特种铸造及有色合金

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邢书明, 高文静, 潘琦俊, 胡柏丽, 王超

特种铸造及有色合金. 2023, 43(6): 721-728. https://doi.org/10.15980/j.tzzz.2023.06.001

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基于半固态流变铸造过程中流变与凝固强耦合的特点, 提出了流变碰撞形核和流变合并长大的流变凝固理论。理论认为, 在强烈流动条件下, 经典的结构起伏形核理论不再适用, 液态金属中原子团簇(晶胚)间的碰撞合并形核成为主要形核机制, 流变形核率是经典结构起伏形核率和流变碰撞形核率之和; 在强烈流变条件下, 初生固相之间接触碰撞, 进而合并粗化长大是流变成形过程初生相长大与演变的主要机制。基于该流变凝固理论, 提出了随流半固态铸造技术(SSMF)。该技术包括半固态熔体的流变制备、流变充型和流变凝固成形3个基本步骤。液态金属在流变充型的过程中随流形核和长大, 并在随后的半固态成形过程发生演变和剩余液相的凝固。实现了浆料制备与工件的半固态成形制造无缝连接, 能够从根本上解决半固态浆料制备、输送与充型过程的氧化、吸气等问题, 是材料制备与成形一体化的零件成形新技术。

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重熔时间对固溶态Ti@(Al-Si-Ti)_p/A356复合材料组织和性能的影响

陈体军, 张治国, 张学拯, 张金玉

特种铸造及有色合金. 2023, 43(6): 729-736. https://doi.org/10.15980/j.tzzz.2023.06.002

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通过粉末触变法制备了一种“芯-壳”结构颗粒增强A356铝基复合材料[Ti@(Al-Si-Ti)_p/A356], 并对不同重熔时间下制备的复合材料进行545 ℃×1 h的固溶处理, 研究了重熔时间对基体微观组织和“芯-壳”结构颗粒微观组织的演变和力学性能的影响。结果表明, 随部分重熔时间延长, 固溶态复合材料中初生α-Al颗粒不断粗化, 共晶组织球化和粗化并且含量逐渐减少, “芯-壳”结构颗粒的壳层进一步反应增厚直至Ti芯被完全消耗。重熔时间为40 min的固溶态复合材料的力学性能最好, 其屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为172.1 MPa、263.9 MPa和20.0%, 与铸态复合材料相比分别提高了7.3%、11.7%和12.4%。

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铝合金半固态浆料中的卷入性缺陷

郭洪民, 杨湘杰

特种铸造及有色合金. 2023, 43(6): 737-740. https://doi.org/10.15980/j.tzzz.2023.06.003

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已开发的半固态浆料制备方法均会产生卷入性缺陷, 浇注操作和强烈的搅拌混合是产生卷入性缺陷、降低半固态浆料品质的重要因素, 半固态浆料内部的卷入性缺陷主要表现为气孔、缩孔、双层膜和气泡轨迹等。开发无卷入性缺陷半固态浆料的制备方法和技术是研究和发展流变铸造首要解决的关键问题。促进卷入性缺陷钝化是减少其危害的有效途径, 卷入性缺陷闭合与焊合行为机理研究将丰富铸造领域卷入性缺陷的调控理论。

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铝合金高固相流变压铸成形技术研究进展

卢宏兴, 胡小刚, 朱强

特种铸造及有色合金. 2023, 43(6): 741-746. https://doi.org/10.15980/j.tzzz.2023.06.004

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高固相流变压铸成形是一种新兴的铝合金成形技术, 具有生产效率高、产品致密度高、综合制造成本低等特点, 在过去十年内快速发展, 在汽车、工程机械、通讯设备等领域获得应用。总结了该技术在浆料制备、材料、模拟仿真、缺陷控制等方面的研究进展以及产业应用情况, 并对未来发展进行讨论。

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半固态挤压铸造Al-Si-Mg-Fe合金的组织与性能

刘岩, 高民强, 杨莉, 陈谦稳, 陈海伟, 管仁国

特种铸造及有色合金. 2023, 43(6): 747-752. https://doi.org/10.15980/j.tzzz.2023.06.005

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采用剪切、振动耦合亚快速凝固制浆技术获得Al-Si-Mg-Fe合金半固态浆料, 并通过优化挤压铸造工艺参数, 制备出高性能挤压铸件。研究了浇注温度和挤压压力对半固态挤压铸件组织与力学性能的影响。结果表明, 随着浇注温度从690 ℃降低至670 ℃, 初生α-Al晶粒直径减小, 形状因子增加, 孔隙率降低, 铸件的力学性能明显提高; 随着挤压压力从100 MPa增至120 MPa, 初生α-Al晶粒变得细小、圆整, 铸件的力学性能提升明显, 进一步增加挤压压力至140 MPa时, 铸件组织和力学性能的变化不明显。T6热处理后, 铸件的力学性能得到进一步提高。

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铝合金半固态加工的现状和发展前景探讨

李杰华

特种铸造及有色合金. 2023, 43(6): 752-755. https://doi.org/10.15980/j.tzzz.2023.06.006

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基于16届国际半固态加工会议探讨了半固态加工的现状和发展前景。可以发现, 再生铝合金流变铸造正在成为铝合金流变铸造的主流, 计算机断层扫描在分析铝合金流变铸造缺陷方面正在得到越来越多的应用, 同步辐射在分析半固态流变行为方面具有非常重要的科学意义和应用价值。虽然正在面临着大型真空一体化压铸的激烈竞争, 半固态加工通过和连接技术的结合依然在大型复杂薄壁优质铸件的生产方面具有广泛的应用前景。

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半固态流变压铸铝合金三角臂开发与应用研究

冯伟标, 陈颂, 李涛, 王希诚, 梁小康, 张帆, 李大全, 彭立明

特种铸造及有色合金. 2023, 43(6): 756-762. https://doi.org/10.15980/j.tzzz.2023.06.007

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以底盘关键受力结构件“三角臂”为研究对象, 采用铝合金半固态流变压铸成形工艺替代传统钢板焊接工艺实现轻量化, 铝合金三角臂本体的静载强度、模态分析及耐久仿真分析均满足性能要求, 且静载强度、刚度均显著优于原钢制三角臂。结合高固相半固态流变压铸工艺特点, 通过拓扑优化实现了产品半固态“层流充型”的过程控制。金相分析结果显示, 半固态α-Al呈近球状且分布均匀, Si颗粒变质正常; 经X射线、荧光探伤检测发现, 关键受力位置无气孔、缩孔、缩松缺陷, 致密度高。开发出的半固态流变压铸铝合金三角臂质量为2.41 kg, 相对原钢制三角臂本体减重39.9%, 并通过台架性能试验和整车搭载验证。

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高强Al-11Zn-1.84Mg-0.92Cu-0.15Zr-0.15Sc合金流变挤压铸造组织与性能研究

徐永涛, 赵朴睿, 白月龙, 张志峰, 杨子玥, 刘彦强, 马恒, 钱苗, 何卫

特种铸造及有色合金. 2023, 43(6): 763-767. https://doi.org/10.15980/j.tzzz.2023.06.008

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采用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)、X射线衍射分析仪(XRD)、热裂试棒试验法研究了Al-11Zn-1.84Mg-0.92Cu-0.15Zr-0.15Sc铸造铝合金的热裂敏感性能以及电磁搅拌熔体处理对合金挤压铸造件组织与力学性能的影响。研究表明, 试验合金具有良好的抗热裂敏感性能, 与未施加电磁搅拌熔体处理相比, 电磁搅拌熔体处理的挤压铸造轨道件的晶粒细小均匀, 晶界处粗大的初生Al₃(Sc, Zr)相和低熔点共晶相的数量与尺寸明显减小甚至消失。经T6热处理后低熔点共晶相几乎完全回溶到基体内部, 铸件的力学性能提升明显, 平均抗拉强度为565 MPa, 伸长率达到7.5%, 同时力学性能的一致性和稳定性得到显著改善。

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AlSi7Mg半固态触变模锻数值模拟及试验验证

董健, 姜巨福, 王迎, 张逸浩

特种铸造及有色合金. 2023, 43(6): 768-777. https://doi.org/10.15980/j.tzzz.2023.06.009

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借助Deform-3D软件, 对AlSi7Mg铝合金工件进行半固态触变模锻数值模拟及试验研究。结果表明, 坯料的温度随模具速度的升高而升高, 工件的成形力随着温度的升高而逐渐降低, 参数改变对应变没有产生明显的影响。最佳的工艺参数:模具温度为450 ℃, 坯料温度为593 ℃, 上模速度为15 mm/s。半固态触变模锻相比于高温固态模锻能够有效地降低成形力, 试验工件的显微组织具有明显的半固态组织特征, 其屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为98.9 MPa、175.9 MPa和6.52%。

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高固相率Mg-Gd-Y-Zn-Zr镁合金浆料及流变压铸研究

常治宇, 吴玉娟, 邓庆琛, 冯剑, 李大全, 王迎新, 彭立明, 丁文江

特种铸造及有色合金. 2023, 43(6): 778-785. https://doi.org/10.15980/j.tzzz.2023.06.010

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基于SEED法, 采用流变压铸工艺成功制备了高固相率的Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金浆料, 并进行了流变压铸试验。结果表明, 根据初生α-Mg颗粒的尺寸和形状因子, GWZ831K和GWZ1031K合金浆料更适合半固态金属加工成形。随着Gd含量增加, 合金的平均晶粒尺寸、共晶相含量和室温抗拉强度逐渐增大, 而伸长率逐渐降低。GWZ831K和GWZ1431K合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为(223±13) MPa、(139±3.9) MPa、6.4%±1.3%和(270±9) MPa、(201±5.7) MPa和1.8%±0.3%。流变压铸合金的α-Mg基体不仅能够提供强度, 还可以协调变形和贡献塑性, 而硬脆的共晶相则可以有效地钉扎和强化晶界, 但降低了塑性。流变压铸GWZ831K和GWZ1431K合金在拉伸断裂时分别表现为解理断裂和脆性断裂。

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基于CSATEP的高熵合金建模与力学性能研究进展

梁釜, 杜劲, 李银玲, 石海川

特种铸造及有色合金. 2023, 43(6): 786-793. https://doi.org/10.15980/j.tzzz.2023.06.011

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以基于第一性原理的高熵合金力学性能研究为切入点, 综述了使用MS软件中的CASTEP模块实现高熵合金的直观建模和性能计算。主要包括计算前的建模方法、晶体稳定性和相结构的预测, 计算时所需设置的参数条件, 即基于第一性原理的密度泛函理论的收敛计算方法, 计算后的材料力学性能分析。通过对比模拟结果与试验数据判断计算的准确性, 进一步验证了使用基于第一性原理的CASTEP模块计算高熵合金力学性能的可行性。

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大型薄壁复杂铝合金舱体件低压铸造模拟对比分析

宋春丽, 裴小龙, 陈利文, 陈磊, 赵宇宏

特种铸造及有色合金. 2023, 43(6): 794-799. https://doi.org/10.15980/j.tzzz.2023.06.012

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对NovaCAST、JSCAST和EasyCast 3种铸造模拟软件进行详细地介绍对比。利用3种软件对同一个大型薄壁复杂铝合金舱体件低压铸造过程进行模拟计算, 对凝固过程和缺陷预测的模拟结果进行了对比分析。结果表明, 3种软件的计算模型、边界条件及工艺参数设置以及缺陷预测判据等方面存在差异, 但舱体铸件的凝固顺序和缺陷预测位置基本一致, 说明3种铸造模拟软件均可很好预测大型薄壁复杂舱体件铸造过程的缺陷分布。

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L605离心铸管凝固组织数值模拟及试制研究

寻梦华, 骆合力, 李尚平, 韩少丽, 张继

特种铸造及有色合金. 2023, 43(6): 800-804. https://doi.org/10.15980/j.tzzz.2023.06.013

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为研究L605离心铸管在凝固过程中不同温度梯度下组织的生长规律, 利用ProCAST软件对管坯内部不同区域的组织进行了数值模拟, 并在铸型前端设置感应加热线圈实现在线加热, 以消除充型过程中铸型自前端至后端随着金属液充型的进行所增加的温度梯度。结果发现, 模拟结果与试制结果吻合较好, 可以反映管坯凝固组织中柱状晶和等轴晶的形貌与面积比, 为预测其凝固组织生长过程提供了有效依据, 得到了适合该离心铸管的较优的铸型温度为500 ℃。

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热等静压工艺参数对 TA15钛合金组织及性能的影响

孙志雨, 莫晓飞, 李亚峰, 丁贤飞, 南海

特种铸造及有色合金. 2023, 43(6): 804-807. https://doi.org/10.15980/j.tzzz.2023.06.014

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采用热等静压方法成形TA15粉末预合金, 系统研究了热等静压工艺参数(温度、时间、压力)对合金显微组织及性能的影响。结果表明, TA15合金的抗拉强度、屈服强度随炉内压力、保温时间与温度的增加均呈现先升高后降低的变化; 而伸长率、断面收缩率随压力升高、时间的延长呈先降低后升高的趋势, 随温度的升高先升高后降低。当热等静压工艺为930 ℃×130 MPa×3 h时, TA15合金组织为典型的网篮组织, 板条间距与等轴α晶粒含量较低, 其抗拉强度可达952.3 MPa, 伸长率可达17.1%, 屈服强度为866.3 MPa, 断面收缩率为47.9%, 性能接近锻件水平。

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交变磁场-压力协同场对真空差压铸造ZL114A合金枝晶生长及致密度的影响

李勇, 严青松, 芦刚, 陈燕飞, 陈义斯, 朱伟明, 刘栋

特种铸造及有色合金. 2023, 43(6): 808-814. https://doi.org/10.15980/j.tzzz.2023.06.015

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为强化复杂薄壁铝合金凝固末期补缩, 获得高致密ZL114A铝合金铸件, 在真空差压铸造机上构建磁场发生装置。系统研究了磁感应强度和分级加压压差对不同轴径ZL114A试样枝晶形态、取向、二次枝晶间距(SDAS)、致密度的影响, 揭示了交变磁场-压力协同场下合金的凝固行为, 建立了交变磁场-压力协同场下熔体对流挤渗方程。结果表明, 协同场下的熔体质点受洛伦兹力和压力影响持续运动, 并伴随初生枝晶碎断、浮游、二次生长及变形, 故凝固组织趋于等轴化, 粗大树枝晶转变为细小蔷薇晶。此外, XRD图谱显示主晶面(111)衍射峰强度随磁感应强度增加而增加, 证实交变磁场促进低阶晶面枝晶择优生长。强磁场下金属原子运动剧烈, 引起熔体过热影响凝固进而导致组织粗化。因此, 随着磁感应强度增加, 合金SDAS(二次枝晶臂间距)先减小后增大, 致密度先增大后减小, 理想磁场强度为24 mT, 此时提高分级加压压差有利于枝晶细化和凝固补缩。

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等离子堆焊Stellite6合金高温耐磨性能研究

关锰, 雍兴平, 田云, 邹有序, 林雪健, 黄宏军

特种铸造及有色合金. 2023, 43(6): 815-820. https://doi.org/10.15980/j.tzzz.2023.06.016

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为了提高轴承用304H不锈钢耐磨性, 采用等离子堆焊在不锈钢表面制备Stellite6合金堆焊层, 研究了堆焊层微观组织及高温耐磨性能, 分析了不同温度对耐磨性能的影响。结果表明, 堆焊层与基体结合良好, Stellite6合金堆焊层以柱状晶为主, 熔合区为平面晶区。堆焊层主要由γ-Co固溶体和Cr、Ni、W及C元素形成的M₇C₃型复合碳化物以及WC组成。从基体到堆焊层硬度值不断增加, 距熔合线0.2 mm后堆焊层硬度进入稳定区, 硬度值(HV)高于460。在250、350、450和500 ℃与Stellite21堆焊层对磨时, Stellite6堆焊层摩擦因数与磨损质量损失随着磨损温度的增加而增加, 摩擦面粗糙度在3.9～8.6 μm之内。堆焊层高温磨损机制为磨粒磨损、粘着磨损以及氧化磨损, 且随温度升高, 磨损程度加剧, 但磨损机制没有明显改变。

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铍布袋粉废料电渣熔炼制备铍青铜用母合金工艺研究

张金山, 韩俊钢, 崔书辉

特种铸造及有色合金. 2023, 43(6): 821-824. https://doi.org/10.15980/j.tzzz.2023.06.017

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铍布袋粉废料是纯Be在制粉加工过程中产生的收尘料, 其Be含量高、回收价值高但难度大, 且长期存放也会对环境造成一定的危害。主要研究了一种利用铍布袋粉废料电渣熔炼制备铍青铜用母合金的新工艺方法, 既能解决铍布袋粉废料回收再利用难度大的资源问题, 又能实现制备低杂质铍铜母合金的技术突破, 最终得到Be含量均匀且杂质含量低的铍青铜用母合金, 可满足高纯净、大规格铍青铜产品的需求。

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7050铝合金的蠕变行为研究

徐显强, 董显娟, 徐勇, 涂泽立, 鲁世强, 龚思恒

特种铸造及有色合金. 2023, 43(6): 825-830. https://doi.org/10.15980/j.tzzz.2023.06.018

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通过恒应力单轴蠕变拉伸试验, 研究了7050铝合金在温度为121～177 ℃, 外加应力为170～250 MPa范围内的蠕变拉伸行为, 分析了蠕变温度和外加应力对蠕变拉伸行为的影响。结果表明, 外加应力在170～250 MPa应力范围内, 7050铝合金在温度为121 ℃和149 ℃时具有优良的低温抗蠕变性能。通过扫描电镜(SEM)观察断口形貌, 发现蠕变断裂机制随应力的增加由典型的韧窝断裂向准解理-韧窝混合断裂转变。计算了表观应力指数n、蠕变激活能Q, 表明随着蠕变温度的升高和外加应力的增大, 蠕变机制可能由晶界扩散控制的位错黏性滑移机制转变为第二相粒子控制机制。

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Cu含量对7075铝合金微观组织与力学性能的影响

唐鹏, 刘倩男, 谢振浩, 贾战迎, 陈寒冰, 谢粤凌, 莫灼强

特种铸造及有色合金. 2023, 43(6): 830-835. https://doi.org/10.15980/j.tzzz.2023.06.019

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采用高温熔铸的方式制备Al-Zn-Mg-yCu合金(y=1.0%、1.2%、1.53%、1.7%、2.0%, 质量分数)。利用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)等研究了Cu含量对Al-Zn-Mg-Cu合金的微观组织和力学性能的影响。结果表明, 随着Cu含量增加, 合金中晶粒由原来的不规则粗大状变为细小状, 合金的强度先提高后下降。合金中Al₂Cu相极易形成连续的网状甚至粗大的骨骼状组织, 严重割裂了7075合金的基体组织, 降低合金的力学性能。因此通过改变Cu含量对Al₂Cu颗粒进行细化, 可以增强7075铝合金的力学性能。

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Al、Ca微合金化对Mg-Gd合金组织及力学性能的影响

李武钊, 王武孝, 陈晓港, 刘董超, 刘争争

特种铸造及有色合金. 2023, 43(6): 836-840. https://doi.org/10.15980/j.tzzz.2023.06.020

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利用光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪、EDS能谱分析等手段研究了Al、Ca含量对Mg-10Gd-xAl-yCa(x+y=2)合金力学性能的影响。结果表明, 用Ca元素替换Mg-10Gd-2Al合金中的Al元素, Mg-10Gd-2Al合金中(Mg, Al)₃Gd相形貌由花瓣状变为短棒状、颗粒状, 合金抗拉强度随Ca含量的增加呈先增大后减小的趋势; Ca含量为0.5%时, 没有发现新相形成, Ca元素全部固溶入基体, 产生较强的固溶强化效果, Mg-10Gd-1.5Al-0.5Ca合金的力学性能较好, 其抗拉强度、伸长率分别为210.3 MPa、15.6%; 当Ca含量超过0.5%时, 合金中出现沿晶界分布的粗大共晶相, 割裂了基体, 降低了合金的力学性能。随着Ca含量增加, 合金断裂方式向脆性断裂转变。

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原位碳化物增强CoCrFeMnNi高熵合金的组织与性能

杨慧

特种铸造及有色合金. 2023, 43(6): 841-846. https://doi.org/10.15980/j.tzzz.2023.06.021

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采用热压烧结制备了不同石墨含量的CoCrFeMnNi高熵合金, 研究了石墨对合金组织和力学性能的影响。结果表明, 加入石墨后, 烧结体中原位生成了M₂₃C₆型富Cr碳化物, 并弥散分布于基体中。随石墨含量增加, 碳化物尺寸保持不变, 面积分数呈抛物线状增加, 烧结体屈服强度随之增加。合金屈服强度增量满足Δσ=31.5+762(f^1/2/r), 其主要强化机制为碳化物的弥散强化。当石墨含量为1%时, 合金具有优异的综合力学性能, 其屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为338 MPa、672 MPa和20.9%。

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逆偏析对ZL205A合金铸件微观组织及力学性能的影响

刘润芳, 樊秀臣, 王晓萌, 于淼, 李明

特种铸造及有色合金. 2023, 43(6): 846-849. https://doi.org/10.15980/j.tzzz.2023.06.022

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以ZL205A合金壳体铸件为对象, 通过研究其逆偏析区域的宏观、微观形貌及力学性能, 发现此类逆偏析易产生于缝隙浇道两侧, 呈线性分布, 其偏析区域中Cu含量偏低, 平均约为4.2%; 热处理后逆偏析区域硬度(HV)与其他区域相当, 约为137; 抗拉强度和伸长率相比其他区域略有提升, 分别为425.3 MPa和7.0%。结果表明, 逆偏析对ZL205A合金铸件本体力学性能未产生负面影响, 反而有少量提升作用。

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1000型铝合金压铸梯级结构及压铸工艺优化

柯春松, 唐杰, 庄舰, 刘红娟

特种铸造及有色合金. 2023, 43(6): 850-856. https://doi.org/10.15980/j.tzzz.2023.06.023

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在铝合金梯级结构设计中, 既要考虑梯级的安全性和轻量化, 又要考虑梯级的压铸成形工艺。采用ABAQUS有限元分析软件对梯级进行静态和动态分析, 优化梯级结构。采用MAGMA软件, 对梯级的浇注系统进行充型和凝固数值模拟分析, 优化浇注系统和压铸成形工艺。通过产品试制验证, 1000型铝合金压铸梯级达到国家质量标准和企业生产要求。

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石墨砂在精铸型壳中应用机理探讨

陈建华, 阳鹏, 罗锐祥, 翁福君

特种铸造及有色合金. 2023, 43(6): 856-859. https://doi.org/10.15980/j.tzzz.2023.06.024

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利用石墨在高温下氧化的特性, 将颗粒状的石墨砂替代耐火砂粒应用到型壳的某一层或某两层, 可改变型壳的潜热、热导率、蓄热系数等指标, 使浇注的铸件温度场改变, 延长金属液的补缩时间和扩大补缩面积; 石墨砂氧化后在铸件的界面形成还原性气氛, 使铸件表面粗糙度降低, 麻点和脱碳层减少; 石墨的烧蚀和烧失过程可减少铸件的收缩阻力, 形成的空隙有助于解决清砂难的问题。在实际的硅溶胶型壳精密铸造生产中, 通过对前板、套筒、双流道泵体等典型铸件制壳时采用的石墨砂工艺, 均达到了预期的效果, 体现了石墨砂的应用优势。

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饰用银合金珠粒熔铸试验

窦艳, 袁军平, 马春宇, 邱思琦, 彭扬

特种铸造及有色合金. 2023, 43(6): 860-864. https://doi.org/10.15980/j.tzzz.2023.06.025

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采用纯银及其合金为试验材料, 以石墨板为基底在大气下将银材料熔铸成珠, 并借助差热分析仪、超景深显微镜、X射线能谱仪等手段对银珠品质进行评价。结果表明, 采用石墨基底在大气下熔铸时, 纯银可以获得良好的珠化效果, 而Ag-Cu合金表面的氧化产物会明显影响液滴的珠化。在同等熔铸工艺条件下, 随着Cu含量升高或者珠粒粒径增加, Ag-Cu合金液滴聚团圆珠化的难度加大。采用细线材下料时, 抗变色925银合金液滴比斯特林银聚团珠化更困难。采用硼砂包埋熔铸, 有利于形成圆整度较好、表面较干净的珠粒。

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2023年, 第43卷, 第6期　
刊出日期：2023-06-20

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