鈉-鋇聯(lián)合變質(zhì)劑的試驗(yàn)研究

郭世義,楊亮,劉銘哲,閻竹,趙忠興

（沈陽理工大學(xué)，遼寧沈陽 110168）

鈉-鋇聯(lián)合變質(zhì)劑的試驗(yàn)研究

郭世義,楊亮,劉銘哲,閻竹,趙忠興

（沈陽理工大學(xué)，遼寧沈陽 110168）

針對鋁硅合金Na鹽變質(zhì)劑變質(zhì)時(shí)有效時(shí)間短的特點(diǎn)，以及使用Ba變質(zhì)劑時(shí)存在潛伏期的問題。圍繞Na-Ba聯(lián)合變質(zhì)劑對鋁硅合金的變質(zhì)效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。本文選用ZL106作為研究對象，試驗(yàn)結(jié)果表明：與未經(jīng)變質(zhì)處理的合金相比，加入Na-Ba聯(lián)合變質(zhì)劑后，鋁硅合金的共晶組織由粗大的片狀或針狀轉(zhuǎn)變成細(xì)小的纖維狀，Na-Ba聯(lián)合變質(zhì)劑對組織的影響與Na鹽變質(zhì)劑相類似。但是能有效地延長變質(zhì)時(shí)間，而且使用這種變質(zhì)劑不存在潛伏期。

氬氣精煉；鈉鋇變質(zhì)劑；金相組織；熱分析

鋁硅合金具有優(yōu)良的鑄造性能和力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)［1］，而被廣泛應(yīng)用，而采用變質(zhì)處理能更有效地提高合金的各項(xiàng)性能。在常用的變質(zhì)處理工藝中，鈉變質(zhì)處理具有良好的變質(zhì)效果。合金中的硅相得到明顯的細(xì)化［2-4］，但是有效期短（僅40～60 min），使它的應(yīng)用具有一定的局限性。鍶和鋇變質(zhì)工藝變質(zhì)效果好，共晶硅細(xì)化明顯，性能提高明顯［5、6］，但變質(zhì)處理時(shí)存在潛伏期，對它的使用有一定的影響，容易受到氮和磷的干擾［7］。

針對各種工藝的分析，我們采用鈉-鋇聯(lián)合變質(zhì)處理的工藝對鋁硅合金進(jìn)行變質(zhì)處理，以期克服鈉鹽變質(zhì)有效期短和鍶鋇變質(zhì)具有潛伏期的缺點(diǎn)，使鋁硅合金在變質(zhì)處理后既能澆鑄，而且又有較長的使用周期，從而提高變質(zhì)工藝的有效性。

1 試驗(yàn)條件及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用氬氣旋轉(zhuǎn)噴吹精煉機(jī)，試驗(yàn)材料為50 kg ZL106鋁合金和1 kg Na-Ba復(fù)合鹽變質(zhì)劑，采用工業(yè)電阻爐石墨坩堝熔化。使用如下的試驗(yàn)方法處理鋁合金液，溫度保持在720 ℃～750 ℃之間，氬氣精煉、扒渣，靜置5 min后，使用自制的SGJ-II型熱分析儀觀察并記錄冷卻曲線。分別在變質(zhì)前、變質(zhì)劑加入后15、25、45、65、85、105 min和125 min制備金相試樣和進(jìn)行熱分析曲線測試。

2 合金凝固過程熱分析曲線

在合金液加入變質(zhì)劑后，分別在上述時(shí)間點(diǎn)在SGJ-II型熱分析儀上澆注熱分析試樣，不同時(shí)間點(diǎn)合金凝固過程的過冷度如表1所示。

表1 變質(zhì)處理后合金凝固的過冷度

使用Origin軟件對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了較為直觀的凝固過程溫度-時(shí)間曲線圖（圖1、圖2），從圖上可以對Na-Ba聯(lián)合變質(zhì)劑各個(gè)變質(zhì)時(shí)間點(diǎn)的凝固曲線有個(gè)清晰的對比。

從圖中可以看出15 min時(shí)共晶溫度平臺達(dá)到最低，此后共晶溫度平臺隨著時(shí)間逐漸升高。從過冷度的角度說明鋁硅合金的變質(zhì)效果在15 min時(shí)達(dá)到最好，之后逐漸下降。但從金相圖片來看，15～85 min組織的形態(tài)差別并不大。這可能與Ba元素起變質(zhì)作用時(shí)產(chǎn)生的過冷度小有關(guān)。在45 min之后共晶溫度平臺出現(xiàn)了明顯的上升，而5～45min與45～125 min兩個(gè)區(qū)間之間的共晶溫度雖然總體隨時(shí)間逐漸上升，但是變化并不十分明顯，這兩個(gè)溫度區(qū)間也分別與Na鹽變質(zhì)的過冷度和Ba元素變質(zhì)的過冷度相近。可以認(rèn)為，在45 min之前鋁硅合金的變質(zhì)基本以Na元素的變質(zhì)為主導(dǎo)，而45 min之后鋁硅合金的變質(zhì)基本以Ba元素的變質(zhì)為主導(dǎo)。

圖1 Na-Ba聯(lián)合變質(zhì)硅鋁合金凝固曲線圖

圖2 圖1共晶凝固平臺局部放大圖

這個(gè)結(jié)論與之前對比Na鹽變質(zhì)劑與Na-Ba聯(lián)合變質(zhì)劑變質(zhì)效果所得出來的結(jié)論基本一致。有學(xué)者認(rèn)為［8、9］Ba元素變質(zhì)時(shí)所產(chǎn)生的的過冷度是4 ℃～5 ℃，可以觀察到105 min時(shí)過冷度在4 ℃左右，而在125 min時(shí)過冷度降到了3 ℃，故可以認(rèn)為Na-Ba聯(lián)合變質(zhì)劑的有效時(shí)間可達(dá)105 min以上，而不超過125 min。由于Ba元素變質(zhì)產(chǎn)生的過冷度較小，為了獲得較良好的變質(zhì)組織，使用Ba元素變質(zhì)時(shí)為了獲得較大的冷卻速度，最好使用金屬型鑄造。

3 金相組織分析

通過對試驗(yàn)中加入變質(zhì)劑后不同時(shí)間點(diǎn)（未變質(zhì)、15、85、125 min）的取樣，觀察其組織來評價(jià)合金的變質(zhì)效果如圖3、圖4所示，從圖中可以看到，到85～125 min鋁硅合金的硅相組織開始慢慢變粗，Na-Ba聯(lián)合變質(zhì)劑的細(xì)化效果開始逐漸變?nèi)酢D4中可以更加明顯地看出硅相組織的形狀明顯向板條狀方向轉(zhuǎn)變，圖中共晶硅尺寸長大，硅相明顯變粗，到了125 min可以看出變質(zhì)效果衰退較明顯。從試驗(yàn)中所記錄的過冷度（表1）可以看出125 min時(shí)變質(zhì)效果衰退較明顯，但仍存在一定的變質(zhì)效果。相較于Na鹽變質(zhì)劑，加入Ba元素可以延長變質(zhì)效果的有效時(shí)長，Na-Ba聯(lián)合變質(zhì)劑的有效時(shí)間達(dá)到了125 min左右，而Na鹽變質(zhì)劑則在45 min左右就開始失效。這說明了Ba元素是一種有效的長效變質(zhì)元素，與Na鹽共同使用可以較好地彌補(bǔ)各自的缺點(diǎn)，Na加入后較快的變質(zhì)效果消除Ba元素變質(zhì)的潛伏期，而鋇的加入使合金的變質(zhì)效果能夠延長，克服了Na鹽變質(zhì)效果有效期短、衰退快的缺點(diǎn)。

圖3 鋁硅合金變質(zhì)后的金相組織

4 復(fù)合變質(zhì)劑的組成及吸氣傾向

復(fù)合變質(zhì)劑的基本成分是由三元鈉鹽變質(zhì)劑與一定比例的鋇鹽和清渣劑，根據(jù)不同的需要按著不同的配比混合。

圖4 鋁硅合金變質(zhì)后的金相組織

復(fù)合變質(zhì)劑由于加入了鋇鹽使鋁液的吸氣傾向增加，在實(shí)際的使用中注意合金液的除氣處理，表2所示是使用復(fù)合變質(zhì)劑與單純的鈉鹽變質(zhì)劑處理鋁合金液時(shí)的密度變化。

表2 不同變質(zhì)工藝鋁液含氣量的密度檢測 g/cm3

由表中的數(shù)據(jù)可以看出，使用復(fù)合變質(zhì)劑比鈉鹽變質(zhì)劑具有更強(qiáng)的吸氣傾向，所以要注意合金液的精煉除氣處理，尤其對于頻繁澆鑄的小型鑄件，對合金液面破壞次數(shù)多，吸氣傾向更大。這也是含鋇復(fù)合長效變質(zhì)劑在未來發(fā)展中需要解決的實(shí)際問題。

5 結(jié)語

(1)采用Na-Ba聯(lián)合變質(zhì)劑對鋁硅合金進(jìn)行變質(zhì)處理，變質(zhì)效果與鈉鹽變質(zhì)效果相近，在變質(zhì)處理后5~15 min變質(zhì)效果最好，但鋇鹽的加入延長了變質(zhì)處理的有效期，在變質(zhì)處理后120 min內(nèi)保持合金液的變質(zhì)效果，與單一鈉鹽變質(zhì)處理相比，變質(zhì)效果有效期提高1倍，提高了鋁硅合金液的有效使用時(shí)間。

(2)采用氬氣旋轉(zhuǎn)噴吹精煉方法與Na-Ba聯(lián)合變質(zhì)劑配合使用，可有效地降低變質(zhì)處理后合金液的含氣量，提高合金液的質(zhì)量，但合金液仍然具有較強(qiáng)的吸氣傾向，在使用時(shí)應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)控合金液的含氣量變化，以保證鑄件的質(zhì)量。

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Experimenting study of the modifi er by combining Na with Ba salt

GUO ShiYi ,YANG Liang,LIU MingZhe,YAN Zhu,ZHAO ZhongXing
(Shenyang Ligong Universerty, Shenyang 110168, Liaoning,China)

According to the characteristic of rapid fading by the effect of Na modifi er in Al-Si alloy and the problem of incubating period with Ba modifi er, in this paper, the experimenting effect of the modifi er by combining Na and Ba salt is studied with ZL106 alloy. The experiment results show that the modifi er by combining Na and Ba salt have better modifying effect and longer modifying time without fading and incubating period, which changes the structure of eutectic silicon with bulky fl ake or needle into a tiny short rods or fi brous.

modifi er; combining Na and Ba salt;fading time;incubating period

TG146.2；

A；

1006-9658（2017）04-0019-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.04.005

項(xiàng)目來源：遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（編號:C1151001）

2017-03-19

稿件編號:1703-1705

郭世義（1992—），男，主要研究方向是鋁合金金屬的開發(fā)研究工作;通訊作者：趙忠興（1963—），男，教授，研究方向是鋁合金金屬的開發(fā)研究工作.