SiC顆粒增強鋁基復(fù)合材料的擠壓鑄造工藝研究


丁占來　任德亮　齊海波　樊云昌
摘　要　對SiC顆粒增強鋁基復(fù)合材料擠壓鑄造成形工藝進行了研究，優(yōu)選了擠壓比壓、保壓時間、熔液澆鑄溫度、模具預(yù)熱溫度等工藝參數(shù)。認為擠壓鑄造是顆粒增強基復(fù)合材料溶液凝固成形的較好途徑，可以克服攪拌法制備復(fù)合材料熔液中氣體含量高的缺點。
關(guān)鍵詞：鋁基復(fù)合材料　擠壓鑄造　SiCp增強體

鋁基復(fù)合材料因其比強度、比剛度高、耐磨性、耐熱性好等特性而成為國內(nèi)外材料研究的熱點。用普通重力鑄造法制作的復(fù)合材料鑄件的孔隙率較高。鑒于擠壓鑄造工藝已普遍用于鋁合金、鎂合金、鋅合金的鑄造成形，本研究采用SiC顆粒增強鋁合金基體，經(jīng)液態(tài)攪拌得到SiC顆粒均勻分布的熔液，再經(jīng)擠壓鑄造凝固成形，旨在通過擠壓減少或基本消除氣孔、縮松等缺陷，獲得組織致密的復(fù)合材料鑄件。
1　試驗方法
　　采用與ZL109相類似的鋁合金為基體，增強體選用國產(chǎn)W10 α-SiC顆粒，SiC顆粒在復(fù)合材料中的體積分數(shù)為10%。鋁合金錠經(jīng)清洗烘干后放入中頻感應(yīng)爐內(nèi)熔煉。在氬氣保護下熔化后，加入經(jīng)過預(yù)處理的SiC顆粒，同時石墨攪拌器在電動機的驅(qū)動下對熔液進行機械攪拌，攪拌完成后加入鋁鍶中間合金變質(zhì)劑。通純氬氣精煉、扒渣后澆入鋼制模具中進行擠壓鑄造工藝試驗。
擠壓鑄造試樣按照GB10851-89，經(jīng)磨光、10%氫氧化鈉水熔液腐蝕、鹽酸水熔液清洗表面后檢驗宏觀針孔度。試樣經(jīng)T6處理后在HB3000布氏硬度計上測試其硬度。并在Olympus PME-3型光學(xué)顯微鏡下觀察其顯微組織。
2　試驗結(jié)果與分析
　　擠壓工藝參數(shù)影響溶液的凝固過程，從而影響鑄件的內(nèi)在質(zhì)量和性能。選擇合適的工藝參數(shù)至關(guān)重要。
2.1　擠壓比壓的影響
　　擠壓比壓是擠壓鑄造工藝的關(guān)鍵參數(shù)，擠壓的目的是使合金熔液強擠壓比壓的影響。
　　擠壓比壓是擠壓鑄造工藝的關(guān)鍵參數(shù)，擠壓的目的是使合金熔液強制流動，減輕甚至消除熔液與模壁間的氣隙，增加導(dǎo)熱率，提高熔液的冷卻速率，細化鑄件的晶粒組織。同時通過強制補縮減少縮松等鑄造缺陷［1］。對鋁合金中孔隙率影響最大的是氫氣，它在100 g鋁液中的溶解度高達0.6～0.7 mL,而在固態(tài)鋁中的溶解度只有0.04 mL。在凝固過程中過飽和的氫以氣泡形式析出，從而增加材料中的孔隙率，影響材料的性能。而鋁基復(fù)合材料熔液在制備過程中要加入SiC顆粒，顆粒表面難免有氣體吸附，加入SiC顆粒之后要進行一定時間的攪拌，在攪拌過程中溶液會吸入部分氣體，故此復(fù)合材料熔液較鋁合金熔液的氣體含量要高。
　　試驗所用的試樣擠壓模具長徑比(2.6)較大，因此在擠壓過程中壓力有所損失。在80 MPa壓力下凝固的試樣經(jīng)解剖后宏觀可見毫米級的氣孔。隨著壓力的增大，氣孔率逐漸降低。壓力在140 MPa時，試樣的氣孔率可達到GB10851-89所規(guī)定的一級針孔度水平。
　　試樣經(jīng)T6處理可知復(fù)合材料的硬度隨擠壓比壓的升高而增大。這是由于隨擠壓比壓的增大，材料的致密度增大(孔隙率降低)。同時由于SiC顆粒的加入，復(fù)合材料的硬度較基體鋁合金的硬度有所提高。
2.2　保壓時間的影響
　　保壓時間對熔液的凝固過程起重要作用，保壓時間不足時試件心部未完全凝固，晶粒組織較粗大，且心部補縮不完全。經(jīng)過對試樣的顯微組織分析表明，保壓60 s為合適的時間。
2.3　澆鑄溫度的影響
　　SiC顆粒增強鋁基復(fù)合材料溶液分別在680 ℃,720 ℃和760 ℃澆鑄進行擠壓鑄造試驗，通過所得試樣的光學(xué)顯微組織分析，得知720 ℃是較佳的澆鑄溫度。澆鑄溫度低(680 ℃)試樣外層容易先凝固成硬殼，在壓頭擠壓熔液時，壓力主要由硬殼承擔(dān)，試樣中心部位補縮不足，易形成縮松。澆鑄溫度高時，由于熔液與模具間熱差大，熱傳輸量大，使熔液凝固速度變慢，因而凝固后試件晶粒較粗大，且熔液在擠壓時易向外飛濺。對于SiC顆粒增強的鋁基復(fù)合材料而言，又要考慮避免在較高溫度下SiC顆粒與鋁液發(fā)生界面反應(yīng)(4Al+3SiC=Al4C3+3Si)生成脆性層而影響復(fù)合材料的性能［2］。
2.4　模具預(yù)熱溫度的影響
　　模具預(yù)熱溫度對復(fù)合材料溶液在擠壓時的凝固過程也有很大影響。一般而言，模具預(yù)熱后可除去模具內(nèi)腔吸附的水分和氣體，并使脫模劑覆蓋于模壁上。同時調(diào)節(jié)熔液的凝固速度。模具預(yù)熱溫度低(100 ℃)時熔液和模具接觸的部分很快凝固，在壓頭壓下時外層硬殼會承擔(dān)大部分的壓力，擠壓鑄造完成后試樣心部仍有縮松、氣孔等缺陷存在。模具預(yù)熱溫度過高會使試樣凝固后晶粒較粗大，并且在擠壓過程中熔液易飛濺。試驗的結(jié)果是模具的預(yù)熱溫度以200 ℃為佳。α-Al枝晶間距較小，基本沒有氣孔、縮松等缺陷。復(fù)合材料與基體鋁合金相比，因SiC顆粒可作為共晶硅的形核位置［3］，共晶硅在復(fù)合材料中分布更均勻，晶粒更細小。
3　結(jié)　語
　　SiC顆粒增強鋁基復(fù)合材料適于擠壓鑄造工藝凝固成形，通過適當(dāng)?shù)臄D壓工藝可以克服復(fù)合材料熔液中氣體含量高的不利因素，獲得基本無氣孔、縮松等缺陷的復(fù)合材料鑄件。
作者單位：石家莊鐵道學(xué)院
參考文獻
　[1]　齊丕驤.擠壓鑄造.北京：國防工業(yè)出版社,1984.1～45
　[2]　Loyd D J, Chamberlain B. Properties of Shape Cast Al-SiC Metal Matrx Composites. In Proc. World Materials Cogress. Chicago: Eds Fishman S G， Dhingra A K. A.S.M., 1988.263～269
　[3]　Samuel A M, Samuel F H. Influence of Casting and Heat Treatment Parameters In Controling The Properties of an Al-10%Si-0.6%Mg/SiC/20p Composite. Journal of Materials Science.1994，29:3591～3600