Al-3Ti-0．2C-5Sr 鋁合金細化劑制備工藝及凝固過程

趙紅亮，趙開新，孫啟宴

(1．鄭州大學 材料科學與工程學院，河南 鄭州450001;2．河南機電高等?？茖W校 汽車工程系，河南 新鄉(xiāng)453002)

0 引言

鋁硅系合金以其優(yōu)異的鑄造性能被廣泛應用于航空航天、汽車制造等領域［1-2］，但未經(jīng)細化和變質(zhì)的鋁硅合金組織中α-Al 晶粒粗大，共晶硅呈針片狀，對其性能影響嚴重［3-4］． 目前，提高鋁硅合金性能最直接有效的方式是向熔體中添加晶粒細化劑和共晶硅變質(zhì)劑［5］． 鄭州大學自主開發(fā)的Al-Ti-C-Sr 細化劑具有細化和變質(zhì)雙重效果，可有效提高鋁硅合金的性能［6-8］． 高雅等［9］通過正交實驗優(yōu)化出了Al-Ti-C-Sr 細化劑的最優(yōu)成分為Al-3Ti-0．2C-5Sr，但其制備出的細化劑中各相形貌不能有效控制．

筆者研究Al-3Ti-0．2C-5Sr 細化劑制備過程中澆鑄溫度、冷卻速度和保溫時間對顯微組織的影響，并對其凝固過程進行分析，為有效控制細化劑中各相的形貌、尺寸提供理論依據(jù)．

1 實驗材料與方法

制備Al-3Ti-0．2C-5Sr 細化劑的實驗原料為:工業(yè)純鋁、工業(yè)氟鈦酸鉀、石墨粉、工業(yè)純鍶．工業(yè)純鋁的各元素百分含量如表1 所示(質(zhì)量分數(shù)，下同)，工業(yè)氟鈦酸鉀的純度大于99%，石墨粉的平均粒度約為74 μm，工業(yè)純鍶的純度大于99．9%．

表1 工業(yè)純鋁的化學成分的質(zhì)量分數(shù)Tab．1 Composition of commercial－purity aluminum of mass fraction %

將工業(yè)純鋁放入坩堝電阻爐中，720 ℃保溫至純鋁完全熔化，升溫至950 ℃，加入預熱好的氟鈦酸鉀和石墨粉并保溫60 min，期間每隔15 min攪拌一次，降溫到850 ℃加入純鍶，保溫一段時間后澆鑄，澆鑄溫度分別為850，800，750 ℃．冷卻方式分為3 種:第1 種將熔體液淬到冰鹽水中，冷卻速度約為500 ℃/s;第2 種將熔體澆鑄到直徑8 mm 的鑄鐵模具中，冷卻速度約為100 ℃/s;第3種將熔體澆鑄到直徑60 mm 的鑄鐵模具中，冷卻速度約為20 ℃/s． 以純鍶加入后為起始時間，分別保溫15，30，45 min，將制備出的Al-3Ti-0．2C-5Sr 進行DSC 分析及液淬實驗． DSC 實驗參數(shù)如下:溫度為950 ～600 ℃;降溫速度為20 ℃/min;液淬溫度分別為780，750，720 ℃． 試樣經(jīng)人工研磨、拋光后用0．5%HF 腐蝕10 s，在OLYMPUS 金相顯微鏡上觀察合金組織．

2 結果與討論

2．1 制備工藝對Al-3Ti-0． 2C-5Sr 顯微組織的影響

本課題組前期研究表明［9］:Al-3Ti-0．2C-5Sr的顯微組織中包含TiAl3相、Al-Ti-Sr 相、TiC 顆粒及少量Al4Sr 相，TiAl3相全部被包覆在Al-Ti-Sr相內(nèi)部，Al-Ti-Sr 相呈包覆狀或塊狀．圖1 為不同澆鑄溫度下Al-3Ti-0．2C-5Sr 的顯微組織． 由圖1可知，當澆鑄溫度為850 ℃時(圖1(a)所示)，TiAl3呈細的長條狀，尺寸約為20 μm ×100 μm，Al-Ti-Sr 相全部包覆在TiAl3相周圍，無塊狀Al-Ti-Sr 相;當澆鑄溫度為800 ℃時(圖1(b)所示)，TiAl3相為較大的板條狀，尺寸約為30 μm ×70 μm，絕大多數(shù)Al-Ti-Sr 相包覆在TiAl3相外圍，存在少部分塊狀Al-Ti-Sr 相;當澆鑄溫度降低到750℃時(圖1(c)所示)，TiAl3相全部轉(zhuǎn)變?yōu)榇髩K狀，尺寸約為45 μm ×45 μm，Al-Ti-Sr 相以包覆狀和塊狀共同存在，且塊狀Al-Ti-Sr 相小于包覆狀Al-Ti-Sr 相． 由此可見，隨澆鑄溫度降低，TiAl3相先由大的長條狀轉(zhuǎn)變?yōu)檩^短的板條狀，最后轉(zhuǎn)變?yōu)閴K狀，Al-Ti-Sr 相由全部為包覆狀轉(zhuǎn)變?yōu)榘矤詈蛪K狀共同存在．

2．1．1 冷卻速度的影響

圖2 為不同冷卻方式下的Al-3Ti-0． 2C-5Sr顯微組織形貌．由圖2 可知，當冷卻速度約為500℃/s 時(圖2(a)所示)，Al-3Ti-0．2C-5Sr 顯微組織中中TiAl3相呈長條狀或針片狀，長度約為50 μm，且TiAl3相周圍基本沒有包覆狀Al-Ti-Sr 相存在，僅存在少量塊狀Al-Ti-Sr 相;當冷卻速度降低到100 ℃/s(圖2(b)所示)，TiAl3相呈板條狀且周圍出現(xiàn)少量包覆狀Al-Ti-Sr 相;當冷卻速度進一步降低到20 ℃/s 時(圖2(c)所示)，包覆狀Al-Ti-Sr 相不斷增厚． 可見，當冷卻速度降低時，Al-Ti-Sr 相由塊狀轉(zhuǎn)變?yōu)閴K狀和包覆狀共同存在，且包覆層不斷增厚．這是由于，冷卻速度越大時，熔體的過冷度越大，Al-Ti-Sr 相直接從熔體中析出呈塊狀;冷卻速度降低后，過冷度減小，塊狀Al-Ti-Sr 相也隨之減少，且TiAl3相有充分時間與熔體反應生成包覆狀Al-Ti-Sr 相，因此包覆狀Al-Ti-Sr 相不斷增厚．

圖1 不同澆鑄溫度下Al-3Ti-0．2C-5Sr 顯微組織Fig．1 Microstructure of Al-3Ti-0．2C-5Sr refiner in different casting temperatures

圖2 不同冷卻方式下的Al-3Ti-0．2C-5Sr 顯微組織Fig．2 Microstructure of Al-3Ti-0．2C-5Sr refiner in different cooling rate

2．1．2 熔體保溫時間的影響

圖3 為不同保溫時間下Al-3Ti-0．2C-5Sr 的顯微組織．由圖3 可知，當保溫時間為15 min 時(圖3(a))，Al-Ti-Sr 相絕大多數(shù)包覆在TiAl3相周圍，尺寸約為20 μm×100 μm，塊狀Al-Ti-Sr 相較少;當保溫時間延長到15 min 時(圖3(b))，包覆狀Al-Ti-Sr 相增厚，部分TiAl3相消失;當保溫時間進一步增加到45 min 后(圖3(c))，TiAl3相完全消失，Al-Ti-Sr 相均呈大的塊狀，尺寸約為70 μm×70 μm，這是由于保溫時間的延長增加了各相反應時間和長大時間． 前期研究表明，包覆狀Al-Ti-Sr 相是由TiAl3相發(fā)生包晶反應形成的［9］，因此，保溫時間越長，包晶反應進行越完全，導致TiAl3相逐漸消失，小塊狀Al-Ti-Sr 相長成大塊狀．

圖3 不同保溫時間下的Al-3Ti-0．2C-5Sr 的顯微組織Fig．3 Microstructure of Al-3Ti-0．2C-5Sr under different holding time

2．2 Al-3Ti-0．2C-5Sr 的凝固過程

圖4 為鑄態(tài)Al-3Ti-0．2C-5Sr 細化劑的差示掃描量熱(DSC)分析曲線．圖5 為不同溫度點的Al-3Ti-0．2C-5Sr 細化劑的液淬組織．由圖4 可知，在900 ～600 ℃凝固范圍內(nèi)，Al-3Ti-0．2C-5Sr 細化劑的DSC 曲線出現(xiàn)3 個明顯的放熱峰:A，B，C，而A1，B1，C1分別對應著各相析出的開始溫度，D 點為凝固結束溫度．結合Al-Ti、Al-Sr 二元相圖及相關文獻［10 -12］分析可知，A 點對應著TiAl3相吸熱峰，開始析出溫度約為800 ℃;B 點對應著Al4Sr 相吸熱峰，開始析出溫度約為740 ℃;C 點對應著α-Al 吸熱峰;D 點為凝固結束溫度，約為640 ℃．

圖4 Al-3Ti-0．2C-5Sr 細化變質(zhì)劑的DSC 凝固曲線Fig．4 DSC curve of the solidification for Al-3Ti-0．2C-5Sr

由圖5 可知，780 ℃下的液淬組織中存在細長條狀TiAl3相和塊狀Al-Ti-Sr 相，且部分塊狀Al-Ti-Sr 相內(nèi)部存在小部分TiAl3相(如圖5(d))，說明小塊狀Al-Ti-Sr 相也是由TiAl3相與Sr 元素發(fā)生包晶反應形成．750 ℃和720 ℃的液淬組織均存在塊狀和包覆狀Al-Ti-Sr 相，且尺寸相差不大，在720 ℃液淬組織中出現(xiàn)針狀Al4Sr相．因此，Al-3Ti-0．2C-5Sr 細化變質(zhì)劑的液固區(qū)間為800 ～640 ℃，各相析出順序為:TiAl3相、Al-Ti-Sr 相、Al4Sr 相、α-Al 相．

圖5 Al-3Ti-0．2C-5Sr 細化變質(zhì)劑的液淬組織Fig．5 Liquid quenching microstructure of Al-3Ti-0．2C-5Sr

分析DSC 曲線及液淬組織可知，當熔體溫度約為800 ℃時，TiAl3相直接從熔體中析出，TiAl3相在析出過程中迅速與液相發(fā)生包晶反應，形成小塊狀Al-Ti-Sr 相． 但是，由于熔體中Sr 元素分布不均勻，部分TiAl3相周圍Sr 元素濃度較低，包晶反應不能完全進行，形成包覆狀Al-Ti-Sr;并且，隨著凝固過程的進行，原子不斷擴散，使得包覆狀Al-Ti-Sr 相不斷長大，隨著液淬溫度的進一步降低，熔體中開始析出Al4Sr 相．

3 結論

(1)隨著澆鑄溫度的降低，Al-3Ti-0． 2C-5Sr合金中TiAl3相先由大的長條狀轉(zhuǎn)變?yōu)檩^短的板條狀，最后轉(zhuǎn)變?yōu)閴K狀，Al-Ti-Sr 相由全部為包覆狀轉(zhuǎn)變?yōu)榘矤詈蛪K狀共同存在．

(2)隨著冷卻速度的降低，TiAl3相尺寸減小，包覆狀Al-Ti-Sr 相增厚．

(3)隨著保溫時間的延長，TiAl3相逐漸消失，小塊狀和包覆狀Al-Ti-Sr 相轉(zhuǎn)變?yōu)榇髩K狀Al-Ti-Sr 相．

(4)Al-3Ti-0．2C-5Sr 細化變質(zhì)劑的液固區(qū)間為800 ～640 ℃，各相析出順序為:TiAl3相、Al-Ti-Sr 相、Al4Sr 相和α-Al 相．塊狀Al-Ti-Sr 相和包覆狀Al-Ti-Sr 相均由TiAl3相通過包晶反應形成．

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