电磁搅拌频率对半固态Al-Cu合金显微组织的影响

陈莉娟 杨慧敏 陶淑芬

（曲靖师范学院物理与电子工程学院，云南省高校先进功能材料及低维材料重点实验室，云南 曲靖655011）

半固态金属具有组织优良、成形力小、流动性能好并且易于生产复合材料与新型合金的特点，被广泛用于材料加工中。而电磁搅拌法利用电磁感应力的作用将析出的树枝晶破碎成颗粒状，由于该方法不易卷入气体、不污染金属液，金属浆料纯净，可连续生产半固态浆料，产量可以很大，是目前生产铝合金浆料的主要方法之一。Al-Cu合金是应用最早的一类铸造铝合金，其特点是具有很高的室温和高温机械性能，主要应用于制造承受较大载荷的航空、航天及其它民用机械构件[1-2]。但是常规工艺铸造的Al-Cu合金枝晶发达，导致材料的强度、塑性下降，严重限制了该类合金的应用。本实验中将半固态电磁搅拌应用到Al-Cu合金中，有助于改变初生α-Al改变的枝晶形貌，达到球化、细化初生晶粒的目的[3-6]。目前初生晶粒在搅拌过程中的转变机制尚未形成统一和确定的理论[7]。本论文主要研究了正反转搅拌下换向间隔时间对合金显微组织的影响，从而为半固态初生晶粒的转变机制提供参考依据。

1 试验方法

本实验采用的Al-Cu合金，其成分（质量分数，下同），Cu为6.67%，Al为93.33%。将Al-Cu合金在中频感应炉内加热到800℃使其熔化，再对其精炼、除渣，将精炼过的浆料倒入不锈钢坩埚中，再将不锈钢坩埚放入到搅拌器内。搅拌器通过调节电机的输入电流来改变磁场大小。本实验采用正反转等温搅拌。当合金液温度降到600℃时开始等温搅拌，搅拌15min，搅拌电流为15A。搅拌结束后将整个坩埚置于水中快速冷却以保持搅拌时的合金形貌。

2 试验结果与讨论

正反转搅拌中不同搅拌频率下合金的显微组织：

图1给出了Al-Cu合金正反转搅拌下不同换向间隔时间试样的光学显微组织照片。从图可以看出，正反转搅拌下不同换向间隔时间对初生α-Al影响较大。总的来说，随着换向间隔时间的提高，初生α-Al枝晶越细小。如图1(a)所示，换向间隔时间为5s时初生α-Al呈整个大的蔷薇状枝晶；而换向间隔时间为10s时，一些枝晶臂已经从枝晶主干上脱落下来成为另一个枝晶，如图1(b)所示；当换向时间间隔为15s时，初生α-Al呈现出更细小的蔷薇状枝晶，如图1(c)所示；进一步增加间隔时间至20s，初生α-Al呈现非常细小的枝晶，因此在图1(d)的放大倍数下不能显示出来，为此我们将它放大500倍观察，如图2所示；换向时间间隔为30s时，初生α-Al颗粒尺寸变大，并且呈现球团状聚集在一起，如图1(e)所示。

分析图1(d)和图2，此时的组织与共晶组织相似，但是本实验用的合金铜含量不到7%，而Al-Cu合金共晶组织铜含量为33.3%，本实验中的合金铜含量远离共晶成分，因此电磁搅拌不太可能将其转变为共晶成分的组织，所以认为此时的组织有两种可能，其中一种可能是共晶组织，另一种可能就是非常细小的初生α-Al与共晶组织。我们通过分析软件对图2中初生α-Al的百分比进行分析，若是共晶组织，则初生α-Al的百分比大约为39%，而图2中初生α-Al的百分比为83%,大大超过了共晶组织的百分比，因而可以证实其组织仍然由初生α-Al与共晶组织构成。

实验结果表明，初生α-Al的显微组织形貌是由搅拌的激烈程度和搅拌的有效时间综合作用的结果。在时间间隔为5s时，尽管熔体流动很激烈，但此时由于换向较频繁，而每次换向都要停止一段时间，从而导致了在这个频率下的有效搅拌时间很短，因而此时初生α-Al枝晶仍然发达。如果熔体在激烈的紊流中提高有效搅拌时间，初生α-Al的形貌将发生很大转变，发达的初生α-Al枝晶脱落成几个枝晶。随着时间间隔的延长，初生α-Al形貌变差，此时初生α-Al的形貌为发达的枝晶，但此时初生α-Al的晶粒得到很大程度的细化，如间隔15s和20s时，初生α-Al呈现很细小的枝晶。当有效搅拌时间延长到一定程度时，初生α-Al能脱落成几个枝晶。因此为得到合理的工艺参数，要综合考虑有效搅拌时间和熔体流动的激烈程度。

3 结论

初生α-Al的显微组织形貌是由搅拌的激烈程度和搅拌的有效时间综合作用的结果。若搅拌的有效时间达不到一定值时，即使熔体的流动非常激烈，也不能使初生α-Al的枝晶形貌得以改善；同样仅仅靠提高搅拌的有效时间而不考虑熔体流动的激烈程度也得不到理想的组织。因此一定要合理地选择工艺参数，使它们良好的匹配，才能得到理想的组织形貌。

［1］毛卫民,李树索,赵爱民,等.电磁搅拌对Al-Si合金初生Si长大过程和形貌的影响[J].材料科学与工艺,2001,9(2)：781-784.

［2］陈莉娟,金青林,卢德宏,等.电磁搅拌方式对半固态Al-Cu合金显微组织的影响[J].铸造技术,2008,29(5)：655-657.

［3］陈莉娟,李永晖,陶淑芬.电磁搅拌对铝铜合金宏观组织及偏析的影响[J].热加工工艺,2010,39(07)：69-71.

［4］陈莉娟,金青林,蒋业华,等.电磁搅拌下铝铜合金初生晶生长机理的研究[J].热加工工艺,2009,38(11)：24-26.

［5］陈莉娟,金青林,蒋业华.电磁搅拌下初生固相与液相关系的初步探讨[J].热加工工艺,2010,39(13)：75-76.

［6］毛卫民.半固态金属成形技术[M].北京：机械工业出版社,2004.

［7］张伟强.金属电磁凝固原理与技术[M].北京：冶金工业出版社,2004.

［8］曾昭昭.特种铸造[M].杭州：浙江大学出版社,1996.