Sr含量對(duì)4004鋁合金鑄錠變質(zhì)效果的研究

王寧，李娜，陳揚(yáng)龍，陳玉柱

(中鋁河南洛陽(yáng)鋁加工有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000)

4004 高硅鋁合金鑄造后再進(jìn)行變形加工，與3003合金制成復(fù)合板材，主要做為汽車和重型機(jī)械的散熱器等材料。作為包覆層的4004鋁合金是Al-Si系合金，具有熔點(diǎn)低、良好的潤(rùn)濕性和流動(dòng)性，在一定的溫度介質(zhì)條件下，包覆合金熔化可起到釬焊作用。但由于合金中硅含量較高，組織中會(huì)出現(xiàn)大量粗大的片狀或針片狀共晶硅。由于Si相質(zhì)脆，嚴(yán)重地割裂了合金基體，并在硅相尖端和棱角部位容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，從而明顯降低了合金的塑性，使合金切削加工性能惡化。因此需要改善其組織，通常采用變質(zhì)處理的方法。

4004合金生產(chǎn)對(duì)初晶硅的變質(zhì)是關(guān)鍵，近幾年對(duì)稀土元素對(duì)Al-Si合金的變質(zhì)作用研究較多，對(duì)Sr變質(zhì)的研究鮮有報(bào)道，鑒于此，本文對(duì)這方面進(jìn)行了研究，得出了Sr變質(zhì)最佳的工藝參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 生產(chǎn)工藝流程

4004合金化學(xué)成分如表1，原材料使用Al-20%Si中間合金、電解鋁液、鎂錠、Al-10%Sr中間合金。

表1 4004鋁合金成分范圍(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

鑄造流程為：

(1)熔煉爐內(nèi)先加入Al-20%Si中間合金，再加入電解鋁液，然后進(jìn)行加熱、熔化；

(2)爐內(nèi)原料完全熔化，溫度升至730℃以上進(jìn)行第一次扒渣，然后用氬氣進(jìn)行一次精煉，時(shí)間10～15min，然后再次扒渣；

(3)再次升溫至730～750℃，加入鎂錠，待鎂錠熔化完后進(jìn)行人工攪拌10min， 取樣，調(diào)整成份；

(4)變質(zhì)處理，加入變質(zhì)劑中間合金Al-10%Sr后，通入氬氣精煉20min，靜置保溫處理，靜置溫度控制在725～730℃；

(5)加入細(xì)化劑Al-5Ti-0.2B 1.0～1.2kg/t，雙絲加入；

(6)在線處理DDF雙轉(zhuǎn)子除氣，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速280r/min，雙級(jí)30+40ppi過(guò)濾板；

(7)選取的復(fù)合板用4004鋁合金扁鑄錠的鑄造工藝參數(shù)為：鑄造溫度控制在730～745℃，鑄造速度控制在48～55 mm/min，冷卻水流量控制在40～48Nm3/h。

1.2 變質(zhì)實(shí)驗(yàn)方案

由于變質(zhì)劑加入量與變質(zhì)時(shí)間都對(duì)合金變質(zhì)效果影響較大。加入量太少，變質(zhì)時(shí)間不夠均會(huì)出現(xiàn)變質(zhì)不良或變質(zhì)不均勻的現(xiàn)象，影響變質(zhì)效果；而加入量過(guò)多或變質(zhì)時(shí)間過(guò)程長(zhǎng)又會(huì)出現(xiàn)過(guò)變質(zhì)與變質(zhì)失效的現(xiàn)象，這些都會(huì)影響合金的組織及力學(xué)性能。所以本實(shí)驗(yàn)將Sr的加入量分別定為0.01%、0.015%、0.02%，變質(zhì)保溫時(shí)間80min，Sr的加入量為0.15%，變質(zhì)保溫時(shí)間為60min、80min、100min進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)(表2)。

表2 試驗(yàn)方案

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 Sr的變質(zhì)原理

Sr吸附在共晶硅的固有臺(tái)階上，當(dāng)達(dá)到一定濃度時(shí)，臺(tái)階生長(zhǎng)被阻止,系統(tǒng)進(jìn)一步過(guò)冷，并產(chǎn)生大量孿晶共晶硅變?yōu)橐詫\晶凹槽機(jī)制生長(zhǎng)，細(xì)化了晶粒。

溶質(zhì)Sr原子體積大于溶劑Al原子體積，由于它對(duì)晶格的彎曲將會(huì)使勢(shì)能增加，但是系統(tǒng)總是傾向于集中到表面，造成溶質(zhì)元素在表面的富集，溶質(zhì)Sr原子的表面張力較低，可以使整個(gè)系統(tǒng)的表面張力降低而成為表面活性元素。Sr和Si原子的電負(fù)性差別較大，更易于吸附在Si相表面而成為表面活性元素，使晶胚難以成核長(zhǎng)大。因此，亞共晶Al-Si合金熔體中存在明顯胚的Si-Sr的作用關(guān)系，從不同角度提高了熔體結(jié)構(gòu)的均勻性。

2.2 Sr含量對(duì)4004合金組織的影響

未變質(zhì)和不同Sr含量變質(zhì)后4004鋁合金的顯微組織如圖1、2、3、6，可見(jiàn)合金未變質(zhì)時(shí)初晶硅α-Al相比較粗大，形狀無(wú)規(guī)則，共晶硅呈不連續(xù)的片狀或針狀，加入Sr變質(zhì)后合金組織中初晶硅形狀和尺寸明顯變化，這說(shuō)明Sr對(duì)4004鋁合金有變質(zhì)作用。當(dāng)Sr含量為0.01%、變質(zhì)保溫80min時(shí)，初晶α-Al相的數(shù)量明顯增多，部分由粗大無(wú)規(guī)則變?yōu)榧?xì)小的圓狀和短棒狀，但部分還存在棱角，片狀共晶硅和尺寸也發(fā)生明顯變化，已部分轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小片狀，某些局部區(qū)域還沒(méi)有達(dá)到充分變質(zhì)的效果，存在大尺寸片狀共晶硅，見(jiàn)圖1。當(dāng)Sr含量為0.015%、變質(zhì)保溫80min時(shí)，初晶α-Al相完全轉(zhuǎn)變圓狀或短棒狀且分布均勻，共晶硅數(shù)量明顯增多且由針片狀完全為纖維狀，處于完全變質(zhì)狀態(tài)，此時(shí)已經(jīng)達(dá)到良好的變質(zhì)效果，見(jiàn)圖2。當(dāng)Sr含量繼續(xù)增加至0.02%、變質(zhì)保溫80min時(shí)，部分初晶α-Al相和共晶硅的尺寸都開(kāi)始變大，出現(xiàn)過(guò)變質(zhì)現(xiàn)象，見(jiàn)圖3。這說(shuō)明合金變質(zhì)效果并不隨著Sr加入量的增加而持續(xù)改善，當(dāng)Sr的加入量超過(guò)一定值后，變質(zhì)效果反倒有所減弱，在本研究條件下，0.015%Sr的變質(zhì)效果最為理想。

圖1 Sr：0.01%，80min 圖2 Sr：0.015%，80min

圖3 Sr：0.02%，80min 圖4 Sr：0.015%，60min

圖5 Sr：0.015%，100min 圖6 未變質(zhì)

2.3 變質(zhì)保溫時(shí)間對(duì)4004合金組織的影響

當(dāng)Sr含量為0.015%、變質(zhì)保溫60min時(shí)，初晶α-Al相的數(shù)量明顯增多，部分由粗大無(wú)規(guī)則變?yōu)榧?xì)小的圓狀和短棒狀，但部分還存在棱角，片狀共晶硅和尺寸也發(fā)生明顯變化，已部分轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小片狀，某些局部區(qū)域還沒(méi)有達(dá)到充分變質(zhì)的效果，存在大尺寸片狀共晶硅，如圖4。當(dāng)Sr含量為0.015%、變質(zhì)保溫80min時(shí)，初晶α-Al相完全轉(zhuǎn)變圓狀或短棒狀且分布均勻，共晶硅數(shù)量明顯增多且由針片狀完全為纖維狀，處于完全變質(zhì)狀態(tài)，此時(shí)已經(jīng)達(dá)到良好的變質(zhì)效果，見(jiàn)圖2。當(dāng)Sr含量為0.015%、變質(zhì)保溫時(shí)間增至100min時(shí)，部分初晶α-Al相和共晶硅的尺寸都開(kāi)始變大，出現(xiàn)變質(zhì)失效現(xiàn)象，見(jiàn)圖5。這說(shuō)明合金變質(zhì)效果并不隨著變質(zhì)保溫時(shí)間的增長(zhǎng)而持續(xù)改善，當(dāng)變質(zhì)保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，變質(zhì)效果反倒有所減弱，在本研究條件下，80min的變質(zhì)保溫時(shí)間最為理想。

2.4 Sr含量對(duì)4004合金力學(xué)性能的影響

變質(zhì)溫度725～730℃、保溫時(shí)間為80min時(shí)，不同Sr含量的條件下，對(duì)4004鋁合金作室溫拉伸試驗(yàn)，測(cè)試并計(jì)算得到其抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，得出力學(xué)性能與Sr加入量的關(guān)系，如圖7所示?？梢钥闯觯琒r的加入量與拉伸強(qiáng)度的關(guān)系呈先高后低的趨勢(shì)，當(dāng)Sr的加入量增加時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率也逐漸增大，Sr含量為0.015%時(shí)，抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均達(dá)到最大值193MPa和4.2%；Sr含量繼續(xù)增加，抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率反而降低。這是由于當(dāng)Sr含量加入量不足時(shí)，變質(zhì)不充分的部分組織還較為粗大，晶粒的細(xì)化程度不高；當(dāng)Sr加入量達(dá)到0.015%時(shí)，晶粒得到足夠細(xì)化，力學(xué)性能達(dá)到最大值；當(dāng)加入量超過(guò)0.015%時(shí)，由于過(guò)度變質(zhì)使共晶硅的形狀又由纖維狀逐漸變?yōu)殚L(zhǎng)條狀，力學(xué)性能也隨之惡化。因此Sr的加入量為0.015%時(shí)，4004鋁合金的拉伸強(qiáng)度達(dá)到最高值，變質(zhì)效果好。

圖7 抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率與Sr加入量的關(guān)系

2.5 變質(zhì)保溫時(shí)間對(duì)4004合金力學(xué)性能的影響

Sr含量為0.015%、變質(zhì)溫度725～730℃時(shí)，不同變質(zhì)保溫時(shí)間的條件下，對(duì)4004鋁合金作室溫拉伸試驗(yàn)，測(cè)試并計(jì)算得到其抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，得出力學(xué)性能與變質(zhì)保溫時(shí)間的關(guān)系，如圖8所示。可以看出，變質(zhì)保溫時(shí)間的不同與拉伸強(qiáng)度的關(guān)系呈先高后低的趨勢(shì)，當(dāng)變質(zhì)保溫時(shí)間增長(zhǎng)，合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率也逐漸增大，變質(zhì)保溫時(shí)間為80min時(shí)，抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率達(dá)到最大值193MPa和4.2%；變質(zhì)保溫時(shí)間繼續(xù)增加，抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率反而降低。這是由于當(dāng)變質(zhì)保溫時(shí)間增長(zhǎng)，Sr的變質(zhì)效果減弱，變質(zhì)效果不充分，部分組織還較為粗大，晶粒的細(xì)化程度不高；保溫變質(zhì)時(shí)間為80min時(shí)，晶粒得到足夠細(xì)化，力學(xué)性能達(dá)到最大值；當(dāng)變質(zhì)保溫時(shí)間超過(guò)80min時(shí)，由于變質(zhì)效果減弱，共晶硅的形狀又由纖維狀逐漸變?yōu)殚L(zhǎng)條狀，力學(xué)性能也隨之惡化。因此變質(zhì)時(shí)間80min時(shí)，4004鋁合金的拉伸強(qiáng)度達(dá)到最高值，變質(zhì)效果好。

3 結(jié)論

(1)隨著Sr加入量的增加，變質(zhì)保溫時(shí)間的增長(zhǎng)，4004鋁合金的組織逐漸細(xì)化，當(dāng)Sr含量為0.015%、變質(zhì)保溫80min時(shí)，初晶硅α-Al相完全轉(zhuǎn)變圓狀或短棒狀且分布均勻，針片狀共晶硅完全為纖維狀；但當(dāng)Sr的加入量超過(guò)0.015%或者變質(zhì)保溫時(shí)間超過(guò)80min時(shí)，部分初晶α-Al相和共晶硅開(kāi)始變得粗大；

圖8 抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率與變質(zhì)保溫時(shí)間的關(guān)系

(2)4004鋁合金熔體在725～730℃變質(zhì)時(shí)，變質(zhì)保溫條件不變，隨著Sr加入量的增加或Sr加入量不變隨著變質(zhì)保溫時(shí)間的增加，合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率增加，當(dāng)Sr含量為0.015%、變質(zhì)保溫時(shí)間為80min時(shí)，合金抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率達(dá)到最大值193MPa和4.2%，實(shí)現(xiàn)最佳變質(zhì)效果；當(dāng)Sr的加入量超過(guò)0.015%或變質(zhì)保溫時(shí)間超過(guò)80min時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率隨之下降。

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