| SiC颗粒增强铝基复合材料的挤压铸造工艺研究
丁占来 任德亮 齐海波 樊云昌
摘 要 对SiC颗粒增强铝基复合材料挤压铸造成形工艺进行了研究，优选了挤压比压、保压时间、熔液浇铸温度、模具预热温度等工艺参数。认为挤压铸造是颗粒增强基复合材料溶液凝固成形的较好途径，可以克服搅拌法制备复合材料熔液中气体含量高的缺点。
关键词：铝基复合材料 挤压铸造 SiCp增强体
铝基复合材料因其比强度、比刚度高、耐磨性、耐热性好等特性而成为国内外材料研究的热点。用普通重力铸造法制作的复合材料铸件的孔隙率较高。鉴于挤压铸造工艺已普遍用于铝合金、镁合金、锌合金的铸造成形，本研究采用SiC颗粒增强铝合金基体，经液态搅拌得到SiC颗粒均匀分布的熔液，再经挤压铸造凝固成形，旨在通过挤压减少或基本消除气孔、缩松等缺陷，获得组织致密的复合材料铸件。
1 试验方法
采用与ZL109相类似的铝合金为基体，增强体选用国产W10 α-SiC颗粒，SiC颗粒在复合材料中的体积分数为10%。铝合金锭经清洗烘干后放入中频感应炉内熔炼。在氩气保护下熔化后，加入经过预处理的SiC颗粒，同时石墨搅拌器在电动机的驱动下对熔液进行机械搅拌，搅拌完成后加入铝锶中间合金变质剂。通纯氩气精炼、扒渣后浇入钢制模具中进行挤压铸造工艺试验。
挤压铸造试样按照GB10851-89，经磨光、10%氢氧化钠水熔液腐蚀、盐酸水熔液清洗表面后检验宏观针孔度。试样经T6处理后在HB3000布氏硬度计上测试其硬度。并在Olympus PME-3型光学显微镜下观察其显微组织。
2 试验结果与分析
挤压工艺参数影响溶液的凝固过程，从而影响铸件的内在质量和性能。选择合适的工艺参数至关重要。
2.1 挤压比压的影响
挤压比压是挤压铸造工艺的关键参数，挤压的目的是使合金熔液强挤压比压的影响。
挤压比压是挤压铸造工艺的关键参数，挤压的目的是使合金熔液强制流动，减轻甚至消除熔液与模壁间的气隙，增加导热率，提高熔液的冷却速率，细化铸件的晶粒组织。同时通过强制补缩减少缩松等铸造缺陷［1］。对铝合金中孔隙率影响最大的是氢气，它在100 g铝液中的溶解度高达0.6～0.7 mL,而在固态铝中的溶解度只有0.04 mL。在凝固过程中过饱和的氢以气泡形式析出，从而增加材料中的孔隙率，影响材料的性能。而铝基复合材料熔液在制备过程中要加入SiC颗粒，颗粒表面难免有气体吸附，加入SiC颗粒之后要进行一定时间的搅拌，在搅拌过程中溶液会吸入部分气体，故此复合材料熔液较铝合金熔液的气体含量要高。
试验所用的试样挤压模具长径比(2.6)较大，因此在挤压过程中压力有所损失。在80 MPa压力下凝固的试样经解剖后宏观可见毫米级的气孔。随着压力的增大，气孔率逐渐降低。压力在140 MPa时，试样的气孔率可达到GB10851-89所规定的一级针孔度水平。
试样经T6处理可知复合材料的硬度随挤压比压的升高而增大。这是由于随挤压比压的增大，材料的致密度增大(孔隙率降低)。同时由于SiC颗粒的加入，复合材料的硬度较基体铝合金的硬度有所提高。
2.2 保压时间的影响
保压时间对熔液的凝固过程起重要作用，保压时间不足时试件心部未完全凝固，晶粒组织较粗大，且心部补缩不完全。经过对试样的显微组织分析表明，保压60 s为合适的时间。
2.3 浇铸温度的影响
SiC颗粒增强铝基复合材料溶液分别在680 ℃,720 ℃和760 ℃浇铸进行挤压铸造试验，通过所得试样的光学显微组织分析，得知720 ℃是较佳的浇铸温度。浇铸温度低(680 ℃)试样外层容易先凝固成硬壳，在压头挤压熔液时，压力主要由硬壳承担，试样中心部位补缩不足，易形成缩松。浇铸温度高时，由于熔液与模具间热差大，热传输量大，使熔液凝固速度变慢，因而凝固后试件晶粒较粗大，且熔液在挤压时易向外飞溅。对于SiC颗粒增强的铝基复合材料而言，又要考虑避免在较高温度下SiC颗粒与铝液发生界面反应(4Al+3SiC=Al4C3+3Si)生成脆性层而影响复合材料的性能［2］。
2.4 模具预热温度的影响
模具预热温度对复合材料溶液在挤压时的凝固过程也有很大影响。一般而言，模具预热后可除去模具内腔吸附的水分和气体，并使脱模剂覆盖于模壁上。同时调节熔液的凝固速度。模具预热温度低(100 ℃)时熔液和模具接触的部分很快凝固，在压头压下时外层硬壳会承担大部分的压力，挤压铸造完成后试样心部仍有缩松、气孔等缺陷存在。模具预热温度过高会使试样凝固后晶粒较粗大，并且在挤压过程中熔液易飞溅。试验的结果是模具的预热温度以200 ℃为佳。α-Al枝晶间距较小，基本没有气孔、缩松等缺陷。复合材料与基体铝合金相比，因SiC颗粒可作为共晶硅的形核位置［3］，共晶硅在复合材料中分布更均匀，晶粒更细小。
3 结 语
SiC颗粒增强铝基复合材料适于挤压铸造工艺凝固成形，通过适当的挤压工艺可以克服复合材料熔液中气体含量高的不利因素，获得基本无气孔、缩松等缺陷的复合材料铸件。
作者单位：石家庄铁道学院
参考文献
[1] 齐丕骧.挤压铸造.北京：国防工业出版社,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
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