硅线石颗粒与铝液混融后挤压下流动凝固的塑性变形特征

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1、第 4 卷 第 1 期1997 年 3 月塑 性 工 程 学 报JOU RNAL O F PLA ST IC IT Y EN G IN EER IN GV o l. 4 N o. 1M ar. 1997硅 线 石 颗 粒 与 铝 液 混 融 后 挤 压下 流 动 凝 固 的 塑 性 变 形 特 征 X(哈 尔 滨 工 业 大 学 150001) 罗 守 靖 陈 威 张 磊 霍 文 灿摘 要 本 文 以 液 态 模 锻 和 液 态 挤 压 研 究 为 基 础 , 提 出 了 一 种 新 型 的 颗 粒 增 强 金 属 基 复 合 材 料 的制 造 方 法 , 并 采 用 实 验 观 察 和 理

2、论 分 析 手 段 , 对 搅 融 混 合 后 的 半 固 态 浆 料 的 挤 压 过 程 进 行 研 究 , 揭示 了 复 合 体 在 流 动 中 凝 固 、 凝 固 中 塑 性 变 形 的 力 学 特 征 , 为 正 确 选 择 工 艺 参 数 和 过 程 的 稳 定 奠 定基 础 。关 键 词 硅 线 石 颗 粒 铝 合 金 复 合 材 料 搅 拌 半 固 态 挤 压 凝 固 塑 性 变 形1 前 言搅 融 混 合 2半 固 态 挤 压 , 实 际 上 是 两 种 工 艺 的 复 合 。 即 搅 拌 漩 涡 法 , 使 增 强 颗 粒 与 基 体 金 属均 匀 混 合 。 继 后 利 用

3、 热 挤 压 原 理 , 把 混 合 好 的 浆 料 (增 强 颗 粒 、 固 相 团 和 基 体 液 态 金 属 混 合 体 )注 入 挤 压 模 具 中 , 并 施 以 高 压 , 使 液 态 金 属 发 生 高 压 凝 固 , 并 胁 迫 增 强 颗 粒 , 一 同 从 挤 压 模 口 强行 挤 出 , 一 次 复 合 成 形 复 合 材 料 制 件 。 该 工 艺 的 主 要 特 点 是 :1) 在 保 证 液 态 基 体 金 属 高 压 凝 固 的 同 时 , 半 固 态 基 体 金 属 还 将 在 随 后 的 挤 压 过 程 中 产 生大 的 塑 性 变 形 , 从 而 根 本 消

4、 除 了 制 件 中 的 显 微 缺 陷 , 使 颗 粒 与 基 体 金 属 结 合 紧 密 , 提 高 了 材 料的 致 密 性 和 强 化 基 体 组 织 的 效 果 。2)挤 压 是 在 基 体 金 属 处 于 固 2液 态 状 态 下 进 行 , 挤 压 变 形 力 小 , 因 而 能 获 得 大 的 挤 压 比 。采 用 该 工 艺 与 通 常 采 用 的 粉 末 法 1 、 渗 铸 法 2 、 搅 拌 法 3, 4 和 液 态 模 锻 法 5, 6 相 比 , 具 有 良好 的 结 合 界 面 , 基 体 无 显 微 缺 陷 , 且 具 有 典 型 变 形 组 织 特 征 。硅 线

5、 石 (A l2O 3 SiO 2) 是 一 种 无 水 硅 酸 盐 , 材 料 成 分 的 理 论 组 成 A l2O 3 占 6219w t% , SiO 2占 3711w t%。 为 黑 龙 江 省 自 然 资 源 , 储 量 极 其 丰 富 。 硅 线 石 颗 粒 硬 度 高 、 耐 高 温 和 热 , 稳 定 性好 , 可 以 直 接 从 矿 石 中 获 得 , 价 格 低 。 目 前 已 有 硅 酸 盐 短 纤 维 增 强 铝 基 复 合 材 料 的 研 究 7 , 因 此有 希 望 成 为 一 种 新 型 的 颗 粒 增 强 剂 。本 文 研 究 了 硅 线 石 颗 粒 与 铝

6、液 搅 拌 混 融 后 半 固 态 挤 压 成 形 过 程 , 得 出 了 挤 压 下 的 半 固 态浆 料 流 动 凝 固 、 塑 性 变 形 的 力 学 特 征 。2 试 验 方 法选 用 2024 (A l 415% Cu 118%M g) 合 金 为 基 体 , 硅 线 石 由 黑 龙 江 省 鸡 西 市 特 种 耐 火 材X 本 研 究 得 到 国 家 自 然 科 学 基 金 (59475055)和 黑 龙 江 省 自 然 科 学 基 金 资 助 。料 厂 提 供 , 经 球 磨 平 均 粒 度 为 70Lm。211 搅 融 混 合搅 融 混 合 在 一 搅 拌 装 置 8 中 进

7、行 。 首 先 对 基 体 合 金 加 热 至 固 液 区 (640 660 ) , 在 氩 气保 护 下 进 行 搅 拌 , 随 后 加 入 硅 线 石 颗 粒 。 颗 粒 加 入 前 需 高 温 烘 烤 (800 2h) , 以 脱 离 所 吸 附的 气 体 , 然 后 再 预 热 (350 ) , 才 能 加 入 基 体 金 属 中 。212 半 固 态 挤 压将 已 搅 融 的 均 匀 混 合 浆 料 , 升 温 至 710 720 , 注 入 挤 压 模 内 , 在 1000kN 液 压 机 上 进行 半 固 态 挤 压 。 工 艺 参 数 为 : 模 具 预 热 温 度 200 2

8、50 ; 挤 压 速 度 3mm s; 挤 压 力 200M Pa;挤 压 比 分 别 为 6, 9, 12。3 试 验 结 果 及 分 析图 1 半 固 态 挤 压 下 金 属 流 动 象 貌F ig11 T he im age of m etalflow under sem in2so lid extrusion1311 半 固 态 挤 压 下 , 金 属 流 动 均 匀图 1 为 板 材 半 固 态 挤 压 最 后 阶 段 金 属 的 流 动 象 貌 。 上 部 有一 明 显 水 平 硬 壳 层 , 与 冲 头 接 触 , 并 一 起 向 直 壁 筒 形 硬 壳 及 下方 的 固 液 浆

9、 料 传 递 作 用 力 , 迫 使 壳 层 产 生 镦 粗 变 形 而 下 移 , 同时 混 合 浆 料 在 流 动 中 凝 固 , 逐 次 的 进 入 挤 压 变 形 区 , 经 受 减 径的 大 塑 性 变 形 。 图 1 明 显 地 示 出 死 区 小 、 无 缩 尾 、 流 动 剧 烈 且 均匀 的 力 学 特 征 。312 基 体 组 织图 2 为 颗 粒 在 前 处 理 、 搅 拌 工 序 相 同 条 件 下 得 到 的 金 属 型铸 造 组 织 (图 2a)、 液 态 模 锻 组 织 (图 2b) 和 半 固 态 挤 压 变 形 组织 (图 2c)。 金 属 型 铸 造 , 基

10、 体 晶 粒 粗 大 且 不 均 匀 , 颗 粒 出 现 推移 和 偏 聚 ; 液 态 模 锻 基 体 组 织 细 小 均 匀 , 颗 粒 分 布 较 均 匀 ; 而 半固 态 挤 压 变 形 组 织 具 有 明 显 的 挤 压 流 线 。 这 是 在 挤 压 下 , 固 液图 2 不 同 成 形 方 法 获 得 的 硅 线 石 增 强 铝 复 合 材 料 组 织a)金 属 型 铸 造 ; b)液 态 模 锻 ; c)半 固 态 挤 压F ig12 T he issues of sillim anite enhanced alum iniumcompound m aterals gained

11、by different fo rm ing m ethods125 塑 性 工 程 学 报 第 4 卷浆 料 发 生 高 压 结 晶 和 流 动 凝 固 , 使 得 枝 晶 晶 粒 、 晶 粒 间 低 熔 点 共 晶 相 或 其 它 偏 析 相 得 到 细 化 ,再 经 挤 压 变 形 进 一 步 破 碎 , 继 续 在 高 温 下 发 生 再 结 晶 的 结 果 , 因 而 显 示 出 特 有 的 力 学 特 征 。313 挤 压 对 颗 粒 作 用挤 压 过 程 中 , 基 体 发 生 大 的 塑 性 流 动 , 无 任 何 塑 性 变 形 能 力 的 颗 粒 以 转 动 、 钉 扎 和

12、 破 碎 形式 来 适 应 基 体 大 的 塑 性 流 动 。 图 3a 显 示 颗 粒 作 了 明 显 转 动 , 长 度 方 向 与 流 线 趋 向 一 致 。 当 颗粒 转 动 不 足 以 协 调 基 体 大 塑 性 变 形 , 而 本 身 又 存 在 裂 纹 类 型 缺 陷 , 那 只 能 靠 破 碎 形 式 协 调 基 体变 形 。 图 3a 中 黑 色 流 线 显 示 出 破 碎 的 硅 线 石 颗 粒 沿 纵 向 排 列 的 组 织 象 貌 。 当 硅 线 石 颗 粒 健 全 ,既 不 能 转 动 , 又 不 能 自 我 破 碎 , 具 有 一 种 钉 扎 作 用 , 阻 碍 基

13、 体 流 动 (如 图 3b 所 示 )挤 压 流 线 有 明显 弯 曲 , 流 动 受 阻 , 即 弯 过 颗 粒 所 致 。图 3 半 固 态 挤 压 过 程 中 颗 粒 的 力 学 行 为a)颗 粒 转 动 或 破 碎 ; b)颗 粒 钉 扎F ig13 T he m echanics p roperties of particles during sem i2so lid extrusion1314 界 面 力 学 特 征复 合 材 料 界 面 性 质 和 界 面 结 合 强 度 直 接 决 定 基 体 和 增 强 相 间 的 载 荷 传 递 , 对 复 合 材 料 力学 性 能 产

14、生 决 定 性 影 响 。通 过 对 颗 粒 中 心 , 颗 粒 基 体 界 面 和 基 体 内 部 的 X 射 线 能 谱 定 点 成 分 分 析 , 结 果 如 表 1 所示 。 在 界 面 上 有 镁 、 铜 富 聚 , 其 浓 度 比 颗 粒 内 部 和 基 体 内 部 高 的 多 ; 硅 的 分 布 : 颗 粒 中 心 部 位 高 ,基 体 内 部 低 , 于 界 面 处 有 一 个 由 高 至 低 的 过 渡 区 。 其 形 成 机 制 为 : 在 搅 融 混 合 和 半 固 态 挤 压 过程 中 , 液 态 金 属 (或 混 合 浆 料 ) 中 的 镁 、 铜 元 素 , 向 硅

15、 线 石 颗 粒 表 面 偏 聚 , 吸 附 于 颗 粒 表 面 , 发 生界 面 反 应 。 硅 元 素 被 置 换 , 从 界 面 向 熔 体 扩 散 。 界 面 反 应 物 为 镁 铝 尖 晶 石 (M gA l2O 4)和 铜 铝 尖晶 石 (CuA l2O 4) , 是 一 种 稳 定 化 合 物 9 。表 1 X 射 线 能 谱 定 点 成 分 分 析元 素 A l Si Cu M g M n Fe T i 检 测 部 位w t%53128 45169 0155 - - 0148 - 颗 粒 中 心57171 8177 26180 5132 - 0139 0144 界 面 处 39

16、0197 0120 0138 5150 1110 0179 0177 基 体 33 不 足 0160w t% 的 其 它 杂 质 未 列 出 。35第 1 期 罗 守 靖 等 : 硅 线 石 颗 粒 与 铝 液 混 融 后 挤 压 下 流 动 凝 固 的 塑 性 变 形 特 征搅 融 混 合 , 使 熔 体 中 生 成 的 固 相 颗 粒 , 对 本 来 不 润 湿 的 硅 线 石 颗 粒 的 夹 带 和 包 裹 作 用 , 阻止 了 后 者 被 熔 体 排 斥 和 结 团 , 达 到 均 匀 混 合 目 的 。 这 时 界 面 已 经 形 成 , 并 有 一 定 厚 度 界 面 反 应物 。 在 随 后 的 半 固 态 挤 压 中 , 压 力 阻 止 了 颗 粒 推 移 偏 聚 过 程 , 亦 增 加 了 颗 粒 与 液 态 金 属