改良鋁硅鎂系鑄造鋁合金B(yǎng)a 鹽變質(zhì)處理的研究*

王文超 陳 琳 蘇廣才

(①武漢市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所，湖北 武漢 430019;②長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，湖北 武漢 430212;③廣西大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

鑄造鋁合金為傳統(tǒng)的金屬材料，由于其密度小、比強(qiáng)度高等特點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于航空、航天、汽車(chē)、機(jī)械等各行業(yè)［1］。鑄造Al-Si 合金流動(dòng)性好，鑄件致密、不易產(chǎn)生鑄造裂紋，具有良好的鑄造性能、抗腐蝕性能和切削加工性能，是制造業(yè)中備受重視的結(jié)構(gòu)材料之一，其用量占鋁鑄件總產(chǎn)量的85%～90%［2］。但是，鑄造Al-Si 合金耐熱性低，工作溫度一般低于185 ℃［3］，因此限制了其更為廣泛的應(yīng)用。本文在傳統(tǒng)AlSiMg 系鑄造鋁合金的基礎(chǔ)上，通過(guò)正交設(shè)計(jì)法添加多種元素制備了一種改良合金，使其高溫力學(xué)性能得到了改觀。對(duì)這樣一種組織和性能都發(fā)生了變化的改良合金，Ba鹽變質(zhì)處理對(duì)其是否起作用，本文作了有益的探討。

1 改良鑄造AlSiMg 合金的成分及性能

通過(guò)正交設(shè)計(jì)法得到的改良鑄造AlSiMg 合金的成分見(jiàn)表1。

表1 改良鑄造AlSi 合金的化學(xué)成分

改良鑄造AlSiMg 合金的力學(xué)性能、鑄造性能與ZL101 的對(duì)比情況，見(jiàn)表2、表3。

表2 改良鑄造AlSiMg 合金的力學(xué)性能(未變質(zhì))

表3 改良鑄造AlSiMg 合金的鑄造性能(未變質(zhì))

由表2、表3 可知，改良鑄造AlSiMg 合金不但具有良好的常溫力學(xué)性能和高溫力學(xué)性能，而且還保持其優(yōu)良的鑄造性能，是一種具有開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景的新型鑄鋁合金。

2 Ba 鹽變質(zhì)工藝

2.1 變質(zhì)劑與覆蓋劑

改良合金B(yǎng)a 鹽變質(zhì)的變質(zhì)劑、覆蓋劑成份見(jiàn)表4。

表4 變質(zhì)劑、覆蓋劑組成

2.2 變質(zhì)處理方法

待金屬爐料完全熔化后，調(diào)整爐溫到730～750 ℃左右，待液態(tài)金屬爐料溫度達(dá)到730～750 ℃左右時(shí)，用占爐料總重3.5%的C2Cl6進(jìn)行除氣精煉，精煉完畢后，靜置1～2 min，然后扒去液面上的浮渣，將Ba 鹽變質(zhì)劑均勻撒到液面上，變質(zhì)處理保溫時(shí)間的選取以1 h為一次間隔，且間隔期間為了加速Ba 的溶解，用不銹鋼棒在鋁液中輕輕攪拌2～3 次，在每次澆注之前都要精煉除氣，精煉完畢，扒渣澆注試樣。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 Ba 鹽加入量對(duì)變質(zhì)效果的影響

圖1 是Ba 鹽變質(zhì)劑加入量分別為0.6%、1.0%、1.4%和1.8%的金屬型鑄態(tài)金相組織，表5為不同Ba 鹽變質(zhì)劑加入量對(duì)應(yīng)的改良合金力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表5 不同Ba 鹽加入量對(duì)應(yīng)的改良合金力學(xué)性能

從圖1a 中可以看出，改良合金的組織主要由白色初生α(Al)固溶體和呈黑色網(wǎng)狀分布的共晶體組成。當(dāng)Ba 鹽的的加入量為0.6%時(shí)，組織中粗大的針狀共晶硅開(kāi)始聚集，α(Al)固溶體開(kāi)始趨向圓整，片狀共晶硅數(shù)量比變質(zhì)前開(kāi)始減少。當(dāng)Ba 鹽加入量為1.0%時(shí)，組織中的片狀和針狀共晶Si 明顯減少，共晶Si 多為點(diǎn)狀或者是短棒狀，α(Al)固溶體與共晶體分離完好。當(dāng)Ba 鹽量增至1.4%和1.8%時(shí)，組織中點(diǎn)狀和短棒狀共晶體開(kāi)始粗化，且有長(zhǎng)大的趨勢(shì)。金相分析表明，Ba 鹽的最佳加入量為1.0%。表5 的力學(xué)性能數(shù)據(jù)也印證了這一點(diǎn)。

究其原因筆者認(rèn)為，一是細(xì)晶強(qiáng)化。隨著合金中Ba 元素添加量的增大，晶粒尺寸先出現(xiàn)變小的趨勢(shì)，但當(dāng)Ba 加入量達(dá)到一定程度后，晶粒尺寸又開(kāi)始變大，并有發(fā)達(dá)的樹(shù)枝晶出現(xiàn)。根據(jù)霍爾-佩奇公式［4］，晶粒尺寸與其屈服強(qiáng)度有函數(shù)關(guān)系σs=σ0+k·d-1/2，式中，σs為屈服強(qiáng)度;σ0為常數(shù);k 為常數(shù);d 為晶粒直徑。所以改良合金的屈服強(qiáng)度隨晶粒尺寸的減小而增加。二是固溶強(qiáng)化。EDS 分析表明在共晶體晶界處易析出新相，該相多為BaAl4相。一方面，適量的BaAl4相可以作為硬質(zhì)點(diǎn)，且Ba 原子半徑較大，可造成基體金屬的晶格畸變，從而使得改良合金的力學(xué)性能顯著提高;另一方面，BaAl4相和共晶Si 的晶體結(jié)構(gòu)不同，引起晶界處的聚合力降低，在發(fā)生塑性變形時(shí)容易沿晶界發(fā)生斷裂，所以過(guò)多的BaAl4相又會(huì)引起合金力學(xué)性能的下降。因此只有Ba 鹽的加入量在1.0%時(shí)，改良的合金的力學(xué)性能才達(dá)到最佳狀態(tài)。圖2 改良合金斷口掃描照片也印證了這一結(jié)論。

圖2 為改良合金斷口形貌組織SEM 照片，Ba 鹽的加入量為0.6%和1.8%時(shí)，斷口表面有很多較為平坦的準(zhǔn)解理面，這些準(zhǔn)解理面在斷口表面大量分布，在不同高度的解理面之間有解理臺(tái)階存在，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)韌窩組織，是典型的脆性斷裂;當(dāng)Ba 鹽的加入量為1.0%時(shí)，斷口表面韌帶較多，組織致密、均勻。且撕裂棱上有細(xì)小韌窩，斷口表面有較大的起伏，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)沿晶斷裂狀態(tài)，斷裂形式已由脆性斷裂轉(zhuǎn)化為以脆性斷裂為主的混合型斷裂，因此材料的韌性有所提高。

3.2 變質(zhì)溫度對(duì)變質(zhì)效果的影響

變質(zhì)溫度的控制對(duì)合金質(zhì)量具有重大影響［5］。改良鋁硅鎂合金的含硅量在7.5%左右，其液相線溫度約為610 ℃，高于共晶溫度577 ℃。已有研究表明［6］變質(zhì)處理溫度對(duì)共晶硅尺寸的影響:在變質(zhì)處理溫度高于合金液相線100 ℃左右時(shí)就會(huì)有明顯的變質(zhì)細(xì)化效果，繼續(xù)升溫沒(méi)有必要，相反只會(huì)增加合金吸氣和產(chǎn)生氧化夾雜。據(jù)此，變質(zhì)溫度初定為700～850 ℃。

圖3 為Ba 鹽加入量為1.0%的不同變質(zhì)溫度所對(duì)應(yīng)的金相組織。

可以看出，變質(zhì)溫度為700℃時(shí)，組織的特征為α(Al)固溶體不圓整，部分共晶硅仍較為粗大，為典型的變質(zhì)不足現(xiàn)象(見(jiàn)圖3a)。變質(zhì)溫度為750℃時(shí)，共晶體與α(Al)固溶體枝晶均勻分布，共晶Si 相不僅細(xì)小且呈點(diǎn)狀或蠕蟲(chóng)狀分布，與α(Al)固溶體分離也較為完好，一次枝晶間距較小(見(jiàn)圖3b)。圖3c 和d 中，共晶硅尺寸較大，晶粒開(kāi)始粗大，變質(zhì)效果開(kāi)始下降。當(dāng)變質(zhì)溫度升高至850 ℃時(shí)，樹(shù)枝狀α(Al)固溶體的基本形貌開(kāi)始逐漸消失。實(shí)驗(yàn)表明，Ba 鹽變質(zhì)最佳的變質(zhì)溫度為750 ℃左右。

3.3 Ba 鹽變質(zhì)的長(zhǎng)效性檢驗(yàn)

圖4 為Ba 鹽加入量1.0%變質(zhì)后不同保溫時(shí)間的金相組織。由圖4 可知，變質(zhì)時(shí)間在0.5 h，合金的顯微組織與未變質(zhì)時(shí)幾乎完全相同，共晶硅多為長(zhǎng)條狀和層片狀，說(shuō)明改良合金沒(méi)有變質(zhì)。保溫時(shí)間在1.5 h 時(shí)，α(Al)固溶體與共晶體分離，共晶硅明顯細(xì)化，為點(diǎn)狀或短棒狀，且樹(shù)枝狀α(Al)固溶體的圓整度非常高，變質(zhì)效果明顯。保溫時(shí)間為2.5 h 時(shí)，變質(zhì)效果依然良好。保溫時(shí)間為3.5 h 時(shí)，合金雖然還保持變質(zhì)的形貌，但共晶硅已出現(xiàn)粗化的趨勢(shì)。

實(shí)驗(yàn)表明，Ba 鹽變質(zhì)具有長(zhǎng)效性，有效變質(zhì)時(shí)間能達(dá)到3.5h 左右。但Ba 鹽變質(zhì)存在0.5 h 左右的潛伏期，也稱(chēng)為孕育期［7］，這是由Ba 鹽的自身特性決定的。

3.4 Ba 鹽變質(zhì)的重熔性檢驗(yàn)

經(jīng)過(guò)變質(zhì)的鋁合金經(jīng)反復(fù)熔化和凝固后仍具有良好的變質(zhì)效果稱(chēng)為重熔性。顯然，合金重熔性好，生產(chǎn)成本就低，有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

圖5 為改良合金在Ba 鹽加入量為1.0%變質(zhì)后不同重熔次數(shù)的微觀組織。由圖5 可以看出，改良合金經(jīng)4 次重熔后，仍具有良好的變質(zhì)效果，樹(shù)枝狀α(Al)固溶體明顯，圓整度較高，共晶硅多為細(xì)粒狀或纖維狀。實(shí)驗(yàn)表明，Ba 鹽變質(zhì)具有良好的重熔穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)Ba 鹽變質(zhì)處理對(duì)改良合金是有效的，Ba 鹽的最佳加入量為1.0%。

(2)對(duì)于改良合金，Ba 鹽變質(zhì)最佳的變質(zhì)溫度為750 ℃左右。

(3)Ba 鹽變質(zhì)具有長(zhǎng)效性，但存在0.5 h 左右的潛伏期。本實(shí)驗(yàn)條件下，保溫3.5 h 時(shí)后，改良合金仍然保持良好的變質(zhì)效果。

(4)Ba 鹽變質(zhì)具有良好的重熔穩(wěn)定性，本實(shí)驗(yàn)條件下，改良合金經(jīng)4 次重熔后，仍具有良好的變質(zhì)效果。

［1］熊艷才，劉伯操.鑄造鋁合金現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展［J］.特種鑄造及有色合金，1998(4):1 -4.

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［3］李傳杰，劉勇，喬興華.厚壁大型G-AlSi10Mg 鑄件鑄造工藝研究［J］.特種鑄造及其有色合金，2006，26(2):118 -120.

［4］李慧，張靜武，緱慧陽(yáng)，等.復(fù)合變質(zhì)對(duì)ZL101 合金力學(xué)性能的影響［J］.特種鑄造及有色合金，2007，27(10):810 -812

［5］陸文華，李隆盛，黃良余.鑄造合金及其熔煉［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［6］王正軍.Al10Ce 中間合金制備及其變質(zhì)效果研究［D］.蘭州:蘭州理工大學(xué)，2005.

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