在汽车行业向着轻量化方向不断发展的当下, 铝合金成为了替代钢材使用的频率最高的那种轻质结构材料, 它被广泛地用到了汽车制造、家用电器、航空航天以及通信技术等等各个不同的领域。

伴随着人们对铝合金的应用需求量不断地变大, 还有其生产产量的日益增长, 那些产生的铝合金的废料, 特别是废屑的数量也跟着出现了大幅度的增加现象。

至于说铝合金这种材料来说, 它具有非常高的回收价值这一点是公认的, 从理论层面去分析的话, 它的回收率能够达到百分之百的程度, 并且在实际应用中, 它是可以被一次又一次地进行反复回收利用的。

所以, 去探讨以及去开发那一种属于新的、而且效率比较高的铝合金废屑的再生技术这件事, 它是具有着相当重要的意义的，要知道液态回收这种方式就是铝合金废料回收时候一个非常常见的办法了, 然而呢这个液态回收它由于那个工艺条件确实是复杂得让人头疼, 因此才出现了合金收得率比较低、回收成本也比较高昂、环境污染也很严重等等这一堆不好的缺点, 所以它就不适宜去开展什么工业化生产, 也因此, 在近年来的时间里, 很多学者们在铝合金固态再生这个方面已经开展了不少的研究工作了。

研究结果指出, 我们能够通过采用预压实以及塑性变形加工等处理方式, 针对边角料或者切屑这类废杂铝合金进行作业。这么做可以将它们转化为具备很高密实度并且力学性能优良的型材。这种方法是完全可行的。它可以彻底避免传统铝基再生材料生产过程中那种必须进行的重新熔化和铸造步骤。这一方式展现出了很多优势。

这些优势包括能耗非常低、不会造成环境污染、回收率十分之高以及生产流程相对较短。同时, 经过这样处理后的再生合金, 其力学性能也表现良好。因此, 该技术的实际应用前景十分广阔。

然而, 因为铝合金用那个固态再生办法来弄, 主要是靠那个塑性变形加工去重新做成型的, 所以, 那个再生的合金还存在组织不致密的那个缺点。因为这个情况, 导致回收了的合金没法子通过那个热处理的方法, 去提高它的力学性能。

另外, 这个固态再生的方法比较难弄出形状复杂的那些零件来, 这样的话, 在应用方面受到了非常大的限制。

半固态成形技术属于近净成形工艺的一种。利用这项技术, 不仅能生产出表面品质比较好、精度比较高、组织比较细小而且均匀、缺陷比较少以及力学性能比较优良的零件。它还不会受到正在成形的零件形状方面的制约问题。另外, 还可以借助热处理操作来提升合金材料的力学性能指标。

基于这些特点, 它在铝合金再生领域里面展现出了非常广阔的发展前景状况。其中, 应变诱导激活法这种方式是先把合金进行挤压这些预变形处理。然后, 再把它加热到固液两相区去进行等温处理。在这个时候, 那些熔化了的部分就渗入到小角度晶界里面去了。

这样一来, 枝晶的侧枝就被溶断了。接着, 又在表面张力的作用下形成了球晶, 从而获得了具有细小圆整初生相颗粒的半固态组织。。考虑到铝合金废屑在切削以及预压制的过程中发生了非常剧烈的塑性变形, 直接进行等温处理就可以使得获得了较大畸变能的合金组织转变为具有细小尺寸和良好的球状形貌的半固态组织。

这种方法不需要再对合金单独进行冷处理和热处理的变形工序。该方法的工艺简单, 流程短, 成本低, 并且无污染。该方法还能够获得均匀的、圆整的半固态组织, 并且容易实现大规模的、高效率的生产。

试验所用的合金是ZL205A合金。这种合金在铸态下的抗拉强度大约是400 MPa。经过T6热处理以后，它的抗拉强度变得接近于500 MPa。该合金的化学成分可以在表1中查阅到。

它的固相线温度和液相线温度之间的区间是533~644 ℃。这是一个结晶温度范围比较宽的合金。这样的特点使得它适合采用半固态处理方法来进行再生操作。

我们得从加工中心那里把ZL205A合金的废屑给回收回来, 然后再把这个事情, 和SIMA工艺还有传统的那种铝合金废屑固态回收方法给结合起来进行下一步操作。具体该怎么弄呢? 要把这个回收来的ZL205A铝合金废屑, 给它放进到一个已经提前预热好了的模具里面去。

同时, 还得把热电偶这东西, 给它插在废屑的中心部位上面。最后, 再把它整个放到电阻炉里面去, 然后跟着炉子一块儿慢慢加热, 一直加到三百五十摄氏度的这个温度水平为止。然后利用热压制的方法让坯料变得紧实, 这就形成了预制坯料。具体的工艺步骤是这样的先把加热并且保温好的模具跟废屑放在一起。

接着把它们一同放置在压力为200吨的液压机上。在液压机上进行热压处理的时候将压力控制在640兆帕。保持该压力的时间为60秒。为了防止坯料受到污染在这压制过程中坚决不用脱模剂。热压预制压坯的规格是直径四十毫米、厚度十二毫米。将这样的预制坯料放进茂福炉里。让它的温度达到半固态的温度区间。

保持一段时间。然后直接拿出来, 用水淬火。这样就获得了半固态的坯料。废屑的样子、预制压坯的样子, 还有工艺流程都在图1里有展示。试验过程中使用的加热设备, 有自制的分体式电阻炉和茂福炉。用自动温控系统来对加热的整个过程进行控制。这个温控系统是PID类型的。控温的精度能达到正负零点五摄氏度。

图1展示了ZL205A合金废屑的外观情况, 同时也展示了预制坯料的外观情况, 此外还介绍了半固态再生工艺的整个流程是怎样的。

1.图中共存在七个部分, 其中第一个部分是顶杆, 第二个部分是模具, 第三个部分是垫片, 第四个部分是茂福炉, 第五个部分是热电偶, 第六个部分是预制坯, 第七个部分是耐火砖。

1试验设计

图2展示了ZL205A合金废屑在640 ℃和580 ℃两个不同的温度条件下, 经过等温处理后所获得的微观组织状况, 其中显示的样品具体位置是坯料的心部区域。关于这项研究的开展方式, 我们采用了全因子试验的方法来进行深入分析, 至于具体的实验安排详情, 则可以直接参见表2。

(a) 640 ℃废铝合金模具回收，30 min; (b) 580 ℃，60 min

图2展示的是ZL205A合金废屑, 在温度为640 ℃的条件下的等温情况, 同时也包括了在温度为580 ℃条件下的等温情况, 这些是所获得的微观组织, 位置是在坯料心部位置。

2半固态组织表征方法

使用奥的斯GX71-6230A型金相显微镜来观察半固态微观组织。在进行金相观察之前, 先从经过淬火处理所获得的半固态坯料的中心位置进行取样, 具体见图3。然后将试样依次放在80~2000目的水砂纸表面进行打磨操作, 之后再进行抛光。

接下来采用体积分数为0.5%的HF水溶液作为腐蚀剂来实施腐蚀, 整个腐蚀过程的时间控制在8~10秒之内。

使用Image Pro Plus 6.0软件来处理照片, 处理的数量是在5到7张之间, 针对每个工艺进行测量, 包括合金固相率、晶粒尺寸S以及形状因子F这些参数, 最后把测得的所有结果取一个平均值。

图3 ZL205A合金再生坯料半固态组织的取样位置

3等温温度对半固态组织的影响

图4展示了在不同等温工艺条件下, ZL205A合金再坯料半固态组织所受到的影响情况。图5则呈现了当等温时间设定为50分钟时, 不同等温温度对半固态组织的具体影响。

图4展示的是在多种不同的等温加热温度环境下, ZL205A合金所制备的再生半固态坯料, 其内部金属组织结构呈现出来的具体形态和特征情况。

(a) 平均晶粒尺寸；(b) 形状因子；(c) 固相率

图5展示了在等温加热持续时间为五十分钟这个时间点上ZL205A合金所制备的再生坯料, 其内部出现的半固态微观结构形态。

(a) 590 ℃; (b) 600 ℃

图6显示的是当等温时间设定为60分钟, 并且等温温度分别调整为610 ℃和630 ℃时, 所呈现出来的那些半固态组织的具体情况。

图6 展示的是ZL205A合金再生坯料的半固态组织, 在这种情况下, 等温时间是60 min。

(a)是在610 ℃的条件下；(b)是对图6a中所示方框位置进行的放大处理；(c)是630 ℃条件下的低倍显微镜观察结果；(d)是630 ℃条件下的高倍显微镜观察结果。

4等温时间对半固态组织的影响

图7展示了等温时间同ZL205A合金的半固态组织之间存在的关联关系, 具体表现为一条关系曲线。

如图7所展示的那样, 当等温的时间长短不一的时候, ZL205A合金在再生坯料的半固态组织特征方面会受到影响。

(a) 平均晶粒尺寸；(b) 形状因子；(c) 固相率

图8所展示的内容, 是基于等温温度保持在610摄氏度这一条件。在这个特定条件下，我们关注的是那些在等温时间分别为30分钟、50分钟以及60分钟这三个时间点时, 其晶粒形状发生的变化幅度最为显著的情况。图中展示的具体画面, 即为在这三个特定时段结束后所形成的半固态微观组织结构的形态特征表现。

我们展示了在等温温度为610 ℃时废铝合金模具回收，ZL205A合金再生坯料的半固态晶粒形貌的演化情况, 相关结果如图8所示。

(a) 是30分钟；(b) 是50分钟；(c) 是60分钟。

5最优工艺参数的选择及验证

图9展示了在经历各种等温工艺处理以后, ZL205A合金再生坯料的平均晶粒尺寸情况。图9同时也表明了形状因子的变化状态。此外, 图9还揭示了固相率的相关数据。

图9 等温工艺参数对ZL205A合金再生坯料半固态组织特征的影响

(a) 平均晶粒尺寸；(b) 形状因子；(c) 固相率

基于前面的那些结果, 用了最优的那些半固态等温工艺参数, 对预压制坯料进行了半固态等温处理, 然后得到的半固态坯料的金属相组织如图10所示, 其中它们的平均晶粒尺寸是114 μm, 形状因子为1.12, 固相率低于68%。

图10 最优等温工艺参数下ZL205A合金再生坯料的半固态组织

6 结论

（1）ZL205A合金半固态坯料的平均晶粒尺寸, 是随着温度的升高而呈现出先低后高的趋势的, 至于晶粒的形状因子, 它是随着温度的升高而先减小然后再增大起来的, 只不过在610℃这个温度点之后, 它又会继续减小的, 另外, 形状因子还是会随着等温时间的增加而变大的, 同时, 形状因子也同样是会随着等温时间的逐渐延长而先趋向于先减小然后后增大, 并且是在30分钟这个时间点之后再次继续减小的。

（2）当那个等温温度比较低的时候, 或者当那个等温时间比较短的时候, 这个半固态组织在发生长大和变粗的过程里, 是靠着晶粒合并还有Ostwald粗化这两招来的, 但是一旦这个温度到了630 ℃, 或者这个时间超过了30 min, 因为受到了那些晶粒之间液膜表面张力的影响, 晶粒就只有那一条路可以走, 就是只能通过那个Ostwald机制来完成它的长大和变粗这一系列的事情。

（3）我们对半固态等温处理这一工艺里面的各个参数是如何去影响最终的半固态组织的, 这件事进行了比较全面的分析与综合考虑, 最终确定了最优的工艺参数设置, 具体的情况就是所建议的等温温度应该是保持在620 ℃, 同时所建议的保持时间为45 min, 在实际的操作中使用了上面所说的这一组最佳工艺参数去完成验证环节的相关实验工作, 经过试验之后测得的数据反映出来的是所得到的半固态晶粒的平均尺寸大小为114 μm, 其对应的形状因子数值为1.12，此外还得出固相率是低于68%的这一重要结果。

欢迎大家对这篇作品进行引用, 具体的引用方法是这样的。

该学术文献由王明杰、杨勇、田微微以及其团队其他成员共同撰写并署名发表, 文章标题为《等温工艺对ZL205A废屑半固态再生组织的影响》, 这篇研究论文正式刊登在名为《特种铸造及有色合金》的专业期刊杂志上, 具体的出版日期信息是二零二二年第十一卷, 该期杂志的总期号为第四十二期, 文章在该期刊上的具体页码位置是从第一千三百九十六页起始一直延续到第一千四百零一页结束。

英文格式: WANG M J,YANG Y,TIAN W W,et al.Effects and optimization of isothermal process parameters on semisolid recycled microstructures of ZL205A alloy chips.Special Casting & Nonferrous Alloys,2022,42(11):1 396-1 401.