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铝合金颗粒材料研究 |
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作者：沈阳工业学院 孙伟成 刘粟新 |
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摘要采用振动法制取铝合金颗粒。探索了各工艺参数对颗粒尺寸、形状及冷却速度的影响；分析了颗粒的金相组织，估算了颗粒材料的凝固速度；采用真空热压技术和热挤压技术，将颗粒制成了试验棒材，测试了材料的力学性能。测试结果表明：采用颗粒制造工艺制取的材料的力学性能优于同成分的铸造材料的1～2倍，是一种有发展前途的材料制造加工工艺。
关键词：颗粒真空热压铝合金快速凝固
快速凝固技术越来越受到人们的重视，它开辟了研制新型合金材料的有效途径。快速凝固的方法不下几十种，其中采用水雾化，制取颗粒材料是其中的一种方法［1］。所谓颗粒是指合金液快凝结晶时获得的质点的尺寸为0.5～10 mm的松散物质。颗粒胜过粉末的优点之一是松散性好，从而有利于连续制取致密的工业用材料。另外，在制取颗粒时，合金液在水中冷却，其冷却速度比生产粉末时大。据文献［2］报道直径为2 mm的颗粒，其冷却速度超过1×104 ℃/s。
试验采用振动法制取颗粒，这种方法能使颗粒的尺寸级别保持稳定，从而使颗粒获得同样的冷却条件。这种方法也较离心法安全，成本比较低。
1试验方法与步骤
1.1颗粒的制造
采用自制的垂直振动装置制造颗粒。试验中，考察了合金液过热度，振动振幅、频率等工艺参数对颗粒尺寸的影响。
1.2试验合金化学成分
试验选用了三种不同合金成分(见表1)。表1试验合金的化学成分(质量分数/%)
试验合金 | Zn | Mg | Cu | Si | Fe | Ni | Al | | Al-Zn-Mg-Cu | 6.8 | 1～1.5 | 0.8～1.0 | — | — | — | 余量 | | Al-Si-Fe-Ni | — | — | — | 18～22 | 4.5～5.5 | 2～3 | 余量 | | Al-Si-Cu | — | — | 0.8～1.0 | 17～19 | — | — | 余量 |
1.3试验步骤
试验流程见图1。
图1试验流程图
振动制粒机的振幅从0到20 mm连续可调，振动频率0～10 Hz连续可调。调整好振幅及频率后，将熔炼好的合金液倒入底部带有1 mm孔径的坩埚内，振动即可制取颗粒。制取的颗粒尺寸相当均匀，筛选只是将个别较大的颗粒挑出去即可。经烘干脱水后，放在真空热压机上加热、去气。真空度为10-3Pa,去气温度400 ℃，热压压力为150 MPa。真空热压坯锭再经过热挤压，制成φ12 mm的试验棒材，挤压温度为350～450 ℃，挤压比为1∶24。挤压试棒经热处理强化后加工成各种试样进行性能测试和金相观察。
2试验结果与分析
2.1频率、振幅对颗粒尺寸的影响
同一种合金在合金过热度保持不变时，改变制粒机的频率或振幅对颗粒尺寸的关系见表2。从表2中可以看出，频率相同，增大振幅，颗粒尺寸减小，也就是说，颗粒尺寸与振幅和频率呈反比关系。改变振幅比较麻烦，而且随着振幅加大，噪音增加，对设备损坏也较大，而改变振动频率较方便易行，只要改变电机转数即可。表2频率、振幅与颗粒尺寸的关系
| 试验编号 | 振动频率/Hz | 振幅/mm | 平均颗粒直径/mm | | 1 | 1 | 10 | 5 | | 2 | 1 | 3.5 | 10 | | 3 | 3 | 3.5 | 6 | | 4 | 5 | 3.5 | 5 |
2.2铝液过热度对颗粒尺寸的影响
在所有的试验中，固定振幅不变，均为3.5 mm。合金为Al-Zn-Mg-Cu系合金，对试验结果分析表明，随着合金液过热度的增加，颗粒尺寸开始减小，当温度达到一定范围时，颗粒尺寸基本保持不变，进一步提高温度，颗粒尺寸增大。
图2合金过热度与颗粒尺寸关系
提高合金过热度和振动频率，不仅对颗粒的尺寸有好处，而且随着这两个参数的增加，装置的产量也会增加。
2.3颗粒材料冷却速度与显微组织
三种不同成分制造得到的颗粒材料均呈圆盘形(见图3)。直径为φ3～8 mm，厚度为1.5～3 mm。其金相组织见图4，图4a为Al-Zn-Mg-Cu合金颗粒(直径d=5 mm)显微照片，经测量二次枝晶间距D=5.71 μm，图4b为Al-20Si-5Fe-3Ni合金颗粒(d=10 mm)金相照片，图中针状相为FeAl3，针的厚度仅铸态的1/6，图4c为Al-18Si-Cu的金相照片，其共晶硅与初晶硅均为颗粒状。根据二次枝晶间距与冷却速度关系曲线［2］确定颗粒材料的冷却速度均为103 K/s。
图3颗粒的形貌
a. Al-Zn-Cu合金b. Al-Si-Fe-Ni合金c. Al-Si-Cu合金
图4颗粒的金相照片×100
2.4颗粒材料的力学性能
选用Al-18Si-1Cu合金颗粒，经连续热压，热挤压成φ12 mm棒材，经520 ℃固溶处理，190 ℃,4 h人工时效处理后加工成拉伸试棒，测试结果如表3。从表3可以看出同样成分的合金，经颗粒化处理后，强度提高1.5倍、伸长率提高4倍，硬度也明显提高，这是由于凝固速度急剧增加，合金元素在αAl中过饱和固溶度增大、产生固溶强化、晶粒明显细化而产生细晶强化，析出初晶硅和共晶硅尺寸明显减小，使初晶硅和共晶硅割裂基体的有害作用降低，因此使材料力学性能大幅度提高。表3Al-18Si-Cu合金力学性能
| 试样编号 | σb/MPa | σs/MPa | δ/% | HB | | 1 | 385 | 360 | 2.5 | 160 | | 2 | 408 | 385 | 2.5 | 155 | | 3 | 408 | 380 | 2.5 | 163 | | 铸态 | 160 | 145 | 0.5 | 110 |
3结论
(1) 采用垂直机械振动法制造铝合金颗粒，颗粒形状为圆状。在确定的工艺参数下，颗粒形状与尺寸稳定，这是振动法制造颗粒的主要优点；
(2) 颗粒尺寸随振动频率和振幅的增加而减小。随着合金过热度的增加，颗粒尺寸开始减小，超过一定温度后，尺寸增加，综合考虑，最佳工艺参数为：合金过热度150～250 ℃，振动频率3.5 Hz,、振幅为3.5 mm；
(3) 在现工艺参数下，颗粒直径φ3～10 mm，厚度3～5 mm颗粒的冷凝速度可达到103 K/s；
(4) 颗粒材料经真空热压、挤压、热处理后，材料的力学性能超过同成分铸态合金1～2倍以上。
作者单位：孙伟成，男，1943年出生，教授，沈阳工业学院材料系，沈阳市文化路81号(110015)
参考文献
[1]柯尔巴什尼柯夫 A H.周光垓译.颗粒材料.北京：国防工业出版社，1986.
[2]张荣生.快速凝固技术.北京：冶金工业出版社,1994.(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(3/12/2005) |
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