不透明性,限制了人們對(duì)SSM成形過程中微觀組織的動(dòng)態(tài)演化過程進(jìn)行直接研究,通常只能通過快淬技術(shù),考察SSM在演化過程中某幾個(gè)時(shí)刻的組織形態(tài),進(jìn)而反推其組織演化過程,因此難以克服認(rèn)識(shí)上的片面性。作者采用丁二腈-水透明模型合金,利用其凝固特性與金屬的相似性,對(duì)其在半固態(tài)下微觀組織的動(dòng)態(tài)演化過程進(jìn)行直接觀察,探討半固態(tài)成形過程中的組織演化機(jī)理。1半固體實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)采用丁二腈-5%水(摩爾分?jǐn)?shù))合金。根據(jù)二腈-水相圖(圖1),合金液相線溫度為49.9℃,偏晶點(diǎn)溫度為18.8℃,結(jié)晶溫度間隔31.1℃,為了保證一定的固相分?jǐn)?shù),同時(shí)又不影響對(duì)合金整體的觀察,所以控制實(shí)驗(yàn)的溫度區(qū)域?yàn)?4.5～49.8℃。實(shí)驗(yàn)在自制的透明合金半固態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行,如圖2所示,采用智能控制儀控溫,并通過測速機(jī)組傳動(dòng)來達(dá)到半固態(tài)處理,采用Nikonmicrophot-FXA顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀察,同時(shí)利用JVC攝像頭將圖像直接采集入計(jì)算機(jī),進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理。為了較為細(xì)致地研究合金在半固態(tài)下球狀組織的形成及演化機(jī)理,采用2種實(shí)驗(yàn)方案對(duì)球晶的形成及發(fā)展進(jìn)行觀察:1)先將合金加熱至液相線溫度以上(55℃),施加強(qiáng)制攪拌,中心轉(zhuǎn)子的攪動(dòng)速率控制在500r/min,然后緩慢降溫至實(shí)驗(yàn)區(qū)的適當(dāng)溫度保溫,觀察球晶(定義為初生球晶)的形成。2)通過激冷等手段在試樣盒內(nèi)生成等軸枝晶或柱狀枝晶,然后升溫至合金實(shí)驗(yàn)區(qū)的適當(dāng)溫度保溫,使得部分固相熔化,直到形成穩(wěn)定的固相分?jǐn)?shù),之后再施加強(qiáng)制攪拌,直到球晶(定義為二次球晶)形成。2結(jié)果2.1過冷度對(duì)球晶的影響采用方案1),將系統(tǒng)溫度降至48.2℃保持恒定,此時(shí)液相合金的過冷度為1.7℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,當(dāng)保溫約3min時(shí),液相中開始有球晶形成,如圖3(a)所示,并且隨著保溫時(shí)間延長,球晶數(shù)量迅速增加,如圖3(b)所示,合金的固相分?jǐn)?shù)逐漸增大,隨著保溫時(shí)間的繼續(xù)延長,球晶開始呈團(tuán)聚分布,如圖3(c)所示,合金中的固相分?jǐn)?shù)最終保持穩(wěn)定。為了分析過冷度對(duì)球晶形成的影響,在相同的初始溫度和中心轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的情況下,分別采用不同的最終過冷度2.7,3.4,4.4和5.4℃,對(duì)球晶的形成進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)隨著過冷度的增大,球晶的形成時(shí)間逐漸縮短,但球晶的最終尺寸變化不大,平均晶粒度為40μm。但不同過冷度對(duì)合金完全凝固后的最終球晶組織有一定影響,過冷度越大,隨后的降溫凝固過程中球晶失穩(wěn)的枝晶化趨勢越強(qiáng),而在較小的過冷度下,可以獲得較好的完全球化組織,如圖4所示。2.2次球晶的形成過程與金屬的情況相同,在通常凝固條件下丁二腈-5%水模型合金固相存在兩種形態(tài):等軸枝晶和柱狀枝晶。對(duì)于初始晶形為等軸枝晶,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)強(qiáng)制攪拌啟動(dòng)后,等軸枝晶在流場剪切應(yīng)力的作用下,一次或高次發(fā)達(dá)枝晶臂大量斷裂、破碎,在液相作劇烈的遷移,同時(shí)隨著攪動(dòng)時(shí)間的延長,斷裂和破碎后的枝晶逐漸鈍化、溶解直至消失形成完全液相。隨著攪動(dòng)時(shí)間的進(jìn)一步增加,二次球晶在攪動(dòng)的液相中迅速大量形核長大,如圖5所示。對(duì)于初始晶形為柱狀枝晶,二次球晶形成演化過程如圖6所示。由于柱狀枝晶排列較為緊密,二次壁不發(fā)達(dá),一次臂具有較高的強(qiáng)度,不易破碎,因此,強(qiáng)制攪拌啟動(dòng)初始,柱狀晶晶臂只是逐步熔化減少,如圖6(a)所示,在后期才有少量的斷裂枝晶在液相中遷移。與初始晶形為等軸枝晶的情況不同,柱狀晶在絕大部分晶臂熔化后,球晶就已經(jīng)開始形成,如圖6(b)所示,產(chǎn)生了球晶和枝晶共存的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)同時(shí)發(fā)現(xiàn),對(duì)比兩種初始晶態(tài),等軸枝晶相對(duì)更容易形成二次球晶,而柱狀晶形成二次球晶需要的時(shí)間相對(duì)長一些。這主要是由于柱狀晶的生長形態(tài)和分布決定了其整體結(jié)構(gòu)具有較高的強(qiáng)度,在剪切應(yīng)力作用下比等軸枝晶更穩(wěn)定,即使在強(qiáng)制攪動(dòng)的作用下,柱狀晶也不易破碎形成二次球晶。2.3擾動(dòng)速率的確定當(dāng)其它條件不變,攪動(dòng)速率分別恒定為200,500,1200,2200和3500r/min時(shí),研究攪動(dòng)速率對(duì)球晶演化的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)攪動(dòng)速率設(shè)定為500r/min時(shí),球晶數(shù)量最多,而當(dāng)攪動(dòng)速率達(dá)到2200r/min時(shí),球晶明顯減少,固相分?jǐn)?shù)也顯著降低,當(dāng)攪動(dòng)速率達(dá)到3500r/min,無球晶產(chǎn)生。由此可見,球晶形成存在一個(gè)攪動(dòng)速率閾值,只有在低于此速率時(shí),才能產(chǎn)生球晶。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)攪動(dòng)速率的變化對(duì)球晶的產(chǎn)生有很大的促進(jìn)作用。在攪動(dòng)速率為500r/min生成大量球晶后,將攪動(dòng)速率提高到3500r/min,此時(shí)球晶逐漸消失,但當(dāng)把攪動(dòng)速率再降低到500r/min時(shí),可以觀察到大量球晶的再次形成。若首先在2200r/min的攪動(dòng)速率下將枝晶攪碎、熔化,此時(shí)無球晶形成,然后突然停止攪動(dòng),再瞬時(shí)將攪動(dòng)速率突然提升到2200r/min,有大量球晶的產(chǎn)生,但是大約1min后,這些球晶又再次溶解消失?？疾鞌噭?dòng)速率從3500r/min變到2200r/min再階躍變化至3500r/min時(shí)球晶的形成情況,結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)把攪動(dòng)速率降低至2000r/min時(shí),與前述恒定攪動(dòng)速率的情況不同的是,此時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大量球晶,但隨著攪動(dòng)時(shí)間的增加,這些球晶又會(huì)逐漸消失;若再把攪動(dòng)速率從2200r/min突然提高到3500r/min,同樣會(huì)形成大量球晶。由此可見,攪動(dòng)速率的突變對(duì)球晶的形成具有促進(jìn)作用。在上述的恒定攪動(dòng)速率和攪動(dòng)速率突變的實(shí)驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)在不同的攪動(dòng)速率下所獲得的球晶尺寸相差不大,但在低速攪動(dòng)時(shí)所形成的球晶存在大量團(tuán)聚現(xiàn)象,高速時(shí)團(tuán)聚現(xiàn)象明顯減少,如圖7所示。這主要是由于攪動(dòng)速率的變化影響了液相中的剪切速率,從而影響到液相黏度。攪動(dòng)速率越小,剪切速率越小,黏度越高,從而造成了球晶的大量團(tuán)聚。實(shí)驗(yàn)同時(shí)發(fā)現(xiàn),在一定的攪動(dòng)速率下獲得的球晶,當(dāng)合金的固相分?jǐn)?shù)基本穩(wěn)定之后,若停止攪動(dòng),長時(shí)間恒溫靜置,球晶形態(tài)及尺寸將基本保持穩(wěn)定。以在500r/min攪動(dòng)速度下所獲得的球晶為例,在恒溫靜置了6h后,球晶形態(tài)和尺寸基本不變,其中球晶平均晶粒度為60～75μm。3剪切力與球晶的形成由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,在丁二腈-5%水模型合金半固態(tài)球化過程中,球晶是由攪動(dòng)的均勻液相形核長大產(chǎn)生。在強(qiáng)烈的攪拌作用下,熔體各處溫度及溶質(zhì)分布基本上是均勻的,因此當(dāng)溫度降低到足以形核的過冷度時(shí),就可在整個(gè)熔體內(nèi)同時(shí)非均質(zhì)形核。形核后的生長過程受到流體流動(dòng)的強(qiáng)烈影響,主要是在攪拌的均勻混合作用下,晶核在各個(gè)方向溫度均勻化,固液界面的溶質(zhì)濃度梯度減小,降低了成分過冷,而成分過冷是生成枝晶的必要條件,因此球狀結(jié)構(gòu)是這種條件下唯一的生長形態(tài)。對(duì)于先形成枝晶再施加攪拌的情況,剪切力的作用首先是破壞枝晶結(jié)構(gòu)。但枝晶在破碎過程中始終保持枝晶形態(tài),只有程度不同的熟化,在完全熔化之前難以達(dá)到充分球化。從等軸晶和柱狀晶對(duì)比實(shí)驗(yàn)可以看出不論剪切力是促使枝晶斷裂破碎還是促使枝晶熔化,歸根結(jié)底是促使枝晶結(jié)構(gòu)形態(tài)隨時(shí)間的發(fā)展而趨于消失。而在球化現(xiàn)象發(fā)生之后,剪切力則既具有促進(jìn)球晶形成