硼細(xì)化處理方法對鑄造鋁硅合金組織和性能的影響

(西安工業(yè)大學(xué)，陜西西安 710032)

硼細(xì)化處理方法對鑄造鋁硅合金組織和性能的影響

劉志學(xué)，李偉偉，程巨強(qiáng)

(西安工業(yè)大學(xué)，陜西西安 710032)

采用硼鹽作為細(xì)化劑，研究了鐘罩法、切鹽法和攪拌法三種不同細(xì)化處理方法對鑄造鋁硅合金組織和性能的影響。結(jié)果表明，三種不同的加入方法均能細(xì)化鋁硅合金的鑄態(tài)組織，硼鹽細(xì)化處理可以減小鋁硅合金鑄態(tài)組織中粗大的α枝晶和共晶硅β相的尺寸，細(xì)化組織。采用鐘罩法細(xì)化處理后，實(shí)驗(yàn)材料的鑄態(tài)組織中α枝晶尺寸最小,細(xì)化效果好，力學(xué)性能最佳，攪拌法次之，切鹽法的處理效果較差。不同方法細(xì)化處理后的試樣進(jìn)行T6熱處理后，實(shí)驗(yàn)材料組織由α+β相組成，β相由鑄態(tài)的短片狀變?yōu)榫鶆驈浬⒎植嫉念w粒狀，分布在α相界面，T6熱處理改善了實(shí)驗(yàn)材料的組織和力學(xué)性能。

鑄造鋁硅合金；細(xì)化處理方法；組織和性能；熱處理

細(xì)化或變質(zhì)處理是鑄造鋁合金生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的細(xì)化鑄件組織和改善力學(xué)性能方法之一。在細(xì)化處理的工藝中主要的控制因素有細(xì)化劑種類[1～4]、細(xì)化劑加入量、細(xì)化處理溫度、細(xì)化處理保溫時(shí)間及細(xì)化劑加入方法等。從目前研究文獻(xiàn)資料來看，細(xì)化劑或變質(zhì)劑種類對鑄造鋁合金組織和性能方面的研究文獻(xiàn)較多，而其他細(xì)化工藝的控制因素研究文獻(xiàn)較少，對于鹽類細(xì)化劑，鑄造鋁合金細(xì)化處理的方法主要有鐘罩法、切鹽法、攪拌法和液-液混合法等[5]，但這些細(xì)化處理方法對實(shí)驗(yàn)材料組織和力學(xué)性能方面影響的文獻(xiàn)較少，而細(xì)化劑的加入方法對細(xì)化劑的細(xì)化效果有著重要的影響。因此，本文以硼鹽為細(xì)化劑，研究了鐘罩法、切鹽法、攪拌法三種不同的細(xì)化劑處理方法對鑄造鋁硅合金細(xì)化效果和性能的影響，為實(shí)際生產(chǎn)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及其過程

試驗(yàn)材料的牌號為ZL101。不同細(xì)化處理的金屬液熔煉分別用石墨坩堝在井式感應(yīng)爐中進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)過程為，先熔化ZLD101合金錠，熔化后溫度在720 ℃時(shí)，用0.5%的C2Cl6進(jìn)行精煉處理，精煉保溫靜置時(shí)間為10 min。分別用鐘罩法、攪拌法、切鹽法對熔液進(jìn)行變質(zhì)處理。鐘罩法處理方法為用鋁殼將硼鹽包好，分別用鐘罩壓入鋁液中進(jìn)行攪拌，攪拌法處理方法為待溶液精煉處理后直接將細(xì)化劑硼鹽倒入鋁熔液中進(jìn)行攪拌，切鹽法處理方法在精煉后將細(xì)化劑直接倒入鋁熔液中，待細(xì)化劑在熔液表層結(jié)殼后，再壓入鋁熔液中進(jìn)行攪拌。三種變質(zhì)方法變質(zhì)劑均采用KBF4，折合成B的加入量為0.04%，細(xì)化處理后保溫靜置時(shí)間為10 min，鋁液溫度在710～720 ℃時(shí)，澆注直徑為8 mm金屬模型試樣，金屬型試樣模具預(yù)熱溫度為200 ℃。實(shí)驗(yàn)材料T6熱處理工藝538±5 ℃×5 h+180±5 ℃×4 h。力學(xué)性能試驗(yàn)用CMT10kW電子萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)。金相組織觀察用NIKNO NEIPHOT-30型顯微鏡，組織腐蝕液為0.5%HF水溶液，α相晶粒尺寸的確定是參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)采用截點(diǎn)法進(jìn)行平均值計(jì)算。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 三種加入方法對實(shí)驗(yàn)材料組織的影響

圖1為不加硼和不同加入方法加入硼鹽細(xì)化處理后鋁硅合金的鑄態(tài)組織。從圖看出，未加硼細(xì)化處理的鑄態(tài)組織為α、（α+β）共晶體，α相枝晶粗大，其平均晶粒尺寸為31 μm，共晶體組織的β相呈較長的針狀分布在α相枝晶間，組織粗大（圖1.a）。采用硼細(xì)化劑，不同細(xì)化處理方法加入后的鑄態(tài)組織也為α+（α+β）共晶組織，與未加硼細(xì)化的鑄態(tài)組織相比，均有不同程度的細(xì)化，表現(xiàn)為α相和β共晶硅枝晶尺寸的減小，細(xì)化處理后的β相呈短片或點(diǎn)狀分布在α相枝晶間，其中鐘罩法處理后的鑄造鋁硅合金組織中α相晶粒尺寸平均為19 μm（圖1.b），細(xì)化效果最好，攪拌法處理后鑄造鋁硅合金的α相平均晶粒尺寸為25 μm（圖1.c），切鹽法處理后鑄造鋁硅合金的α相平均晶粒尺寸為26 μm（圖1.d）。通過組織對比可以看出，采用鐘罩法加入硼鹽處理后實(shí)驗(yàn)材料組織細(xì)化程度最佳。

圖1 不同方法細(xì)化處理后實(shí)驗(yàn)材料的鑄態(tài)組織

圖2 為采用不同方法加入硼鹽細(xì)化處理，及T6熱處理后鑄造鋁硅合金的組織。不同方法加入硼鹽細(xì)化處理和T6熱處理后，鑄造鋁硅合金的組織均為α+β，其中白色相為α相基體，在α相界面分布的點(diǎn)狀的相為共晶硅，組織中的點(diǎn)狀硅相是鑄態(tài)組織中的針狀或者點(diǎn)狀共晶硅在固溶加熱時(shí)沒有完全溶解的共晶硅或時(shí)效過程析的硅相。由圖可以看出，T6熱處理處理后，采用鐘罩法細(xì)化處理的實(shí)驗(yàn)材料組織中α相枝晶的尺寸（圖2.a）比采用攪拌法（圖2.b）和切鹽法（圖2.c）細(xì)化處理的細(xì)小。

2.2 三種細(xì)化處理方法實(shí)驗(yàn)材料的力學(xué)性能

圖3和圖4分別是采用不同細(xì)化劑加入方法對鋁硅合金進(jìn)行處理后，實(shí)驗(yàn)材料的鑄態(tài)和T6熱處理態(tài)的抗拉強(qiáng)度和延伸率變化。

圖2 不同方法處理和T6熱處理后實(shí)驗(yàn)材料的組織

由圖可以看出，采用鐘罩法加入硼鹽細(xì)化處理后，鋁硅合金的鑄態(tài)和T6熱處理態(tài)的性能最佳，攪拌法次之，切鹽法較低。采用鐘罩法加入硼鹽細(xì)化處理后，鋁硅合金的鑄態(tài)力學(xué)性能為：抗拉強(qiáng)度σb=188 MPa，延伸率δ=53.0%，T6熱處理后獲得的力學(xué)性能為抗拉強(qiáng)度σb=254 MPa，延伸率δ=54.5 %。T6熱處理對實(shí)驗(yàn)材料的力學(xué)性能影響的原因，主要與T6處理后組織中α相中彌散析出分布的沉淀相和共晶硅在T6熱處理過程形狀和分布狀態(tài)改變有關(guān)。

圖3 不同方法細(xì)化處理后實(shí)驗(yàn)材料強(qiáng)度

圖4 不同方法細(xì)化處理后實(shí)驗(yàn)材料延伸率

2.3 三種細(xì)化處理方法實(shí)驗(yàn)拉伸斷口SEM形貌

圖5是硼細(xì)化處理不同加入方法拉伸試樣斷口SEM形貌。從圖可以看出，鐘罩法細(xì)化處理鑄態(tài)拉伸試樣斷口形貌主要為準(zhǔn)解理斷裂特征，伴隨一定塑性變形痕跡(圖5.a)，T6處理后拉伸試樣斷口主要為韌窩，伴隨著較多塑性變形后的痕跡(圖5.b)。

圖5 不同狀態(tài)的拉伸試樣斷口SEM形貌

鐘罩法和切鹽法細(xì)化鑄態(tài)斷口特征主要為準(zhǔn)解理(圖5.c、圖5.e)，T6處理后拉伸試樣斷口均為韌窩(圖5.d、圖5.f)。實(shí)驗(yàn)材料通過T6熱處理可以改善斷裂機(jī)理，即由鑄態(tài)的準(zhǔn)解理斷裂，變?yōu)轫g窩斷裂，改善了實(shí)驗(yàn)材料的塑韌性。

3 結(jié)論

(1)以硼鹽作為細(xì)化劑，采用三種細(xì)化劑加入方法均能不同程度細(xì)化鑄態(tài)鑄造鋁硅合金α相和共晶組織，組織細(xì)化效果最好的處理方法為鐘罩法，切鹽法處理效果較差。鐘罩法方法加入的鑄造鋁硅合金鑄態(tài)力學(xué)性能為：σb=188 MPa，δ=53.0%，T6熱處理后獲得的力學(xué)性能為σb=254 MPa，δ=54.5 %。

(2)三種細(xì)化處理后的試樣進(jìn)行T6熱處理，實(shí)驗(yàn)材料的組織均為α+β，β相呈點(diǎn)狀分布在α相晶界，組織和力學(xué)性能得到改善。細(xì)化處理后鑄態(tài)鋁硅合金鋁合金試樣的拉伸斷口斷裂機(jī)理為準(zhǔn)解理斷裂機(jī)制，T6處理后拉伸斷口斷裂機(jī)理為韌窩機(jī)制，熱處理改善了材料的塑性。

[1] 王吉岱，閆承俊，孫 靜,等. 鋁合金變質(zhì)處理的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].鑄造，2005， 54（9）：844-846.

[2] 湯順意，周年潤.鑄造Al-Si合金變質(zhì)處理的概況和發(fā)展趨勢[J].金屬世界，2007(3)：31-35.

[3] 姚書芳，毛衛(wèi)民，趙愛民,等.鑄造鋁硅合金細(xì)化變質(zhì)處理的研究進(jìn)展[J].鑄造，2000， 49（9）：512-515

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[5] 張承甫，龔建森，黃杏蓉,等. 液態(tài)金屬的凈化與變質(zhì)[M]. 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1989,

Effects of boron refinement process on microstructure and properties of al-si cast alloy

LIU ZhiXue，Li WeiWei, CHENG JuQiang
( Xi′an Technological University, Xi′an 710032,Shaanxi, China)

The effects of different refinement process of boron salt refiner on microstructure and properties of Al-Si cast alloy were studied by bell-jar adding method, cut salt adding method and stirring adding method. The results shown, the microstructure of Al-Si cast alloy can be refined by the three kinds of refinement process of boron salt, the refinement with boron salt reduced the size of coarse α dendrites and thick eutectic silicon β phase in the casting microstructure of Al-Si alloy, and refined the microstructure of Al-Si cast alloy. The coarse α dendrites size of casting microstructure of Al-Si alloy was smallest, the refinement effect and mechanical properties were best, the stirring adding method was second, and the refinement effect of cut salt adding method was poor. After T6 heat treatment and different refinement process, the microstructure of Al-Si cast alloy were consisted of α+β phase, the β phase in α phase interface changed from fine lath to uniformly dispersed particles, T6 heat treatment improved the microstructure and mechanical properties of the experimental materials.

Al-Si cast alloy；method of refinement；microstructure and property；Heat treatment

TG146.2；

A；

1 006-9658（201 6）04-0025-03

10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.04.006

陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目（15JS038）

2015-12-29

稿件編號:1512-1177

劉志學(xué) (1968—)，男，副教授，碩士，主要從事新型高強(qiáng)耐磨材料及特種有色合金的研究與應(yīng)用工作.