Sb變質(zhì)劑對(duì)ZL101合金組織和力學(xué)性能的影響

胡中潮，崔元?jiǎng)?，王振玲，于玉?/p>

(1. 天津那諾機(jī)械制造有限公司 天津300457；2. 空軍駐山東地區(qū)軍事代表室 山東濟(jì)南250023；3. 黑龍江科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 黑龍江哈爾濱150022)

Sb變質(zhì)劑對(duì)ZL101合金組織和力學(xué)性能的影響

胡中潮1，崔元?jiǎng)?，王振玲3，于玉城3

(1. 天津那諾機(jī)械制造有限公司 天津300457；2. 空軍駐山東地區(qū)軍事代表室 山東濟(jì)南250023；3. 黑龍江科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 黑龍江哈爾濱150022)

采用金相顯微鏡、布氏硬度計(jì)和萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同加入量Sb變質(zhì)的ZL101合金顯微組織和力學(xué)性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：隨著Sb加入量的增加，粗大針片狀的共晶硅逐漸變成小尺寸針狀，(α＋Si)共晶數(shù)量增多，并且Sb加入0.1%,和0.2%,時(shí)，鑄態(tài)共晶硅相相互之間的排布出現(xiàn)“集束”形貌。T6熱處理后，針狀共晶硅棱角鈍化，且隨著Sb的增加，共晶硅逐漸?；?。加入0.1%,和0.2% Sb時(shí)鑄態(tài)組織中出現(xiàn)的“集束”形貌消失。隨著Sb加入量的增加，ZL101合金硬度值增加；抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均顯著增加，當(dāng)加入0.2%, Sb時(shí)抗拉強(qiáng)度最大可達(dá)259.4 MPa，伸長(zhǎng)率下降至4%,左右。

ZL101合金 Sb變質(zhì)劑 顯微組織 力學(xué)性能

ZL101合金具有較低的密度，優(yōu)良的鑄造性能、氣密性和可焊性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車和航空航天等領(lǐng)域。但是常規(guī)鑄造鋁硅鎂合金的顯微組織中存在粗大的針狀共晶硅，嚴(yán)重影響了合金的力學(xué)性能。合金的變質(zhì)處理是改善粗大針狀共晶硅形貌的一種有效手段，加入變質(zhì)劑后針狀硅相變成有利于提高性能的小尺寸粒狀或纖維狀。迄今為止，鋁硅系合金的變質(zhì)劑種類繁多，各有特點(diǎn)，適用于不同的合金類型和生產(chǎn)條件，其中生產(chǎn)中最常用的變質(zhì)劑有鈉鹽、鍶和稀土等。但是鈉鹽腐蝕坩堝和熔煉工具，有效變質(zhì)時(shí)間短；鍶變質(zhì)效果好，具有長(zhǎng)效、用量小、重熔性等諸多優(yōu)點(diǎn)，但是鍶在熔煉過(guò)程中容易吸氣，影響合金的致密性，且鍶價(jià)格昂貴；稀土金屬也是鑄造鋁硅合金的優(yōu)良變質(zhì)劑，長(zhǎng)效無(wú)污染，且能減少合金中的針孔，具有固溶強(qiáng)化作用。銻(Sb)對(duì)鋁硅系合金的變質(zhì)處理已有一定研究，發(fā)現(xiàn)Sb具有長(zhǎng)效、可反復(fù)使用、不腐蝕坩堝、資源豐富、價(jià)格便宜、使用方便等特點(diǎn)，且具有脫氣和細(xì)化晶粒作用。[1]本文主要研究Sb加入量對(duì)鑄態(tài)和熱處理態(tài)ZL101合金顯微組織的影響，以及對(duì)熱處理態(tài)力學(xué)性能的影響，揭示Sb加入量對(duì)ZL101合金組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律，為Sb變質(zhì)劑在鋁硅系合金中的應(yīng)用提供試驗(yàn)探索，具有重要的理論與實(shí)踐意義。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)所用ZL101合金成分自行配制，其中Si占7.5%,，Mg占0.3%,。采用Sb對(duì)共晶硅進(jìn)行變質(zhì)處理，加入量分別為0、0.05%,、0.1%,和0.2%,。熔煉在電阻爐中進(jìn)行，采用砂型鑄造澆注試樣和拉伸試棒，拉伸試棒尺寸如圖1所示。合金的熱處理采用T6工藝，固溶處理工藝為500,℃保溫2,h，用60,℃左右的熱水進(jìn)行淬火處理；時(shí)效處理在180,℃保溫3,h，然后空冷。顯微組織觀察采用XJP-3A光學(xué)金相顯微鏡，布氏硬度在HB-3000B布氏硬度計(jì)上進(jìn)行測(cè)試，拉伸試驗(yàn)在CTMS5305型萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

圖1 拉伸試樣尺寸Fig.1 Size of the tensile sample

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 Sb加入量對(duì)ZL101合金鑄態(tài)顯微組織的影響

圖2是加入不同量Sb變質(zhì)劑后鑄態(tài)ZL101合金的宏觀組織形貌，圖中初生α-Al相長(zhǎng)成樹枝晶，枝晶間為(α＋Si)共晶組織。隨著Sb變質(zhì)劑加入量的增加，枝晶間的共晶組織數(shù)量增加。圖3為加入不同量Sb變質(zhì)劑后鑄態(tài)ZL101合金的共晶組織，未加Sb變質(zhì)時(shí)，大部分共晶硅形態(tài)仍然主要呈粗大的針片狀，如圖3(a)所示，隨著Sb加入量的逐步增加，Si相由長(zhǎng)針形態(tài)逐漸變成小尺寸的短針形貌；并且共晶組織中，α-Al相和Si相的間距逐漸減小。此外，針狀共晶硅的排列方向也發(fā)生了變化，當(dāng)Sb加入量為0.05%,時(shí)，針狀Si相排布方向雜亂，相互之間無(wú)明顯的關(guān)聯(lián)。當(dāng)Sb加入量增加到0.1%,和0.2%,時(shí)，共晶組織中局部區(qū)域Si相之間呈平行排布或呈一定的小角度，即所謂的“集束”形貌，共晶硅集束形貌被認(rèn)為是一個(gè)形核質(zhì)點(diǎn)形核后長(zhǎng)大形成的。Sb使共晶Si由長(zhǎng)針變成短針，其機(jī)理是加入Sb后，在合金中形成了AlSb相，AlSb在合金中的固溶度很低，其在共晶硅生長(zhǎng)界面前沿富集，影響共晶硅生長(zhǎng)方向的同時(shí)抑制低指數(shù)面的長(zhǎng)大，從而導(dǎo)致共晶硅尺寸的減小。[2]本研究中，Sb的變質(zhì)機(jī)理還有待于深入研究。

圖2 Sb對(duì)ZL101合金顯微組織的影響Fig.2 Effect of Sb on the microstructure of ZL101 alloy

圖3 Sb對(duì)ZL101合金共晶組織的影響Fig.3 Effect of Sb on the eutectic structure of ZL101 alloy

為進(jìn)一步提高ZL101合金的力學(xué)性能，需對(duì)其進(jìn)行熱處理。Sb變質(zhì)的ZL101合金進(jìn)行T6熱處理后的顯微組織如圖4所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，熱處理后，無(wú)論是長(zhǎng)針形態(tài)還是短針形態(tài)的Si相，其棱角均變得鈍化。與鑄態(tài)組織相比，未加入Sb變質(zhì)劑的ZL101合金中，Si相仍存在較大的塊狀共晶硅(圖4(a))。隨著Sb加入量的增加，共晶硅相逐漸?；鐖D4(b)、(c)和(d)所示。此外，從圖4(c)和圖4(d)中還可以發(fā)現(xiàn)，鑄態(tài)組織中共晶硅的“集束”形貌消失。

圖4 熱處理后加入不同量Sb變質(zhì)劑后ZL101合金的共晶組織Fig.4 The eutectic structures of ZL101 alloy with different Sb additions after heat treatment

2.2 Sb對(duì)ZL101合金力學(xué)性能的影響

表1為加入不同量Sb變質(zhì)處理的ZL101合金鑄態(tài)和熱處理的布氏硬度值。從表中可以看出，鑄態(tài)時(shí)，隨著Sb加入量的增加，合金的硬度略有增加。與鑄態(tài)相比，合金熱處理后硬度增加更加明顯，增加幅度可達(dá)10%,以上。

表1 鑄態(tài)和熱處理態(tài)加不同量Sb變質(zhì)劑時(shí)ZL101合金的布氏硬度Tab.1 Brinell hardness of ZL101 alloy with different Sb additions under as-cast condition and heat treatment condition

表2為熱處理態(tài)ZL101合金的拉伸性能，從表中可以發(fā)現(xiàn)，加入0.1%,和0.2% Sb時(shí)合金的抗拉強(qiáng)度值較高，分別為252.53,MPa和259.40,MPa，Sb加入量在0.1%～0.2%,之間時(shí)，屈服強(qiáng)度在211～216之間。加入0.1% Sb的合金的伸長(zhǎng)率為7.2%,，Sb繼續(xù)增加后，伸長(zhǎng)率明顯下降，為4%,左右。

由此可見(jiàn)，ZL101合金采用Sb做變質(zhì)劑熱處理后，當(dāng)加入量為0.1%,和0.2%時(shí)，可顯著提高合金的強(qiáng)度，但是加入0.2%時(shí)塑性明顯下降。這可能是加入Sb較多時(shí)產(chǎn)生的AlSb相積聚長(zhǎng)大，導(dǎo)致塑性降低，該現(xiàn)象有待于更進(jìn)一步的研究。

表2 熱處理態(tài)加不同量Sb變質(zhì)劑時(shí)ZL101合金的拉伸性能Tab.2Tensile property of ZL101 alloy with different additions of Sb under heat treatment condition

2.3 斷口形貌分析

圖5是沒(méi)有加入變質(zhì)劑Sb的試樣拉伸斷口形貌。圖5(b)是圖5(a)的放大的斷口形貌。圖5(a)的冰糖形狀形貌是典型的脆性斷裂，在圖5(b)的放大圖中基本上看不到韌窩的存在，而是存在較多的解理面，說(shuō)明此時(shí)的斷裂為脆性斷裂。

圖5 未加入變質(zhì)劑Sb時(shí)ZL101合金的拉伸斷口形貌Fig.5The fracture morphology of ZL101 alloy without Sb addition

圖6是變質(zhì)劑Sb含量為0.05%的試樣拉伸斷口形貌。圖6(a)中斷口形貌存在明顯的孔洞缺陷，四周能看到少量的韌窩。圖6(b)為圖6(a)的放大圖，從圖中可以看出，斷口中有少量的韌窩存在，韌窩小且淺，有明顯的解理刻面，無(wú)明顯的塑形變形，呈現(xiàn)出穿晶斷裂，說(shuō)明加入0.05%,Sb后ZL101合金的韌性不好。

圖6 變質(zhì)劑Sb含量為0.05%的拉伸斷口形貌Fig.6The fracture morphology of ZL101 alloy adding 0.05% Sb

圖7是變質(zhì)劑Sb含量為0.1%的試樣拉伸斷口形貌。圖7(a)、(b)是典型的韌性斷裂斷口形貌。從圖7(b)的微觀圖可以看到，韌窩又深又大，說(shuō)明加入0.1%的Sb變質(zhì)后材料的韌性較好。

圖7 變質(zhì)劑Sb含量為0.1%的拉伸斷口形貌Fig.7 The fracture morphology of ZL101 alloy adding 0.1% Sb

圖8是變質(zhì)劑Sb含量為0.2%的試樣拉伸斷口形貌。圖8(a)中可以看到有韌窩存在，韌窩的密集程度適中，圖8(b)是圖8(a)中A區(qū)域的放大區(qū)域形貌，是明顯的共晶Si脫落形貌，說(shuō)明加入0.2%,Sb后ZL101合金的韌性有所下降。

圖8 變質(zhì)劑Sb含量為0.4%的拉伸斷口形貌Fig.8 The fracture morphology of ZL101 alloy adding 0.4% Sb

以上的幾組拉伸斷口形貌表明：變質(zhì)劑Sb含量為0.1%的拉伸試樣斷口形貌為純韌性斷裂，韌性很好，未加入變質(zhì)劑Sb的拉伸試樣的斷口形貌為脆性斷裂，韌性不好，變質(zhì)劑Sb含量為0.2%和變質(zhì)劑Sb含量為0.05%的試樣韌性介于兩者之間，且變質(zhì)劑含量為0.2%的韌性比0.05%的韌性稍好一些。

3 結(jié) 論

將Sb變質(zhì)劑加入到ZL101合金中，能減小鑄態(tài)共晶Si相的尺寸；當(dāng)Sb的加入量為0.1%和0.2%時(shí)，在鑄態(tài)組織中，共晶硅相相互之間的排布有“集束”形貌出現(xiàn)；熱處理后，Sb變質(zhì)的ZL101合金中的短針狀共晶硅相棱角鈍化，隨著Sb加入量的增加，共晶硅相逐漸粒化；變質(zhì)劑Sb的加入能使ZL101合金的共晶數(shù)量增加，且隨著Sb加入量的增加，共晶組織數(shù)量逐漸增多。

隨著Sb加入量的增加，硬度值增加；抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均顯著增加，當(dāng)Sb加入量超過(guò)0.1%時(shí)，伸長(zhǎng)率明顯下降?！?/p>

［1］ 曹國(guó)劍，左鋒，李艷春，等. 鋁硅合金變質(zhì)的研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào)A，2012，26(9)：112-115.

［2］ 李豹. AlSi7Mg合金共晶硅變質(zhì)規(guī)律及其微觀機(jī)制[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011：36-38.

［3］ 陳體軍，馬穎，郝遠(yuǎn)，等. 凝固條件和熔體處理對(duì)ZL101合金組織和力學(xué)性能的影響[J]. 熱加工工藝，2001(1)：9-11.

Effect of Sb Modifier on Microstructure and Mechanical Property of ZL101 Alloy

HU Zhongchao1，CUI Yuansheng2，WANG Zhenling3，YU Yucheng3
(1．LIZHONG GROUP Tianjin Nanuo Machinery Manufacturing Co., Ltd.，Tianjin 300457，China；2．Military Representative Office of Air Force in Shandong，Ji’nan 250023，Shandong Province，China；3．College of Materials Science and Engineering，Heilongjiang University of Science and Technology，Harbin 150022，Heilongjiang Province，China)

The microstructure and mechanical property of ZL101 alloy with different amount of Sb modifier additions were studied using optical microscope，Brinell hardness tester and universal tensile testing machine．The results showed that the coarse acicular eutectic Si phases changed into those of small size with the increasing of Sb addition，and the amount of (α＋Si)eutectic structure increased．Besides，bunched morphology appeared for the eutectic Si as Sb added 0.1%,and 0.2%,．After T6 heat treatment，the angular Si phase became blunt，and the Si phases became graininess with Sb content increasing．Moreover，the bunched morphology of Si phases in ZL101 alloy adding 0.1%, and 0.2%, Sb also disappeared．With the increase of Sb additions，the hardness of ZL101 alloy raised，the tensile strength and yield strength had a significant increase，the maximum value of the tensile strength can reach 259.4,MPa when added 0.2%, Sb，and the elongation rate decreased to 4%, or so.

ZL101 alloy；Sb modifier；microstructure；mechanical property

TG146.2

A

1006-8945(2016)08-0025-04

2016-08-02