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摘要：本文介绍了一种合金新型凝固组织控制技术——细晶粒轻金属合金及大块非晶合金成型铸造。应用此种技术，不仅能够控制熔体的冷却速度，而且还能提高熔体的铸造充型能力。对铸造A356铝合金的研究取得了如下的成果：得到5mm的晶粒，比水冷铜模所得到的晶粒（8mm）小37.5%，铸态组织的显微硬度为800MPa，比常规金属型铸造的硬度（600MPa）高33.3%，试样的抗拉强度为220MPa，比金属型铸造（sb：179MPa）的提高22.9%。在制备非晶方面，不仅能够得到大尺寸非晶合金块体材料，而且还能制备出形状复杂的大块非晶合金铸件。
关键词：控制凝固 充型性 大块非晶 铝合金

1．前言

合金的凝固组织控制是科研和生产中都非常重视的问题。在过去的几十年里，为了充分挖掘金属材料潜在的性能，人们研究了很多控制凝固组织的方法, 如定向凝固技术[1]，深过冷技术[3]，雾化法[2,4]，熔体甩带法[5,6,7]，激光表面熔凝法[8]等。由于快速凝固可以使合金的组织结构发生一些变化，包括固溶度增加，晶粒细化，偏析减少，微晶组织、亚稳相以及高的点缺陷密度结构的形成，甚至非晶形成等，从而给合金带来一系列优异的性能，如强度提高、硬度增大、耐磨性/耐蚀性增加、磁性能变得更加优异等等，因此，近年来，快速凝固技术得到迅猛的发展，成为材料科学与工程研究的一个热点。通常，在工业上采用快速凝固技术实现凝固组织控制过程的目的在于获得高强度细晶粒合金组织。实际上，为了得到细晶粒、高强度轻金属合金铸件，在成型铸造时需要水冷以上的冷却速度，然而，较快的冷却速度限制了合金熔体的充型流动过程，难以实现轻合金复杂件的成型铸造。目前，从熔体制备大块非晶合金也需要较快的冷却速度，如水冷铜模法、石英管水淬法、熔体吸铸法等，现有制备大块非晶合金的方法所能达到冷却速度为每秒百度以上。但是，由于冷却速度较快，难以满足成型铸造充型性的要求。这些方法只能制备简单形状的、体积较小的粉、片、棒、板等，而对于复杂形状的铸件，上述的快速凝固方法却显得无能为力。

因此，本文提出一种新的凝固组织控制技术——细晶粒轻金属合金及大块非晶合金成型铸造。利用这种技术，通过工艺参数控制，我们获得了不同尺寸的细化晶粒组织、微晶、纳米晶，甚至非晶结构。

2．在铝合金中的试验

A356合金是常用的铸造铝-硅合金，此合金具有铸造流动性好、气密性好、收缩率小和热裂倾向小，经过变质和热处理后，具有良好的力学性能、物理性能、耐腐蚀性能和中等的机械加工性能，是铸造铝合金中用途最广的合金之一，可以在铸态下使用，或者经过一定热处理处理后使用。在汽车工业中，一般用于制造汽车发动机的泵体、汽车底盘和轮毂[9]。

利用此种技术将A356合金进行可控制速率的凝固，其晶粒大小随凝固速率的变化如图2.1所示。在冷却速率达到700K/s时，可获得晶粒尺寸为5mm的组织，而在较慢速冷却速度下（100K/s）得到的状态晶粒尺寸为18mm。

图2.1 晶粒尺寸随凝固速率的变化

相同条件下，利用此种技术获得的材料组织与常规铜模水冷获得的材料组织如图2.2所示，此种技术晶粒尺寸可达5mm，铜模水冷方法获得的晶粒为8mm，这也表明这种技术可以获得比常规铜模水冷更快的冷却速率。

a) 本种技术 b) 常规水冷铜模
图2.2本种技术与常规水冷铜模技术的晶粒组织比较

不同晶粒尺寸样品的显微硬度如图2.3所示，利用此种技术制备的细晶粒尺寸样品的显微硬度可以达到Hv为930MPa。

图2.3 不同晶粒尺寸样品的显微硬度

A356合金利用此技术和标准工艺[9、10]获得的力学性能比较如表2.1所示。可见，利用这种技术可以得到优异的力学性能。各时效状态下力学性能指标如图2.4所示。

图2.4 A356合金在不同时效时间下强度与延伸率比较（时效温度175°C）

由于时效过程中，在时效过程中造成已经细化晶粒组织的再次长大，机械性能有一定程度的损失，因此有必要在后续的工作中，通过短时间温度较低的T5时效处理，进一步优化时效工艺，获得最佳的机械性能。

另外本技术采用的是温模浇铸技术，模具温度可达200度，不仅可以满足制备超细晶粒组织的需要，同时也满足复杂铸件充型性的要求，提高铸件的合格率。

3．在大块非晶合金制备中的试验结果

本文采用细晶粒轻金属合金及大块非晶合金成型铸造技术制备了形状复杂的铸件，结果如图3.1所示。此铸件中空，变径，形状不规则，这些是常规块体非晶制造方法所无法比拟的。另外，由于大块非晶合金具有很高的硬度，难以用常规的机械方法进行加工。因此，近年来，虽然大块非晶合金在理论研究方面有很大的进展，但是在实际应用方面的进展却很缓慢。

图3.1为使用本工艺所制备的Zr系大块非晶合金复杂件，其X射线衍射谱和差热热分析DSC曲线如图3.2，3.3所示，其硬度值达到HV500620。

图3.1 利用本发明制备的Zr系大块非晶复杂形状构件

图3.2 铸件的X射线衍射谱图 图3.3 铸件的DSC曲线

4．试验总结与前景分析

经过几年的工作积累，利用我们的这种技术，对几个不同系列铝合金进行试验，均取得令人满意的结果，在铸态条件下，平均硬度和拉伸性能指标均提高10％以上，最高可达40％，这是其他晶粒细化手段所无法比拟的，另外，利用这种技术制备大块金属玻璃合金，所制备样品的直径均明显大于世界其他相同成分样品，例如二元Zr-Cu合金国际同行最大直径为2mm[11,12]，我们的样品直径大于3mm。这些都说明本技术所达到的冷却速度明显优于常规水冷的效果。

另外，铸造过程既强调快冷，又突出成型流动性，属于热模浇铸技术，有利于制备复杂形状结构件，在此基础上，我们制备出变孔径四通管，初步解决了大块非晶复杂件制备的瓶颈问题，为大块非晶合金的实际应用提供了有效的方法。

限于本单位实验室设备限制，无法一次制备大型铝合金结构件，但是，我们已经从原理上讨论了大型结构件在冷却过程中的热交换过程。应用本技术，利用特殊加工的专用模具，可以实现大型结构件的晶粒微米细化。

综上所述，此种技术不仅适用于铝合金的强化、大块非晶合金的制备，而且还适用于其它需要利用凝固控制手段才能获得的材料、组织等的研究及新材料的开发。

这种技术的工业应用前景广阔，比如汽车轻量化方面。汽车轻量化是依靠轻质材料、轻型结构和相应的先进制造工艺来减轻汽车重量，其核心技术包括：铝合金、镁合金、高强度钢、复合材料、聚合物材料等新型材料的制备，多种材料综合应用的匹配与优化，整车和零部件新型轻量化结构设计，轻量化材料零部件的成形、连接和装配工艺[9，13]。在核心技术攻关基础上，形成汽车轻量化技术体系，显著减轻重量、提高新一代汽车整车性能和降低油耗。为了能够在国际汽车工业竞争中处于不败之地，我国材料科学的研究者，一方面不断研究应用适用于汽车的新型高强度材料；另一方面，通过采用新工艺，利用具有自主知识产权的专利技术，提高现有材料的机械性能，来满足我国汽车工业发展的迫切需要。

有理由相信，此种细晶粒轻金属合金及大块非晶合金成型铸造技术在将来的科研及生产中都会发挥重要作用。

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