電磁攪拌頻率對半固態Al-Cu合金顯微組織的影響

陳莉娟 楊慧敏 陶淑芬

（曲靖師范學院物理與電子工程學院，云南省高校先進功能材料及低維材料重點實驗室，云南 曲靖655011）

半固態金屬具有組織優良、成形力小、流動性能好并且易于生產復合材料與新型合金的特點，被廣泛用于材料加工中。而電磁攪拌法利用電磁感應力的作用將析出的樹枝晶破碎成顆粒狀，由于該方法不易卷入氣體、不污染金屬液，金屬漿料純凈，可連續生產半固態漿料，產量可以很大，是目前生產鋁合金漿料的主要方法之一。Al-Cu合金是應用最早的一類鑄造鋁合金，其特點是具有很高的室溫和高溫機械性能，主要應用于制造承受較大載荷的航空、航天及其它民用機械構件[1-2]。但是常規工藝鑄造的Al-Cu合金枝晶發達，導致材料的強度、塑性下降，嚴重限制了該類合金的應用。本實驗中將半固態電磁攪拌應用到Al-Cu合金中，有助于改變初生α-Al改變的枝晶形貌，達到球化、細化初生晶粒的目的[3-6]。目前初生晶粒在攪拌過程中的轉變機制尚未形成統一和確定的理論[7]。本論文主要研究了正反轉攪拌下換向間隔時間對合金顯微組織的影響，從而為半固態初生晶粒的轉變機制提供參考依據。

1 試驗方法

本實驗采用的Al-Cu合金，其成分（質量分數，下同），Cu為6.67%，Al為93.33%。將Al-Cu合金在中頻感應爐內加熱到800℃使其熔化，再對其精煉、除渣，將精煉過的漿料倒入不銹鋼坩堝中，再將不銹鋼坩堝放入到攪拌器內。攪拌器通過調節電機的輸入電流來改變磁場大小。本實驗采用正反轉等溫攪拌。當合金液溫度降到600℃時開始等溫攪拌，攪拌15min，攪拌電流為15A。攪拌結束后將整個坩堝置于水中快速冷卻以保持攪拌時的合金形貌。

2 試驗結果與討論

正反轉攪拌中不同攪拌頻率下合金的顯微組織：

圖1給出了Al-Cu合金正反轉攪拌下不同換向間隔時間試樣的光學顯微組織照片。從圖可以看出，正反轉攪拌下不同換向間隔時間對初生α-Al影響較大?？偟膩碚f，隨著換向間隔時間的提高，初生α-Al枝晶越細小。如圖1(a)所示，換向間隔時間為5s時初生α-Al呈整個大的薔薇狀枝晶；而換向間隔時間為10s時，一些枝晶臂已經從枝晶主干上脫落下來成為另一個枝晶，如圖1(b)所示；當換向時間間隔為15s時，初生α-Al呈現出更細小的薔薇狀枝晶，如圖1(c)所示；進一步增加間隔時間至20s，初生α-Al呈現非常細小的枝晶，因此在圖1(d)的放大倍數下不能顯示出來，為此我們將它放大500倍觀察，如圖2所示；換向時間間隔為30s時，初生α-Al顆粒尺寸變大，并且呈現球團狀聚集在一起，如圖1(e)所示。

分析圖1(d)和圖2，此時的組織與共晶組織相似，但是本實驗用的合金銅含量不到7%，而Al-Cu合金共晶組織銅含量為33.3%，本實驗中的合金銅含量遠離共晶成分，因此電磁攪拌不太可能將其轉變為共晶成分的組織，所以認為此時的組織有兩種可能，其中一種可能是共晶組織，另一種可能就是非常細小的初生α-Al與共晶組織。我們通過分析軟件對圖2中初生α-Al的百分比進行分析，若是共晶組織，則初生α-Al的百分比大約為39%，而圖2中初生α-Al的百分比為83%,大大超過了共晶組織的百分比，因而可以證實其組織仍然由初生α-Al與共晶組織構成。

實驗結果表明，初生α-Al的顯微組織形貌是由攪拌的激烈程度和攪拌的有效時間綜合作用的結果。在時間間隔為5s時，盡管熔體流動很激烈，但此時由于換向較頻繁，而每次換向都要停止一段時間，從而導致了在這個頻率下的有效攪拌時間很短，因而此時初生α-Al枝晶仍然發達。如果熔體在激烈的紊流中提高有效攪拌時間，初生α-Al的形貌將發生很大轉變，發達的初生α-Al枝晶脫落成幾個枝晶。隨著時間間隔的延長，初生α-Al形貌變差，此時初生α-Al的形貌為發達的枝晶，但此時初生α-Al的晶粒得到很大程度的細化，如間隔15s和20s時，初生α-Al呈現很細小的枝晶。當有效攪拌時間延長到一定程度時，初生α-Al能脫落成幾個枝晶。因此為得到合理的工藝參數，要綜合考慮有效攪拌時間和熔體流動的激烈程度。

3 結論

初生α-Al的顯微組織形貌是由攪拌的激烈程度和攪拌的有效時間綜合作用的結果。若攪拌的有效時間達不到一定值時，即使熔體的流動非常激烈，也不能使初生α-Al的枝晶形貌得以改善；同樣僅僅靠提高攪拌的有效時間而不考慮熔體流動的激烈程度也得不到理想的組織。因此一定要合理地選擇工藝參數，使它們良好的匹配，才能得到理想的組織形貌。

［1］毛衛民,李樹索,趙愛民,等.電磁攪拌對Al-Si合金初生Si長大過程和形貌的影響[J].材料科學與工藝,2001,9(2)：781-784.

［2］陳莉娟,金青林,盧德宏,等.電磁攪拌方式對半固態Al-Cu合金顯微組織的影響[J].鑄造技術,2008,29(5)：655-657.

［3］陳莉娟,李永暉,陶淑芬.電磁攪拌對鋁銅合金宏觀組織及偏析的影響[J].熱加工工藝,2010,39(07)：69-71.

［4］陳莉娟,金青林,蔣業華,等.電磁攪拌下鋁銅合金初生晶生長機理的研究[J].熱加工工藝,2009,38(11)：24-26.

［5］陳莉娟,金青林,蔣業華.電磁攪拌下初生固相與液相關系的初步探討[J].熱加工工藝,2010,39(13)：75-76.

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