SiC顆粒增強鋁基復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顆粒增強鋁基復合材料擠壓鑄造成形工藝進行了研究，優選了擠壓比壓、保壓時間、熔液澆鑄溫度、模具預熱溫度等工藝參數。認為擠壓鑄造是顆粒增強基復合材料溶液凝固成形的較好途徑，可以克服攪拌法制備復合材料熔液中氣體含量高的缺點。
關鍵詞：鋁基復合材料　擠壓鑄造　SiCp增強體

鋁基復合材料因其比強度、比剛度高、耐磨性、耐熱性好等特性而成為國內外材料研究的熱點。用普通重力鑄造法制作的復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，經液態攪拌得到SiC顆粒均勻分布的熔液，再經擠壓鑄造凝固成形，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W10 α-SiC顆粒，SiC顆粒在復合材料中的體積分數為10%。鋁合金錠經清洗烘干后放入中頻感應爐內熔煉。在氬氣保護下熔化后，加入經過預處理的SiC顆粒，同時石墨攪拌器在電動機的驅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型光學顯微鏡下觀察其顯微組織。
2　試驗結果與分析
　　擠壓工藝參數影響溶液的凝固過程，從而影響鑄件的內在質量和性能。選擇合適的工藝參數至關重要。
2.1　擠壓比壓的影響
　　擠壓比壓是擠壓鑄造工藝的關鍵參數，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鍵參數，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所規定的一級針孔度水平。
　　試樣經T6處理可知復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，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顆粒增強的鋁基復合材料而言，又要考慮避免在較高溫度下SiC顆粒與鋁液發生界面反應(4Al+3SiC=Al4C3+3Si)生成脆性層而影響復合材料的性能［2］。
2.4　模具預熱溫度的影響
　　模具預熱溫度對復合材料溶液在擠壓時的凝固過程也有很大影響。一般而言，模具預熱后可除去模具內腔吸附的水分和氣體，并使脫模劑覆蓋于模壁上。同時調節熔液的凝固速度。模具預熱溫度低(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。試驗的結果是模具的預熱溫度以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］，共晶硅在復合材料中分布更均勻，晶粒更細小。
3　結　語
　　SiC顆粒增強鋁基復合材料適于擠壓鑄造工藝凝固成形，通過適當的擠壓工藝可以克服復合材料熔液中氣體含量高的不利因素，獲得基本無氣孔、縮松等缺陷的復合材料鑄件。
作者單位：石家莊鐵道學院
參考文獻
　[1]　齊丕驤.擠壓鑄造.北京：國防工業出版社,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