鋁合金半固態(tài)漿料變質(zhì)處理工藝研究

潘強(qiáng)，劉永玲，王波，潘會(huì)平，楊華

（1.蘭州市蘭石能源裝備工程研究院，甘肅蘭州730050；2.深圳比亞迪汽車工程研究院，廣東深圳518118）

鋁合金半固態(tài)漿料變質(zhì)處理工藝研究

潘強(qiáng)1，劉永玲2，王波1，潘會(huì)平1，楊華1

（1.蘭州市蘭石能源裝備工程研究院，甘肅蘭州730050；2.深圳比亞迪汽車工程研究院，廣東深圳518118）

在變質(zhì)劑選定的情況下,只改變變質(zhì)劑的質(zhì)量百分比這一個(gè)參數(shù)，研究同種類變質(zhì)劑不同添加量對(duì)鋁硅合金組織及力學(xué)性能的影響。采用原料為A356鋁硅中間合金，在加除渣劑與精煉劑后，用鈦硼作為變質(zhì)劑在不同百分比情況下重熔，把所得金屬液澆注成拉伸試樣，熱處理后觀察金相組織并測試其抗拉強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)鈦硼含量為0.175%時(shí)變質(zhì)效果最佳。

變質(zhì)劑；鋁合金；變質(zhì)處理；微觀組織；力學(xué)性能

鋁合金是綠色環(huán)保材料，可循環(huán)回收，回收率可達(dá)85%以上。同電解法生產(chǎn)鋁及鋁合金相比較，回收再生1t鋁合金能夠減少能耗95%，降低碳排放90%以上。如何提高再生鋁合金的品質(zhì)和性能成為企業(yè)界和學(xué)術(shù)界共同關(guān)注的問題[1]。半固態(tài)加工是利用金屬從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變或從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變（即液固共存）過程中所具有的特性進(jìn)行成形的方法，這一新的成形加工方法綜合了凝固加工和塑性加工的長處，即加工溫度比液態(tài)低，變形抗力比固態(tài)小，可一次大變形加工成形狀復(fù)雜且精度和性能質(zhì)量要求較高的零件[2-4]。本文在變質(zhì)劑選定的情況下，只改變變質(zhì)劑的質(zhì)量百分比這一個(gè)參數(shù)，研究同種類變質(zhì)劑不同添加量對(duì)鋁硅合金微觀組織及力學(xué)性能的影響[5]。

1 試驗(yàn)

1.1 原料

A356鋁錠，鈦-硼變質(zhì)劑，除渣劑，精煉劑，氧化鋅粉末。其中，A356鋁合金的成分組成見表1。

1.2 主要設(shè)備

井式電阻爐，丹陽市華信工業(yè)電爐有限公司；F-P400型球磨機(jī)，湖南弗卡斯試驗(yàn)儀器有限公司；Q-2型金相試樣切割機(jī)，萊州蔚儀有限公司；CSS-44200型電子萬能試驗(yàn)機(jī)，溫嶺市長風(fēng)機(jī)床附件廠；MP-2型拋光機(jī)，紹興精博檢測儀器廠；XQ-2B型金相鑲嵌機(jī)，萊州蔚儀有限公司；XJZ100型金相顯微鏡，萊州蔚儀有限公司；XL30ESEM-TMP型環(huán)境掃描電鏡，荷蘭飛利浦公司。

1.3 試驗(yàn)前的準(zhǔn)備

（1）試驗(yàn)前首先將大鋁錠切割成小塊，準(zhǔn)備好足夠的試驗(yàn)道具，配好氧化鋅溶液。

（2）在坩堝和其他試驗(yàn)道具上涂上氧化鋅溶液。其中，在坩堝上涂氧化鋅溶液是為了熔體的鋁液更好的流出，也避免試驗(yàn)后殘留的鋁液粘在道具上；在其他道具上涂抹氧化鋅溶液是為了避免道具與鋁液的直接接觸，以免給鋁液帶來渣滓影響其純度[6]。

（3）將涂好氧化鋅溶液的試驗(yàn)用的勺子、夾具、模具、坩堝晾干，并進(jìn)行預(yù)熱。本試驗(yàn)用2個(gè)坩堝，一大一小，其中，大的用來熔煉鋁液，在小坩堝中進(jìn)行變質(zhì)處理。

（4）根據(jù)鋁錠的質(zhì)量確定所需鈦-硼變質(zhì)劑的量，同時(shí)也確認(rèn)除渣劑和精煉劑的添加量。由于每次澆鑄所用的鋁液為0.8kg，然后根據(jù)除渣劑與精煉劑所占的質(zhì)量百分比分別為0.3%與0.2%，可得其添加量分別為2.4g和1.6g。

1.4 用鈦-硼變質(zhì)劑與A356鋁合金進(jìn)行試驗(yàn)

（1）按照1.3中計(jì)算得到的添加量稱量精煉劑和除渣劑各7份。

（2）2個(gè)電爐同時(shí)開啟，加熱大小不同的坩堝，大坩堝里熔煉鋁液，小坩堝中進(jìn)行變質(zhì)處理。

（3）鋁液熔化后，從大坩堝中取出試驗(yàn)所需要量的鋁液倒入小坩堝中，其體積占小坩堝容積的75%，放入電爐中保溫到650～720℃左右[7]。保溫后，加入除渣劑，攪拌均勻。

（4）加入中間合金，攪拌均勻，之后清除雜質(zhì)保溫10min。

（5）從電阻爐中取出鋁液澆注成棒狀試樣，編號(hào)。7組試樣中變質(zhì)劑的加入量見表2。

表2 變質(zhì)劑的加入量w/%

1.5 分析測試

（1）制作金相試驗(yàn)樣品：把做成的試樣截取一小段，在砂輪上進(jìn)行打磨，然后在粗砂紙上粗磨，光滑后在細(xì)砂紙上細(xì)磨，在拋光機(jī)上進(jìn)行拋光，拋光好后，用4%硝酸酒精溶液對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕，采用荷蘭飛利浦公司生產(chǎn)的XL30ESEM-TMP型環(huán)境掃描電鏡觀察支架的斷面微觀形貌。

（2）拉伸試驗(yàn)：將試樣扯出所要的形狀，做好后放在電子萬能試驗(yàn)機(jī)上做拉伸試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 變質(zhì)劑添加量對(duì)合金微觀組織的影響

圖1是添加不同量的變質(zhì)劑后試樣的金相組織圖，其中（a）～（g）中變質(zhì)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為0.03%、0.0375%、0.08%、0.10%、0.1375%、0.175%和0。

通過上述7張圖片可以得出，鈦硼對(duì)A356鋁合金組織具有明顯的變質(zhì)效果，可使共晶硅的形態(tài)發(fā)生顯著的變化，由粗大的板條狀變?yōu)榧?xì)小的顆粒狀。而且隨著鈦硼含量的增加，變質(zhì)效果愈加顯著，其中鈦硼含量為0.175%的試樣變質(zhì)效果最佳。

在合金中添加一定量的Ti和B能使合金晶粒細(xì)化。Ti在合金中的細(xì)化機(jī)理主要是在溫度665℃時(shí)發(fā)生的包晶反應(yīng)：L（液）+TiAl3→α-Al，而B在合金中的細(xì)化機(jī)理源自硼化物顆粒理論，即B在鋁熔體中能夠形成一些硼化物顆粒（TiB2、AlB2），這些硼化物能夠成為α-Al的形核心，對(duì)合金起到細(xì)化效果[8-10]。

鈦-硼的細(xì)化作用是TiAl3造成的，硼的添加只是促使TiAl3的生成，因?yàn)榕鹗逛X-鈦二元合金液相線曲率急劇增大，使鈦在液體鋁中的溶解度減小，這樣便擴(kuò)大了TiAl3一次結(jié)晶的范圍，從而使晶粒細(xì)化效果更佳[11]。

將鈦硼變質(zhì)劑加入到A356合金熔體中，相當(dāng)部分的TiAl3相將會(huì)溶入熔體中，高溫穩(wěn)定的TiB2相不能直接成為α-Al初晶的有效形核點(diǎn)，需要在其表面覆蓋一層TiAl3膜后才同α-Al有良好的晶格匹配，從而成為初晶有效形核位置。溶入熔體中的Ti溶質(zhì)元素具有最高的生長限制因子，促進(jìn)了熔體中成分過冷，因此容易達(dá)到初晶形核所需過冷度要求，從而降低初晶胞尺寸。最近研究指出鋁合金中添加Al-Ti-B細(xì)化劑大大降低了初晶形核所需的過冷度，導(dǎo)致形核密度大大增加，從而導(dǎo)致柱狀枝晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變[12]。初始晶粒形核后的一段時(shí)間，晶粒自由長大，直到與周圍其他晶粒接觸形成枝晶網(wǎng)絡(luò)。隨后直到共晶點(diǎn)的溫度區(qū)間，固-液界面的狀態(tài)及冷卻速度將主要影響合金的二次枝晶生長。

2.2 變質(zhì)劑添加量對(duì)合金力學(xué)性能的影響

表3給出了所制試樣的拉伸試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 變質(zhì)劑添加量對(duì)合金微觀組織的影響

表3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，隨著變質(zhì)劑加入量的增加，A356合金的室溫拉伸強(qiáng)度也隨之增加。這是因?yàn)榫Я?huì)隨著變質(zhì)劑的加入而逐漸變小，晶粒越細(xì)小，晶粒的抗拉強(qiáng)度越大，因此，當(dāng)變質(zhì)劑的加入量達(dá)到0.175%時(shí)合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大。

3 結(jié)論

（1）鈦硼對(duì)A356鋁合金組織具有明顯的變質(zhì)效果，可使共晶硅的形態(tài)發(fā)生顯著的變化，由粗大的板條狀變?yōu)榧?xì)小的顆粒狀。

（2）隨著鈦硼含量的增加，變質(zhì)效果愈加顯著，其中鈦硼含量為0.175%的試樣變質(zhì)效果最佳，抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大。

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10.13752/j.issn.1007-2217.2017.01.007

2017-02-23