1 试验过程

　　1.1 ZL109铸造铝合金的化学成分

　　本试验采用的ZL109铸造铝合金的主要成分为：w（Si）＝11.1％，w（Mg）＝0.512％，1，w（Fe）＝0.77％，w（Cu）＝0.448％，其余为Al。该合金硅含量接近共晶成分，为准共晶型合金，它的液相线温度为566℃，固相线温度为538℃。

　　1.2 半固态原始坯料的制备

　　采用低过热法^[7-9]制备半固态原始坯料。试验方法是：首先将合金在电阻炉中进行熔炼，将熔体温度升至750℃，然后加入覆盖剂，保温，打渣。通过测量发现，刚开始时金属液温度降低较快，当熔体温度接近566℃时，降低非常缓慢，表明熔体中已经有晶粒析出，释放出结晶潜热。因此在566℃时浇注较为合理。浇注的半固态坯料如图1所示。

图1 半固态原始坯料

　　1.3 半固态原始坯料的二次重熔

　　将机加工后的坯料放入高频感应加热设备的线圈，进行二次重熔，并用热电偶测量坯料的温度，采用普通钢刀切割的方法确定坯料的触变性能。通过多次试验获得ZLl09合金最佳的二次重熔温度为569℃。

　　1.4 半固态锻造的方法

　　把加热到569℃半固态温度的坯料放入自行设计的模具（图2，型腔为五根并排的标准拉伸试样），在3MN油压机上锻造成形。对最终成形的零件进行热处理及力学性能测试。图3是锻造成形的零件。

图2 模具示意图

图3 标准试样锻件

　　1.5 取样方法

　　原始坯料以及在重熔过程中的试样制备如图4所示，坯料水淬后在棒料中部截取一段，再沿轴线截取其中的四分之一作为组织观察的试样，观察边部和心部即A、B处的组织。

图4 原始坯料组织观察试样解剖示意图

　　2 半固态组织演变的观察结果

　　2.1低温热法浇注的半固态坯料的组织特征

　　图5是常规条件下高温（一般在680℃左右）直接浇注和低过热法浇注坯料边部的组织。

图5ZL109合金高温浇注和低过热法浇注的组织比较（边部）

　　从图5a、5b可以明显看出两种不同浇注方法获得的坯料的边部组织形状的差异。图5a中只有少量的初生α相，基本上都是共晶组织；大量的黑色蠕虫状组织即共晶硅相分散在白色的共晶α相中，呈条状，较粗大。而图5b中白色的是初生α相，大量的黑色和灰色部分则是共晶组织，该图中的共晶硅相比5a中的更细更短。说明采用低过热法达到了细化晶粒的目的。

　　2.2 重熔过程的组织^[10]的演变

　　坯料的二次重熔采用高频电源感应加热。在加热过程中，开始时使用较大的震荡电流，随着温度的升高逐渐降低震荡电流，使加热过程趋于缓慢，便于坯料内外温度趋于均匀。在试验过程中，每隔10s同时记录一次坯料心部和边部的温度，将不同时刻的温度绘制成时间-温度曲线。本试验研究了两个二次重熔温度：552℃和569℃。

　　图为坯料二次重熔过程中不同温度条件下，水冷至室温所观察到的心部组织。

　　从图6看，坯料在二次加热重熔的过程中，共晶组织发生了一定的变化。图6a中共晶硅相呈蠕虫状和条状，灰色的共晶α相也比较粗大。由于该合金的固相线温度为538℃，加热到545℃图6b、550℃图6时，只在固相线温度以上几度及十几度，共晶织熔解得很少，因此共晶硅的形态没有什么明显的变化。但是加热到560℃图6d时，距离液相线温度566℃只有几度，因此共晶组织大量熔解，很多黑色条状的共晶硅相都从中间断开来，变成短条状，明显的陵角也消失了。加热到565℃图6e时，共晶组织基本上都熔解了，它的形貌完全发生了变化，条状组织基本消失，灰色的共晶α相呈小团状分布在黑色共晶硅相中，而且分布比较均匀。

图6ZL109合金二次重熔加热过程中的组织演变（坯料心部）

　　2.3 成形零件的组织特征

　　将原始坯料二次重熔后放在模具上锻造成形。成形零件的组织如图7所示。从图7可以看出，半固态锻造后，与锻压前的组织相比，共晶组织不再具有明显的条状和团块状，而是细小的颗粒状。同时，初生α相更加呈球团状的组织分布在黑色共晶组织中。合金在半固态流动过程微观组织间发生了摩擦、变形，使得α相球团化和共晶组织细化。

图7半固态锻件组织

　　3 锻件热处理及性能分析

　　3.1 热处理

　　对ZL109合金做近似T6处理^[11]，工艺过程如图8所示。图9a和9b分别是锻件热处理前后的金相组织，从两图比较可以看出，热处理后共晶组织中的α相向初生α相发生了转移，形成了白色的网状组织；共晶硅相聚集成灰黑色团块状，分布在白色的网状组织中。这是由于在热处理过程中，Al原子和Si原子在高温下发生扩散形成的。

图8 ZLl09合金热处理工艺

图9 ZLl09合金锻件热处理前后的金相组织图

　　3.2 锻件的力学性能测试

　　用线切割解剖试样获取近似标准拉伸试样，在万能拉伸机上对试样进行拉仲测试。图10为ZL109合金热处理前后的抗拉强度的比较，热处理后，锻件的抗拉强度得明显的提高，平均强度达到了220N／mm²。这是因为，固溶处理析出增强相，使得合金的抗拉强度得到明显的改善。图11为ZL109合金热处理前后伸长率的比较，平均伸长率从热处理前的0增加到热处理后的1.42％。

图10　ZL109合金热处理前后抗拉伸强度比较

图11　ZL109合金热处理前后伸长率比较

　　一般铸造条件下的ZL109伸长率0^[12]。可见本研究所获得锻件的伸长率得到了较大提高。

　　4讨论

　　4.1 ZLl09合金的半固态组织变化特征

　　近年来对Al－Si铝合金半固态技术的研究主要集中在亚共晶合金，其中研究较多的合金是ZL101A（w（Si）＝6.5％～7.5％）、AlSi9Mg、AlSi6Mg2^[13-15]及ZL112Y等。它们的金相组织主要为初生α相，在半固态重熔过程中主要的转变是初生α相的球团化。本试验室以前研究的w（Si）＝8％的ZL112Y合金属于亚共晶合金，图12是ZLl12Y低过热法浇注的原始坯料在二次重熔过程中不同温度下水冷后的金相组织，可以明显看出在重熔过程中，随着温度的升高初生α相在逐渐的变短，逐渐球团化^[16]。

图12 　ZL112Y半固态坯料二次重熔过程组织变化

　　本试验研究的ZL109合金w（Si）＝11.1％，它的成分较接近共晶成分，所以合金的组织以共晶组织为主。因此该合金在整个试验过程中半固态组织的变化主要是共晶组织的变化。从前面的组织分析可以看出：低过热法制备半固态坯料的组织中共晶硅相比高温浇注坯料组织中的共晶硅相明显更细更短。二次重熔过程中，当坯料温度达到560℃时，很多共晶硅相都从中间断开，变成短条状，明显的棱角消失。加热到565℃时就更加明显了，共晶组织的形貌完全发生了变化，条状组织基本消失，共晶α相呈小团状分布在共晶硅相中，而且分布比较均匀。分析坯料半固态锻造成形零件的金相组织发现，共晶组织中的硅相不再具有明显的形状，初生α相呈球团状分布在共晶组织中。

　　4.2 半固态锻造工艺提高合金塑性的微观机制

　　铸造铝合金采用常规液态浇注法所获得的铸件塑性很差，而本试验发现半固态锻造工艺显著提高了ZL109合金的室温塑性，这在金属学理论上具有积极的意义。

　　采用常规液态浇注的铸造铝合金共晶组织粗大，共晶硅相呈片状，严重地削弱了合金的基体，使得合金呈现脆性。图5a是ZL109合金采用常规液态浇注的微观组织，共晶硅片平均长度为50μm。本半固态锻造方法从三个阶段改变了共晶体的微观组织形态：

　　（1）半固态二次重熔过程中，很多共晶硅相从中间断开变成短条状。图6e是二次重熔结来时的合金微观组织，其中共晶硅片平均长度20μm～30μm。

　　（2）半固态锻造工艺细化了合金的共晶组织。图7表明：锻造成形零件微观组织中的硅相完全变成了小于10μm的颗粒状，α相呈球团状分布在共晶组织中。

　　（3）热处理工艺进一步改变了合金的共晶组织。图9b表明：共晶组织中的α相向初生α相发生了转移，形成了白色的网状组织；共品硅相聚集成灰黑色团块状，分布在白色的网状组织中。α相的网状组织是提高合金塑性的重要因系。

　　4.3 ZL109合金二次重熔温度范围的特征

　　本研究是将二次重熔的坯料置于模具中锻造成形，因此该合金的二次重熔温度在锻造成形工艺过程中是一个关键的控制参数。本试验室以前研究的ZL112Y是亚共晶合金^[16]，其主要成分是w（Si）＝8%，w（Cu）＝2.5％，w（Fe）＝1.0％，其余为Al。它的固相线温度和液相线温度分别为540℃和594℃。由于它的半固态温度范围较大，可以选择的二次重熔温度范围为568℃～573℃。而ZLI09合金的成分较接近共晶合金成分，它的固相线温度和液相线温度分别为538℃和566℃；由于它的半固态温度范围较小，可以选择的二次重熔温度范围为568℃～570℃。因此在半固态锻造成形时，控制ZLI09合金的重熔温度变得更加困难也更加重要。

　　5结论

　　（1）对低过热法浇注坯料与高温液态浇注坯料的微观组织进行了比较。采用低过热法，ZLI09合金坯料的共晶组织中的共晶硅相明显细化，因此采用低过热法浇注能够改善坯料的组织，达到细化晶粒的目的。最终确定的低过热法浇注温度为566℃～568℃。

　　（2）对感应加热过程巾的坯料组织进行了观察，由于ZL109合金成分接近共晶合金成分，加热过程中共晶组织细化，在接近半固态触变温度时共晶组织中的蠕虫状和条状组织基本消失。该合金进行二次重熔，获得了良好的触变性能。通过现场加热切割实验，该合金的合适半固态触变成形温度确定为（569±1）℃。

　　（3）接近共晶成分的ZL109铝合金半固态锻造过程的组织变化的特征是：低过热浇注使坯料微观组织的共晶硅片细化；在二次重熔时共晶组织熔解，共晶硅片进一步细化和团块化；在锻压成形流动过程中，合金微观组织间发生了摩擦、变形，使得α相球团化和共晶组织细化；在半固态锻压成形零件热处理过程中，共晶组织中的α相向初生α相聚集成球团状，而共晶组织中的硅颗粒聚集成团块硅相。

　　（4）半固态二次重熔主要是共晶组织的熔解，由于ZL109铝合金的初生α相量少且骨架较弱，因此重熔温度范围窄，二次重熔温度是半固态铸造工艺过程中的关键控制参数。

　　（5）ZL109合金在热处理后的塑性指标有明显的提高，一般铸造方法的铸件伸长率为0，而本试验中铸件的平均伸长率为1.42%。

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