A356-B4C复合板材连续流变轧制成形的研究

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本研究提出了利用半固态复合方法与连续流变轧制成形技术相结合,高效短流程制备了A356-B4C复合板材。在半固态温度下,通过强烈的剪切/搅拌作用进行B4C增强颗粒与A356合金基体的复合,然后将制备的半固态复合浆料通过具有封闭矩形孔型的双辊轧机轧制成形,这一方法具有简便、成本低的优点。制备过程将搅拌复合、倾斜板与双辊轧机三者有效结合,优化了制备工艺参数,提出了B4C颗粒预处理方法,分析了不同工艺参数对制备的板带组织的影响规律,同时对所制备的板带的性能进行了检测,获得了不同工艺参数对A356-B4C复合板材的力学性能和磨损性能的影响规律。主要的工作及研究成果如下:(1)获得了对B4C颗粒预处理的最优工艺参数:酸洗溶液为4vol.%HCl,酸洗时间为5h,氧化温度410℃,氧化时间5h;(2)提出了剪切/搅拌作用下B4C颗粒的分散机理,根据理论分析建立了分散模型,并通过实验结果验证了该分散机理:a).强烈的剪切/搅拌作用使熔体内部形成涡流,涡流形成的负压使B4C颗粒弥散到熔体中;b).在同一轨迹上,质量大的B4C颗粒受到的离心力大,首先从B4C颗粒团中分散开;c).不同流层之间的相互剪切作用,利于球形a-Al初晶形成;d).在强烈剪切/搅拌作用下,B4C颗粒与搅拌叶片之间或B4C颗粒之间的相互碰撞,局部会出现轻微的破碎,导致B4C颗粒边缘呈现锯齿状,一定程度上可以增大界面结合面积;(3)获得了不同工艺参数对半固态连续流变轧制成形制备的A356-B4C复合板材组织的影响规律,得到了制备A356-B4C复合板材的最优工艺参数:搅拌速率为500r/min;搅拌时间为20min;搅拌温度为580℃;倾斜板振动频率为80Hz;倾斜板冷却水流量为1.5L/min;轧辊转速为0.25m·s-1;(4)分析了B4C颗粒与A356合金基体结合界面相的组成及提出Al12Mg17、A13BC相生长模型,Al203和A13BC相在合金熔体中均匀分布可有效钉扎晶界,抑制裂纹的产生及扩散。(5)利用半固态连续流变轧制成形制备的A356-B4C复合板材内部组织主要由球形、玫瑰状的a-A1晶粒组成,且B4C颗粒分布比较均匀,该A356-10wt.%B4C复合板材硬度达到109HV,抗拉强度达到197MPa,比传统铸造成形的A356合金分别提高了81.7%和35.86%。(6)获得了不同工艺制备的A356-B4C复合板材断口形貌,未经预处理的B4C颗粒制备的A356-B4C复合板材的断裂方式主要为沿晶断裂,断面大多数呈现河流状花样及撕裂棱,很少有较大的韧窝出现,为脆性断裂;经过预处理后的B4C颗粒制备的A356-B4C复合板材断裂方式主要为穿晶断裂和部分沿晶断裂,断面处能够观察到一定数量的较深的韧窝出现;(7)分析了A356-B4C复合板材的磨损机理,获得了不同B4C含量及摩擦载荷和转速对摩擦系数的影响规律:在B4C含量在0%-10%范围内,摩擦系数随着B4C含量的增大而减小;在摩擦载荷0N-60N,摩擦转速30r/min-80r/min时,摩擦系数随着磨损载荷和磨损转速的增大而减小,主要是生成的H3B03和B203薄膜起到固体润滑剂的作用,当超过该范围,摩擦界面温度会超过200℃,造成H3B03分解为玻璃态的B203,而玻璃态的B203在200℃-450℃会使摩擦界面的摩擦系数明显增大,导致材料的磨损加剧。
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