【文章內(nèi)容簡介】 現(xiàn)這一目標,當前還需要盡快解決以下幾個問題[20]: ①半固態(tài)坯料質量及其穩(wěn)定性是保證后續(xù)工藝穩(wěn)定和最終產(chǎn)品質量的關鍵,因此需要盡快開發(fā)制備高質量大直徑半固態(tài)坯料的制備技術,滿足工業(yè)化生產(chǎn)的需要。 ②進一步降低半固態(tài)坯料的生產(chǎn)制造成本,研究和開發(fā)多流半固態(tài)連續(xù)鑄造技術,使半固態(tài)坯料的制造成本接近或達到普通連鑄的水平。 ③研究開發(fā)適合不同零件需要的系列化二次加熱設備,提高二次加熱設備的自適應能力,解決坯料加熱不均勻問題。提高二次加熱設備的自動化程度,以提高生產(chǎn)效率。 ④研究開發(fā)半固態(tài)觸變鍛造成形技術,研究不同鋁合金材料的觸變成形工藝,促進高硅鋁合金、變形鋁合金在半固態(tài)加工中的應用,以滿足汽車工業(yè)對高強、高耐磨零部件的需求。 ⑤研究開發(fā)適合半固態(tài)觸變壓鑄成形的專用壓鑄機,特別是專用的壓鑄模具,以提高半固態(tài)材料的有效利用率。 ⑥開發(fā)適合半固態(tài)專用的合金體系。２　實驗方法和過程. 實驗設備與材料設備：鋸齒、砂輪機、坩堝電阻爐、預磨機、拋光機、吹風機、顯微鏡。 材料：2A14鋁合金，金相砂紙、拋光粉、拋光布、浸蝕劑、棉球、酒精，三氧化二鋁粉末。. 實驗內(nèi)容與步驟第一步原料準備條狀2A14鋁合金1塊，鋸齒1把，鋸條數(shù)條，鹽酸溶液，硝酸溶液，100ml量筒1個，漏斗一個，拋光粉，激冷澆道，拋光布，金相砂紙若干，棉球，三氧化二鋁粉末等材料，為鋁合金的熔煉變質處理半固態(tài)漿料制備半固態(tài)坯料激冷做準備。第二步:鋁合金熔煉將鋸好的試樣放入KSWK4D11型電阻爐溫度控制器控制熔煉溫度；澆注溫度分別為678℃，688℃，700℃，710℃。當井式電爐中的2A14鋁合金加熱至設定溫度并熔化后，在不同溫度下保溫一段時間，避免因為加熱爐的加熱慣性作用產(chǎn)生的溫度不穩(wěn)定，引起溫度誤差。第三步:變質處理變質處理就是向金屬液體中加入一些細小的形核劑（又稱為孕育劑或變質劑），使它在金屬液中形成大量分散的人工制造的非自發(fā)晶核，從而獲得細小的鑄造晶粒。第四步:半固態(tài)漿料制備及坯料的激冷利用自行設計的半固態(tài)試驗裝置進行半固態(tài)漿料的制備。將加熱到澆注溫度分別為678℃，688℃，700℃，710℃的進行變質處理的熔化的半固態(tài)液態(tài)金屬液澆注到裝置后，在制備半固態(tài)漿料的同時,向在澆注溫度分別為678℃，688℃，700℃，710℃的熔化的液態(tài)金屬中加入體積比為10%的Al2O3作為顆粒增強劑,以獲得半固態(tài)的鋁基復合材料,達到提高材料性能的目的。合金發(fā)生傳熱與流動，最后澆鑄成型水中激冷，得到半固態(tài)合金漿料組織。合金組織主要由細小的球形晶和攻瑰晶及殘余液相成，在合理的澆注溫度條件下，制備的半固態(tài)合金漿料適于進行流變成形。第五步：金相組織的制備①磨制：研磨的過程包括磨平、磨光、拋光3個步驟。1． 磨平即粗磨 試樣截取后，第一步進行粗磨，粗磨一般在落地砂輪上進行。磨料粒度的粗細，對試樣表面粗糙度和磨削效率有一定影響，粗磨時，還應注意蘸水冷卻，防止組織變化。2． 磨光即細磨 試樣經(jīng)粗磨后表面雖已平整，但還存在較深的磨痕及表面加工變形層，需要通過從粗到細的不同金相砂紙的磨制，把它們逐漸減輕，為進一步拋光做好準備。金相砂紙是磨光金相試樣的重要材料，一般采用的磨料為碳化硅和氧化鋁。手工磨光試樣時，砂紙應放在玻璃板上，依次用280號、500號、水砂紙、0、0003號金相砂紙磨光，每更換一道砂紙。試樣應轉動90度 ，并使前一道的磨痕徹底去除。除了手工細磨外，還可用金相試樣預磨機機械細磨，但磨光時需注意用水冷卻，避免磨面過熱。3． 拋光：拋光有機械拋光、電解拋光、化學拋光。最常用的是機械拋光。機械拋光在金相拋光機上進行。拋光時，試樣磨面應均勻的輕壓在拋光盤上。并將試樣由中心至邊緣移動。并做輕微移動。在拋光過程中要以量少次數(shù)多和由中心向外擴展的原則不斷加入拋光微粉乳液，拋光應保持適當?shù)臐穸?，因為太濕降低磨削力，使試樣中的硬質相呈現(xiàn)浮雕。濕度太小，由于摩擦生熱會使試樣生溫，使試樣產(chǎn)生晦暗現(xiàn)象，其合適的拋光濕度是以提起試樣后磨面上的水膜在3～5秒鐘內(nèi)蒸發(fā)完為準。拋光壓力不宜太大，時間不宜太長，否則會增加磨面的擾亂層。粗拋光可選用帆布、海軍呢做拋光織物，精拋光可選用絲絨、天鵝絨、絲綢做拋光織物。拋光前期拋光液的濃度應大些，后期使用較稀的，最后用清水拋，直至試樣成為光亮無痕的鏡面，即停止拋光。用清水沖洗干凈后即可進行浸蝕。 ②浸蝕劑的選取，試樣的浸蝕； 選取王水作為侵蝕劑，王水按照鹽酸與硝酸為3：1進行配置。采取化學侵蝕方法。樣品侵蝕屬于電化學侵蝕，晶粒之間、晶粒與晶界之間、各相之間甚至同一晶粒的不同部位之間，在化學侵蝕液中具有不同的電勢，組成眾多的微電池。電勢較低處形成電池的陽極，溶解較快；電勢較高處形成陰極，溶解較慢。其原因是拋光鏡面在電化學侵蝕作用下，變得凹凸不平，從而對入射光線形成有選擇的有規(guī)律的漫反射，顯示出晶粒晶界、相和組織結構。對于單相合金來說，可以顯示晶界和晶粒位相。同位相束中板條晶在金相侵蝕時以相同的方式受到侵蝕，在光學金相視場中形成均勻的塊狀結構。對于多相合金，相界具有類似的電化學效應，相界溶解較快。在相界與相，相鄰的相之間產(chǎn)生不同的侵蝕速度，在拋光表面形成凹洼或著色，顯示出相和組織。 拋光表面在侵蝕前應該保持清潔，無水跡和油污。不同的材料顯示不同的組織，應該選擇合適的侵蝕液。侵蝕方法有表面侵入法和表面擦拭法。操作時均應使侵蝕液均勻侵蝕樣品表面，侵蝕時間的長短，依樣品材料的不同而不同。一般而言，組織越彌散越易侵蝕，淬火鋼、合金元素含量高的材料、不銹鋼等組織侵蝕時間宜長些。侵蝕時間在相當程度上取決于制作經(jīng)驗，一般侵蝕到表面稍微發(fā)暗即可。侵蝕好的樣品應立即用水沖洗干凈，干燥后即可進行金相觀察。 ③試樣制備質量檢驗。 在光學顯微鏡下初步觀察侵蝕完干燥后的材料組織，看是否符合實驗要求。第六步:半固態(tài)組織分析用OLYMPUS GX51倒置式系統(tǒng)金相顯微鏡分別拍攝了678℃，688℃，700℃，710℃下澆注制備的半固態(tài)Al2O3/2A14Al復合材料試樣的金相照片，然后分別觀察其半固態(tài)Al2O3/2A14Al復合材料試樣的組織。. 實驗目的實驗目的如下： ,變質處理。、浸蝕的基本方法。 試驗結果初步分析 試驗結果如圖21，表明本研究方法是正確的。 圖21 678℃條件下澆鑄的組織 由圖可以看出2A14鋁合金加入10%Al2O3添加劑的材料在678℃條件下澆鑄時組織，組織呈現(xiàn)出圓形，且排列的比較緊密，部分樹枝晶被打斷并球化。３ 試驗結果和分析金屬結晶時通過在液體金屬在中形核和晶核長大著兩個過程完成的，晶體長大的必要條件是需要過冷度。在晶體長大過程中，位錯可通過類似于多邊化過程而合成小角度晶界。位錯就是在晶體長大期間由枝晶長大所引起的位向差。 不同澆注溫度下半固態(tài)Al2O3/2A14Al復合材料的組織不同溫度下半固態(tài)Al2O3/2A14Al復合材料試樣的金相組織照片如圖31 (a)、(b)、(c)、(d)所示：（a）（b） （c）（d）圖31 不同澆注溫度下半固態(tài)Al2O3/Al復合材料的組織（a）678℃（b）688℃（c）700℃（d）710℃如上面4圖所示圖中板塊狀的物質為初生a相，深色區(qū)域為共晶組織。在不對合金保溫時，710℃澆注時的組織是初生aAl呈發(fā)達的樹枝晶 ,枝晶臂很粗大 ,組織中只有極少量球狀或粒狀初生α相，如圖（d）所示；當澆注溫度為 700℃時，合金金相組織中初生aAl仍呈發(fā)達的樹枝晶形態(tài) ,枝晶臂粗大 ,但要比710℃時的要細小，組織中有少量的球狀或粒狀初生相 ,如圖（c）所示；澆注溫度進一步降低到688℃,顯微組織發(fā)生明顯的變化 ,初生αAl 變得很細 ,樹枝晶減少 ,可以清楚地看到薔薇狀組織 ,球狀或粒狀初生相大量出現(xiàn)，如圖（b）所示；當澆注溫度降到678℃時，復合材料金相組織沒有太的變化，只是是樹枝晶進一步減少，組織變得更碎了，呈現(xiàn)出薔薇狀，如圖（a）所示。 澆注溫度對半固態(tài)Al2O3/2A14Al復合材料組織的影響如圖所示通過有限元計算方法，我們可以計算出傾斜板型腔中心線合金由入口到出口溫度變化。圖32是750℃澆注，沿波浪形傾斜板型腔中心線合金由入口到出口溫度的變化曲線。隨著合金不斷向下運動，合金溫度先是緩慢的減小，接著發(fā)生快速降低。這是因為合金在凝固初期雖然與工具問的溫度新梯度較大，熱量散失較快。但由于凝固時放出的大量潛熱填補了合金向環(huán)境散熱的熱量損失，隨固相率的增高，凝固潛熱減少，后期合金溫度發(fā)生快速降低。隨著澆注溫度的降低，合金出口溫度也不斷降低，當澆注溫度低于690℃時合金出口溫度低于固相線溫度513℃，因此發(fā)生完全凝固。另一方面，澆注溫度不同，合金開圖31 沿波浪形傾斜板型腔中心線合金由入口到出口溫度變化(75O℃澆注)始時凝固時間也不同，溫度越低，合金越早發(fā)生凝固。當澆注溫度高于710℃，合金的半固態(tài)區(qū)較小，因此澆道的剪切作用時間短，不利于球狀晶的形成，而且合金組織粗大，圖33(a)是710℃澆注獲得的加入10% Al2O3作為添加劑的復合材料半固態(tài)合金坯料組織。在700750℃的溫度范圍內(nèi)澆注，半固態(tài)區(qū)較大，可獲得均勻的球形組織，但在該溫度范圍內(nèi)澆注時熱量散失時間長，冷卻對晶粒長大的抑制作用較小，晶粒大小變化不明顯。而在澆注溫度低于710℃時，熱量散失時間短，晶粒長大受到抑制，冷卻后得到的半固態(tài)合金坯料的晶粒隨溫度的降低而明顯減小。一般情況下，合金凝固時枝晶生長與2個因素有關，一個是凝固界面前沿的溫度梯度，另一個是成分過冷。澆注溫度越低越容易導致凝固界面前沿出現(xiàn)負溫度梯度，出現(xiàn)枝晶生長。根據(jù)出現(xiàn)成分過冷條件：當合金澆注溫度越低，溫度梯度G越小，在澆注溫度尺不變的情況下，越容易滿足上式，即越容易出現(xiàn)成分過冷度。實驗發(fā)現(xiàn)澆注溫度低于710℃時，合金出現(xiàn)等軸枝晶生長。此外，當澆注溫度低于710℃時，合金凝固早，固相率太高，部分合金尚未得到充分剪切就生長成粗大的枝晶，在試驗給定的軋輥轉速條件下，剪切作用不足以引起抗剪強度較大的枝晶臂發(fā)生斷裂。澆注溫度越低，