不同變質(zhì)劑對鋁合金組織及性能的影響

李兆健

（合肥工業(yè)大學，安徽合肥 230009）

鋁合金以其良好的力學性能(較高的比強度、比剛度）和優(yōu)良的鑄造性能 ,在工業(yè)中被廣泛應用 ,是汽車、造船、航空、航天及其他制造行業(yè)的重要結構材料。如在汽車工業(yè)中運用鋁合金取代鐵合金能起到減輕自重 ,提高功率質(zhì)量比 ,達到節(jié)能、高速、高效的目的[1-4]。但是鑄造中經(jīng)常出現(xiàn)粗大的初晶硅相，嚴重妨礙了鋁硅合金的力學性能。因此，除了在澆鑄過程中控制澆鑄的條件、加精煉劑除渣、除氣外，還可以添加變質(zhì)劑對鋁硅合金進行細化處理，來達到細化晶粒的目的，從而進一步提高其力學性能[5]。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

本實驗的材料主要有工業(yè)純鋁（99.7%），ZL102（含硅量12%），鋁銅合金（含銅量40%），純鋅，鋁錳合金（含錳量10%）。由于鋁合金在熔煉過程中有產(chǎn)生氣孔的強烈傾向，進而導致縮孔、縮松的缺陷，而且容易產(chǎn)生氫化夾雜。為了去除氣體和防止氫化夾雜，需加入精煉劑對合金進行精煉，本實驗采用六氯乙烷做為精煉劑,表1為未加變質(zhì)劑前合金的成分。

本實驗通過加入三種不同的變質(zhì)劑來比較不同的變質(zhì)劑對鋁合金的細化效果。三種不同的變質(zhì)劑為 RE（鑭鈰混合稀土），Al-Ti-B，Al-Sc合金（含w(Sc)量2%）。實驗選用的稀土和鋁鈦硼變質(zhì)劑均來自于徐州華中鋁業(yè)有限公司。

表1 合金未變質(zhì)前的成分

1.2 試驗方法

將預先配好的金屬材料，在坩堝電阻爐中進行熔煉，按照熔點由低到高依次加入金屬及合金，升溫至750℃待所有金屬熔化后充分攪拌，加入六氯乙烷精煉除氣，靜置1～2 min扒渣，保溫5 min，加入Mg并保溫10 min，然后分別加入三種不同的變質(zhì)劑，靜置、扒渣，在700℃保溫10 min，然后澆注到尺寸?20 mm×80 mm的鋼模中冷卻至室溫。

在各個試樣同一位置截取10 mm×10 mm×20 mm的試樣，在砂輪機上粗磨后，利用金相砂紙從60號磨到800號，再進行機械拋光、腐蝕、吹干。腐蝕液為0.5%的HF水溶液。在光學顯微鏡下觀察顯微組織，并拍取金相照片。

將上述試樣的兩個斷面打磨平行，對試樣的維氏硬度進行測試。每個試樣測試三個點，所用載荷為3.5 kg，壓頭直徑為5 mm，保壓時間為15 s。卸除載荷利用顯微鏡測得的壓痕直徑，計算出試樣的硬度值，并求其平均值。

2 實驗結果及分析

2.1 變質(zhì)劑對合金力學性能的影響

合金未變質(zhì)前及經(jīng)過三種變質(zhì)劑的變質(zhì)處理后的維氏硬度（HV）如圖1示。

圖1 變質(zhì)處理對合金力學性能的影響

由圖1可以看出，分別經(jīng)過變質(zhì)處理的合金硬度均比未經(jīng)變質(zhì)處理的合金硬度要高，其中，經(jīng)鋁鈦硼變質(zhì)的合金硬度最大，但是三種變質(zhì)處理的合金硬度差別不是很大。

2.2 變質(zhì)劑對合金組織的影響

（1）未經(jīng)變質(zhì)處理的合金微觀組織

圖2為未經(jīng)變質(zhì)處理的合金的金相組織，由圖可以看出，鋁硅合金是以共晶組織為基體，而初晶硅則分布在較軟共晶組織之上。共晶組織由共晶Al和共晶Si組成，其中的共晶Si呈細長的針狀，且在一定的區(qū)域內(nèi)，針片狀的共晶硅是互相平行的，它分布在共晶組織之中。如圖，未經(jīng)變質(zhì)處理的合金的晶粒比較粗大，初晶硅呈現(xiàn)不規(guī)則的多邊形，且邊緣比較鋒利。因而，合金的力學性能與變質(zhì)處理過的合金有很大的差別。

圖2 未變質(zhì)的合金的微觀組織

（2）經(jīng)RE變質(zhì)處理的合金微觀組織

圖3為經(jīng)過稀土變質(zhì)處理的合金金相組織，與未經(jīng)過變質(zhì)處理的合金相比，合金的組織明顯得到了細化，這主要是由于稀土元素原子半徑較大，在溶質(zhì)擴散過程中擴散速度慢，隨著晶粒的長大，在晶粒生長表面富集了稀土元素層，阻礙減慢了初生α-Al相和Si相的生長，從而細化了晶粒，提高了合金的力學性能。

（3）經(jīng)Al-Ti-B變質(zhì)處理的合金微觀組織

圖3 經(jīng)0.4%稀土變質(zhì)的合金的微觀組織

圖4為經(jīng)過Al-Ti-B變質(zhì)處理的合金金相組織，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，合金的組織進一步得到了細化，且與稀土變質(zhì)的合金組織相比，晶粒多是以等軸晶的形式存在。這主要是由于TiAl3、AlB2和TiB2彌散在鋁熔體中，通過這些金屬化合物影響α-Al形核及生長，從而實現(xiàn)細化晶粒。

圖4 經(jīng)0.7%的Al-Ti-B變質(zhì)的合金的微觀組織

（4）經(jīng)Al-Sc變質(zhì)處理的合金的微觀組織

圖5為經(jīng)過鋁鈧變質(zhì)處理的合金金相組織，與未變質(zhì)的合金相比，組織得到了進一步的細化，且與Al-Ti-B變質(zhì)過的合金相比，組織不再是按照一定的方向進行排列的等軸晶，而是呈纖維狀無方向性的排列，因而組織性能得到了極大的提高。

圖5 經(jīng)過0.2%Sc變質(zhì)的合金的微觀組織

3 結論

（1）RE、Al-Ti-B和Al-Sc都是以改變硅相的形態(tài)來達到變質(zhì)處理的目的的。

（2）不同的變質(zhì)劑變質(zhì)的效果不同，在考慮到鑄態(tài)組織的硬度和合金的金相組織細小程度的基礎上，認為鋁鈧合金的變質(zhì)效果最佳，Al-Ti-B次之，RE的變質(zhì)效果最差。

[1]馮菁菁.擠壓處理及熱處理對LM28組織和性能的影響[J].熱加工工藝,2011，40(6)：167-169.

[2]黃韋.鑭鈰混合稀土對ZL401組織和性能的影響[J].金屬加工，2013(01).

[3]劉云,任子清,姚衡.微量鈧對ZAlSi7Cu2Mg合金鑄態(tài)組織與性能的影響[J].熱加工工藝，2012,41(19).

[4]李志揚,倪紅軍,汪興興，等.鋁鈦硼稀土細化劑的組織特點[J].鑄造技術,2012(1).

[5]易榮喜，謝世坤，潘曉亮，等.稀土對AlSi7合金半固態(tài)性能的影響[J].熱加工工藝，2009,38(3).