快速凝固高硅鋁合金粉末熱擠壓成形機(jī)理研究

快速凝固高硅鋁合金粉末熱擠壓成形機(jī)理研究

高速硬化技術(shù)與冶金技術(shù)（ss-pm）相結(jié)合，產(chǎn)生的高硅鋁材料在汽車(chē)、電子、航空工業(yè)等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。對(duì)于快速凝固高硅鋁合金粉末而言,應(yīng)用最為廣泛的致密化技術(shù)是粉末熱擠壓。目前,國(guó)內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)主要集中在材料的組織和性能方面,對(duì)于粉末熱擠壓過(guò)程的成形機(jī)理研究較為少見(jiàn)。采用快速凝固法制備的高硅鋁合金材料與常規(guī)鑄造高硅鋁合金相比綜合性能有顯著的提高,但由于成形工藝復(fù)雜導(dǎo)致材料的制造成本升高,限制了該類(lèi)材料的工業(yè)應(yīng)用。因此,對(duì)快速凝固高硅鋁合金粉末的成形技術(shù)進(jìn)行深入研究是很有必要的。與常規(guī)致密金屬的擠壓成形相比,快速凝固高硅鋁合金粉末熱擠壓成形存在以下特殊性:1)粉末生坯體積可壓縮性;2)由于粉末含有大量的初晶Si相,材料的塑性較差,同時(shí)由于Si相顆粒的硬度高,加劇了模具的磨損,故通常需要用塑性較好的材料(如純鋁)做包套封裝;3)由快速凝固得到的微觀結(jié)構(gòu)特征在致密化以后能否保留下來(lái)對(duì)大塊材料性能的影響非常關(guān)鍵。另外,快速凝固微觀結(jié)構(gòu)受熱發(fā)生的變化通常是不可逆的,即不能通過(guò)熱處理手段來(lái)恢復(fù),故確定合適的熱擠壓溫度、保溫時(shí)間等工藝參數(shù)也很重要。作者對(duì)快速凝固高硅鋁合金的熱擠壓成形過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,通過(guò)分析粉末生坯加熱、擠壓過(guò)程中的相結(jié)構(gòu)、微觀組織、密度以及擠壓力的變化,對(duì)粉末熱擠壓成形機(jī)理進(jìn)行探討,旨在明晰各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)擠壓過(guò)程的影響,為該類(lèi)材料的工業(yè)應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。1試驗(yàn)設(shè)備及密度測(cè)量采用空氣霧化法制備合金粉末,粉末的化學(xué)組成為Al-28%Si-1%Cu-1%Mg-1%Fe(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。在合金粉末中加入0.5%硬脂酸鋅,混粉15min,然后將粉末冷壓成相對(duì)密度為70%～80%的生坯,裝入純鋁包套內(nèi),除氣后將坯料和熱擠壓模具放入加熱爐中加熱、保溫,加熱溫度為500℃,保溫時(shí)間1h,取出即進(jìn)行熱擠壓試驗(yàn),模具涂以少量汽缸油和石墨混合潤(rùn)滑劑,擠壓比為17(生坯和擠壓棒直徑分別為50mm和12mm),擠壓錐角90°。將熱擠壓得到的擠壓棒車(chē)去包套待用。為了研究擠壓過(guò)程中材料的組織結(jié)構(gòu),在部分?jǐn)D壓實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行中途卸載,此時(shí)仍有一部分坯料留在陰模內(nèi),取出這部分坯料制成試樣,測(cè)量密度,分析微觀組織和相結(jié)構(gòu),并與生坯和擠壓棒進(jìn)行比較。用排水法測(cè)量試樣密度,電子天平感量為0.1mg,密度測(cè)試試樣尺寸為10mm×10mm×10mm。在MeF3型金相顯微鏡下觀察微觀組織。在D/Max-ⅢA型X射線衍射儀上進(jìn)行材料相結(jié)構(gòu)分析,采用CuKα靶,石墨單色濾片,步長(zhǎng)0.1°。2結(jié)果與討論2.1擠壓載荷變化隨著上模沖向下運(yùn)動(dòng),擠壓力逐漸增大,但坯料仍留在陰模內(nèi),并未被擠出。在本實(shí)驗(yàn)條件下,當(dāng)擠壓力升至9×105～1×106?N(即擠壓載荷為485MPa)時(shí),坯料開(kāi)始從擠壓嘴流出。隨后的擠壓力逐漸減小,在7×105?N左右趨于穩(wěn)定直至坯料全部流出。由于設(shè)備條件的限制,本實(shí)驗(yàn)沒(méi)有得到精確的擠壓載荷—位移曲線。擠壓力降低并趨于穩(wěn)定的原因有:坯料與模具的接觸面積隨著擠壓試棒的擠出逐漸變小,因此擠壓所需克服的摩擦阻力也逐漸減小;由于鋁具有較高的層錯(cuò)能,在熱塑性變形過(guò)程中容易通過(guò)位錯(cuò)的攀移和交滑移產(chǎn)生動(dòng)態(tài)回復(fù),從而導(dǎo)致材料軟化等等。2.2熱擠壓過(guò)程分析在擠壓實(shí)驗(yàn)中途卸載取出坯料截取試樣,取樣部位如圖1所示。測(cè)量試樣的密度,并與擠壓棒及生坯密度進(jìn)行比較,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可以看出,當(dāng)陰模內(nèi)的坯料開(kāi)始擠出以后,其密度與最終擠壓試棒的密度已很接近,近似全致密。結(jié)合擠壓力的變化情況,可以把粉末生坯的熱擠壓過(guò)程分為2個(gè)步驟:1)隨著擠壓載荷的增加,生坯的致密度逐漸增大至接近全致密材料,這類(lèi)似于一個(gè)熱壓過(guò)程;2)當(dāng)擠壓載荷升至最高值時(shí),坯料開(kāi)始從擠壓嘴流出,這一階段材料的密度只有微小的增加,而擠壓載荷逐漸降低并趨于穩(wěn)定,故為一個(gè)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過(guò)程。2.3坯料的結(jié)構(gòu)分析圖2顯示了擠壓不同階段合金的微觀組織。圖2(a)為快速凝固高硅鋁合金原始粉末的微觀組織,其中灰色塊狀相為初晶Si,其尺寸為2～10μm,采用截線法測(cè)量其平均粒徑為5μm。圖2(b)和(c)為擠壓中途留在陰模內(nèi)的坯料的微觀組織,可以看出與原始粉末相比,Si顆粒有一定程度的粗化,這一現(xiàn)象在圖2(c)中表現(xiàn)得更為明顯。圖2(b)和(c)中初晶Si顆粒平均尺寸分別為9μm和11μm,這說(shuō)明Si顆粒分布是不均勻的。圖2(d)為擠壓變形區(qū)內(nèi)的坯料微觀組織,可以看到其中一些較大的Si顆粒內(nèi)部已經(jīng)產(chǎn)生了裂紋,且該區(qū)域Si顆粒平均尺寸為7μm,與圖2(b)和(c)相比有所細(xì)化。圖2(e)為最終擠壓棒料的微觀組織,其Si顆粒平均尺寸為5.2μm,與圖2(a)相比沒(méi)有明顯的粗化。圖3為擠壓實(shí)驗(yàn)不同階段坯料的XRD相結(jié)構(gòu)分析結(jié)果。由圖3可以看出,粉末生坯、擠壓過(guò)程中的坯料以及最終擠壓棒料主要由α(Al)和Si相組成,在本實(shí)驗(yàn)條件下,熱擠壓過(guò)程沒(méi)有導(dǎo)致新相產(chǎn)生和晶粒尺寸的明顯變化,也就是說(shuō),快速凝固的組織和結(jié)構(gòu)特征沒(méi)有因熱擠壓過(guò)程而受到破壞。2.4粉末熱擠壓實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析粉末與致密金屬材料相比,其熱擠壓過(guò)程的一個(gè)顯著特點(diǎn)是粉末(包括粉末生坯)具有可壓縮性,而致密金屬的塑性變形可以認(rèn)為是一個(gè)體積不變的過(guò)程。由于粉末生坯具有較大的孔隙度,在擠壓過(guò)程的開(kāi)始階段,隨著載荷的升高,生坯的孔隙縮小乃至消失,從而引起坯料致密度的提高,在這一階段,生坯的致密度提高程度最為顯著。本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)的填充擠壓階段密度變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致?！疤畛鋽D壓”這一概念較好地反映了熱擠壓過(guò)程第一階段的特點(diǎn)。由于存在這樣一個(gè)類(lèi)似熱壓的階段,可以推斷,生坯的致密度對(duì)于最終獲得的熱擠壓材料的性能影響很小。本實(shí)驗(yàn)中另外采用相對(duì)密度為70%的生坯,在相同工藝條件下,獲得擠壓棒的相對(duì)密度仍為98%,其力學(xué)性能與相對(duì)密度為78%的粉末生坯擠壓棒基本相同。因此,粉末生坯密度只是影響模具尺寸,生坯相對(duì)密度越低,相應(yīng)的陰模尺寸越高,從而導(dǎo)致材料的浪費(fèi);而要提高粉末生坯的相對(duì)密度則對(duì)冷壓成形設(shè)備有較高的要求。當(dāng)粉末生坯經(jīng)填充擠壓階段被壓縮至接近全致密材料后,隨著擠壓載荷升高至大于材料在該溫度下的屈服極限,坯料從陰模出口流出,這一階段材料的致密度只有微小的增加(本實(shí)驗(yàn)為1%)。引起致密度增加的主要原因是在擠壓變形區(qū)強(qiáng)烈的三向壓應(yīng)力的作用下,粉末表面的氧化膜破裂,粉末之間以新鮮金屬表面接觸從而加劇了合金元素的相互擴(kuò)散過(guò)程,使粉末之間的結(jié)合變得更加緊密。初晶Si相的形態(tài)、尺寸及分布狀況是影響高硅鋁合金材料性能的關(guān)鍵因素。獲得Si顆粒細(xì)小且分布均勻的微觀組織有利于材料的室溫、高溫力學(xué)性能及摩擦磨損性能的提高。在快速凝固高硅鋁合金粉末熱擠壓過(guò)程中,Si顆粒尺寸存在2種變化趨勢(shì):一方面Si顆粒受熱發(fā)生長(zhǎng)大,這主要通過(guò)獲取Al基體中過(guò)飽和固溶的Si原子來(lái)實(shí)現(xiàn);另一方面由于Si顆粒是硬脆相,在擠壓過(guò)程強(qiáng)烈的三向壓應(yīng)力作用下發(fā)生破碎從而得以細(xì)化。這兩方面的作用共同決定了最終擠壓材料中的Si相尺寸。在本實(shí)驗(yàn)條件下,最終得到的擠壓材料與原始粉末相比,Si顆粒沒(méi)有明顯的粗化,且分布均勻,這種微觀組織較為理想。3擠壓材料的化1)快速凝固高硅鋁合金粉末熱擠壓過(guò)程可以分為2個(gè)階段:填充擠壓階段和穩(wěn)態(tài)流動(dòng)