鑄造鋁合金若干問題思考

左李慶

摘 要：介紹了鑄造鋁合金熱分析原理， 主要研究了鑄造鋁合金晶粒度和共晶組織變質的熱分析特征，選擇和測定了冷卻曲線上的 ΔTl ， t R和 ΔTE ， te 兩組特征點， 提出了鑄造鋁合金晶粒細化和共晶硅變質程度的判據(jù)，為熱分析法鑄造鋁合金質量控制提供了依據(jù)。

關鍵詞：鑄造鋁合金；熱分析；冷卻曲線

一、試驗原理

鑄造鋁合金熱分析是測定某種合金在一標定狀態(tài)下的冷卻曲線，將此曲線作為標準確定能夠反映合金質量的特征點，然后在鑄造現(xiàn)場測量工作合金的冷卻曲線，對應標準曲線計算特征點的變化差值，從而反映測量合金與標定合金的質量差別，判斷被測量合金的質量，力求通過對一個試樣的測量，在計算機數(shù)據(jù)庫的輔助下，利用傳統(tǒng)差熱分析的原理，進行鑄造鋁合金的在線質量檢測，進而實現(xiàn)鑄造鋁合金的在線質量控制。

二、試驗材料及試驗方法

1.合金熔煉

試驗合金在75kg坑式電阻爐中熔化，合金采用旋轉葉輪混合氣體（Cl2+N2）法在730～740℃精煉15～20min，澆注溫度710～720℃。使用AlTi3B中間合金在740～750℃進行晶粒細化處理，中間合金加入量根據(jù)試驗需要按硼元素占試驗合金質量分數(shù)分多次加入，每次加入中間合金后攪拌10min，精煉處理后重復進行熱分析試驗，進行對比分析；共晶硅變質處理采用AlSr10中間合金和鈉鹽進行對比試驗，鍶元素加入量占合金重量的0.06%，三元鈉鹽變質劑的加入量占合金重量的2.5%，加入變質劑后保溫一定時間，定時進行合金變質效果的熱分析測量，檢測鍶元素的長效變質作用和鈉元素的變質衰退特征。

2.熱分析設備

試驗采用DTA-QⅣ型微分-潛熱熱分析儀。采用專用模具制造的砂型樣杯，保證樣杯的熱物理參數(shù)穩(wěn)定一致，樣杯中熱電偶的設置如，為熱電偶設計了保護套管，主要目的是重復使用熱電偶，保證重復試驗的一致性。熱電偶采用高精密度的偶絲制成，并在400～700℃試驗溫度范圍內準確標定，整個熱分析系統(tǒng)的測量誤差小于±0.4℃。

三、試驗結果及分析

1.合金的熱分析曲線

試驗測定的ZL101A合金典型熱分析曲線和組織特征，對應的特征。

2.晶粒細化的熱分析結果

試驗表明，不添加晶粒細化劑的合金晶粒粗大，在冷卻曲線的初晶部分出現(xiàn)較大的初晶過冷度ΔTl和較長的初晶過冷期tR。合金中添加晶粒細化劑后，合金晶粒變細，冷卻曲線的ΔTl和tR變小，甚至為零，合金的初晶溫度Tl稍微提高。在勻質結晶過程中，合金結晶晶核由合金液中的晶胚發(fā)展而成，此時必須有一定過冷度ΔT才能促成合金液中的晶胚發(fā)展成為晶核，進而結晶凝固。當大量同質晶核形成時結晶潛熱釋放，使合金液溫度回升，溫度的升高阻止新晶核形成，合金液只能由相對少量的晶核長大結晶，此時合晶粒粗大。當在合金液中加入足夠的晶粒細化劑，即在金屬開始結晶時，介穩(wěn)定的合金液中存在著大量固相質點，當這些質點與合金液完全浸潤時，合金液中的晶胚可以依附在這些固相質點上長大，此時不需要很大的過冷度ΔT合金液就可以結晶，在冷卻曲線上表現(xiàn)為（ΔT1※0tR※0），最終形成由相對大量的晶核長大的細晶粒，大量異質晶核同時長大釋放的結晶潛熱促使合金液的初晶溫度稍有提高。試驗表明，鋁合金中加入鈦元素和硼元素產生與鋁合金良好浸潤的質點，是很好的鋁合金晶粒細化劑。試驗過程中對應合金的熱分析參數(shù)進行了合金晶粒尺寸的測量，并與美國鑄造協(xié)會（AFS）有關標準進行了對應分析。

3.共晶硅變質的熱分析結果

試驗表明，鍶元素和鈉元素對鋁硅合金的變質效果相當，鍶元素良好變質作用的孕育期為30min，變質持續(xù)時間超過6h，鈉元素的變質衰退期小于1h。鑄造鋁硅合金加變質劑后，共晶組織由不規(guī)則的針塊狀變?yōu)橐?guī)則的層片狀，冷卻曲線的共晶平臺有一定幅度的降低，出現(xiàn)由變質引起的共晶溫度降低ΔTE和共晶平臺的長度即共晶期te延長。鋁硅共晶體生長時，Al界面前沿過冷度（0.02℃）遠低于Si界面前沿（1～2℃），故共晶鋁硅共晶體生長時，Al界面前沿過冷度（0.02℃）遠低于Si界面前沿（1～2℃），故共晶體兩相生長速度差異較大，生成不規(guī)則的形狀。合金中加入鍶（Sr）或鈉（Na）等變質劑后，一方面消除了合金中存在的使硅形核的元素（如磷）的作用，另一方面使合金的結晶潛熱由95cal/g升高到100～103cal/g，這樣就改變了共晶Al-Si的生長方式。合金結晶潛熱的升高使共晶生長前沿溫度升高，抑制了生長前沿硅的生長，使鋁硅共晶組織形成較規(guī)則層片狀；由于共晶生長需要一定的過冷度，所以只有更低的共晶溫度才可以抵消共晶生長前沿的溫度回升，導致共晶溫度降低ΔTE的出現(xiàn)，結晶潛熱的升高使得在相同散熱條件下的結晶時間，即共晶期te延長。鑄造鋁合金共晶硅變質的熱分析特征參數(shù)。

四、結論

（1）鑄造鋁合金熱分析曲線上的初晶過冷度ΔTl和初晶過冷期tR可用來評定合金晶粒細化程度。

（2）鑄造鋁合金熱分析曲線上的共晶溫度降低ΔTE和共晶期te可用來評定合金共晶硅變質程度。

（3）鑄造鋁合金的熱分析特征值可以用于鑄造鋁合金質量評定依據(jù)，鑄造鋁合金熱分析法質量檢測具有快速準確的特點。