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半固态成形铅板合金的组织性能及其形成技术原理

2020-09-20

在传统的铅板成形过程中,由于冷却条件和溶质的再分配等因素,使铅合金熔体主要以枝状晶组织形式凝固。通常熔体中的固相率达到20%一30%时,其流动性就会由于先凝固的固相所形成的网架结构而基本消失,在其铸态组织中往往会形成粗大的枝状晶组织,并伴生有大量的缺陷,如缩松、缩孔、宏观和微观偏析等,影响到成形产品的使用性能

在半固态铅成形过程中,由于半固态铅合金浆料的成形温度控制在固液两相区内,浆料中的固相以近球状的非枝晶组织形式悬浮在液相基体中,使熔体具有良好的流变性和触变性,当其固相率达到40%一60%时,依然具有良好的流动性,同时在一定强度搅拌的作用下造成的温度和浓度起伏会促进大量晶核的形成,并由于流动产生的固相间的摩擦、剪切和液相的冲刷作用,从而在无过冷条件下使浆料以分布均匀,细小的非枝晶、近球状的显微组织凝固,而显微组织的细化则使合金的机械强度和耐磨性得到大幅度提高,特别是伸长率更加显著。由于搅拌的作用,强化了溶质元素的流动,强化了晶粒的游离,从而明显降低了偏析,尤其是宏观偏析。在浆料充型过程中,半固态铅的流动属于层流,避免了气体的卷入,且由于成形温度处于固液两相区,显著降低了成形件内部的气孔含量,使成形件组织更加致密。

此外,由于无过热度成形,铅合金熔体在凝固前已含有一部分固相,从而减小了铅合金凝固时的收缩量,相对降低了成形件的内部应力,使半固态成形产品可以通过热处理工艺进行组织和性能的改善,尤其对于压铸成形产品具有更重要的意义。如防护铅板合金在挤压成形和热处理后的抗拉强度570Mpa,屈服强度505Mpa,伸长率11%,但由于其变形性较差,易产生裂纹,使铅合金的应用受到了限制,而经过半固态触变成形和T6热处理后的力学性能测试发现,合金的抗拉强度可以达到468Mpa,屈服强度400Mpa,伸长率为17%,不仅表现出了良好的成形性,而且具有较好的力学性能。

半固态铅浆料具有与常规铸造方法形成的枝晶组织不同的均匀细小的等轴组织,即近似球形的颗粒悬浮于液态铅中的非枝晶组织,其形成机制的解释主要有以下几种

(a)枝晶断裂机制

在铅合金的凝固过程中,当结晶开始时晶核是以枝晶方式生长的。在较低温度下结晶时,熔体内的流动作用,使晶粒之间将产生相互碰撞,由于剪切作用致使枝晶臂在根部被打断,这些被打断的枝晶臂将促进熔体形核,形成许多细小的晶粒。随着温度的降低,这些小晶粒从蔷薇形结构将逐渐演化成更简单的球形结构。枝晶断裂机制,如图1.2所示。

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(b)枝晶熔断机制

晶体在表面积减小的正常长大过程中,枝晶臂由于受到流体的快速扩散、温度起伏而引起的热振动以及枝晶根部产生的应力作用,使较长的枝晶臂很容易被热流熔断,这是由于枝晶臂根部的直径要比其它部分小一些,而且二次枝晶臂根部的溶质含量要比它表面稍微高一些,因此枝晶臂根部的熔点要低一些,所以搅拌引起的热扰动容易使枝晶臂根部发生熔断。枝晶碎片在对流作用下,被带入熔体内部,作为新的长大核心而保存下来,如图1.3所示,晶粒逐渐趋向为近球形长大。

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(c)晶粒漂移、混合一抑制机制

在搅拌的作用下,熔体内将产生强烈的混合对流,凝固过程是就在激烈运动的条件下进行,因而是一种动态的凝固过程。结晶过程是晶体的形核与长大的过程,强烈的对流使熔体温度均匀,在较短的时间内大部分熔体温度都降到凝固温度,再由于成分过冷,熔体中存有大量的有效形核质点,在适宜条件下能以非均匀形核的方式形成大量晶核,而混合对流引起的晶粒漂移又极大的增大了形核率。然而在长大过程中,强烈的混合对流则极大的改善了熔体中的传热和传质过程,对晶体的生长起到了强烈的抑制作用。 由于混合对流作用,使得熔体的温度和成分相对均匀。所谓的混合一抑制机制正是指这种环境不利于择优生长,或者说这种生长方式受到了强烈地抑制,而只能选择各个方向长大,于是获得了球状的非枝晶组织。

(d)枝晶弯曲机制

铅板厂家认为枝晶臂在流动应力作用下会发生弯曲,并且位错的产生和积累将导致塑性变形的产生。在固相线以上温度时,固相中的位错间发生攀移并且互相结合形成晶界,当相邻晶粒的取相差超过20°,晶粒晶界能超过固一液界面能的两倍,液体就将润湿晶界并沿着晶界迅速渗透,从而使枝晶臂与主干分离,其机制如图1.4所示。

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在凝固开始时对熔体进行强烈搅拌,从较大的树枝晶脱离下来的并不是球状的枝晶臂。每一个枝晶臂结构仍然以树枝状长大.然而在随后的凝固过程中,由于长大的晶粒熟化过程以及与其他晶粒发生剪切、磨损作用,使枝状晶呈蔷薇状组织长大,并在进一步冷却过程中晶粒的蔷薇化继续加深,当达到一定过冷和剪切强度时,晶粒将转变成球状。随着切变速度、凝固量的增加和冷却速度的降低.晶粒由树枝晶形态转变为球形的趋势增加。

与此同时,也存在着可逆的“大结构”转换过程,即处于合适位向的固相微粒在相互碰撞中,会在接触点“焊合”在一起,并逐渐附聚成团。当剪切速率较低的时候,“焊合”在一起的固相微粒不易被打散,即发生“有效碰撞”的几率较高,容易形成“大结构”。当剪切速率很高时,由于搅拌作用,固相微粒发生焊合比较困难,而原先焊合在一起的也容易被打散。固相微粒尺寸的大小与冷却速度密切相关,冷却速度越快,固在高固相率半固态压缩变形中,相同的温度条件下,变形应力随着应变速率的增加而增大,随着变形温度的提高,增加幅度逐渐减小。与固态压缩变形相比,半固态条件下应力变化受应变速率的影响较小,采用较低的应变速率可获得比较稳定的变形效果。微粒尺寸越小,冷却速度越慢,固相微粒尺寸越大。


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