Sb、Te 變質(zhì)ZL114A 合金的長效性研究

薛永軍，張 偉

（山西汾西重工有限責(zé)任公司，山西太原 030027）

0 引言

ZL114A 合金以其比重小，比強度、比剛度高，鑄造性能優(yōu)良，在航空航天、船舶、兵器等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。由于ZL114A 合金中Si 含量比較高，屬于典型的亞共晶合金，其中板片狀的共晶硅嚴(yán)重制約了合金性能的發(fā)揮。通過變質(zhì)處理的方法來改變共晶硅的形貌，可以提高合金的力學(xué)性能。工業(yè)生產(chǎn)中普遍采用的是鈉鹽變質(zhì)、鍶變質(zhì)等，但鈉鹽變質(zhì)屬于短效變質(zhì)，變質(zhì)效果持續(xù)時間在30min 左右，鍶變質(zhì)屬于長效變質(zhì)，但變質(zhì)過程中吸氣傾向大[1]。Sb、Te 聯(lián)合變質(zhì)作為一種長效變質(zhì)劑，避免了鈉變質(zhì)和鍶變質(zhì)的不足。本文論述了Sb、Te 聯(lián)合變質(zhì)過程中靜置時間對變質(zhì)效果的影響，以及二次重熔后合金力學(xué)性能的變化。

1 試驗方法

首先將ZL114A 合金在坩堝電阻爐中熔化配制，待溫度達(dá)到720℃時，分別加Sb、Te 變質(zhì)劑，攪拌均勻，然后用環(huán)保精煉劑進行精煉，精煉劑加入量為0.3%～0.5%，精煉溫度控制在720～730℃，精煉時間20～25min。精煉完成后，鋁液分別靜置15min、30min、45min，采用差壓澆注工藝進行澆注，鑄型為砂型，澆注后的試樣分別標(biāo)記為試樣1#、試樣2#和試樣3#。澆注工藝參數(shù)如下：澆注溫度700～720℃，升液速率（40～50）mm/s，充型速率（50～60）mm/s，保壓壓差80～100kPa，保壓時間5～7min。澆注完成后，試樣進行T5 處理，工藝參數(shù)執(zhí)行GB/T1173-2013，淬火轉(zhuǎn)移時間≤15s。生產(chǎn)完成后的試樣經(jīng)過打磨、拋光，并經(jīng)HF 酸腐蝕后進行SEM掃描，并進行抗拉強度、屈服強度、硬度檢測。

將澆注完成后切割的澆注系統(tǒng)，坩堝底料進行二次重熔，不進行變質(zhì)處理，采用上述相同的工藝進行精煉及差壓澆注，鋁液靜置30min 后進行澆注，澆注完成的試樣標(biāo)記為試樣4#。

2 試驗結(jié)果

2.1 試樣化學(xué)成分分析

由于Be 元素的含量在(0～0.07)%,在滿足性能的情況下，Be 元素可以不添加，因此，試驗過程中沒有添加Be，也沒有對Be 元素進行檢測。

2.2 SEM 金相組織觀察

圖1 是以上試樣1#和試樣3#的SEM照片，放大倍數(shù)均為500 倍，從SEM照片可以看出，試樣1#的共晶硅沒有完全細(xì)化，有大量的棒狀共晶硅存在，但經(jīng)過固溶時效處理后尖角已經(jīng)明顯鈍化。試樣3#中共晶硅已經(jīng)完全顆?；?，短棒狀的共晶硅基本消失，都變?yōu)轭w粒狀，經(jīng)過固溶時效處理后，共晶硅尖角完全鈍化，表明靜置45min 后，變質(zhì)效果達(dá)到最佳。

圖1 試樣1#和3#的SEM 照片（500 倍）

圖2 為試樣4#的SEM照片，放大倍數(shù)為500倍，從圖中可以看出，經(jīng)過二次重熔后，顆粒狀的共晶硅依然為顆粒狀，合金的變質(zhì)效果沒有減退，依然良好。

圖2 試樣4#的SEM 照片（500 倍）

2.3 力學(xué)性能測試

試樣的抗拉強度和延伸率測試結(jié)果見表2。從表2 可以看出，隨著靜置時間的延長，抗拉強度從15min 時的278MPa，增加到了45min 時的326MPa，并且在合金一次重熔后，抗拉強度沒有明顯的下降趨勢。而合金的延伸率從15min 時的1.5%，增加到了45min 時的4.5%，并且在合金一次重熔后，合金的延伸率保持穩(wěn)定。

表1 試樣化學(xué)成分 w/%

表2 力學(xué)性能測試結(jié)果

3 分析與討論

Sb、Te 變質(zhì)過程中，Sb 能夠形成鋁熔體中共晶硅的異質(zhì)形核核心，增加共晶硅結(jié)晶凝固的過冷度，共晶硅將以纖維狀和板片狀之間的中間狀態(tài)生長，能夠使共晶硅變得細(xì)小。Te 的作用是阻礙Si 的側(cè)向生長，在Si 相前沿富集，有選擇的吸附，最后進入晶體產(chǎn)生孿晶，使共晶硅的生長產(chǎn)生分枝，從而細(xì)化共晶硅[2]。

Sb 的熔點630.5℃，Te 的熔點450℃，在兩者變質(zhì)ZL114A 的過程中，低熔點的Te 在720℃的鋁液中能夠在較短時間內(nèi)溶解，發(fā)揮變質(zhì)作用，但Sb 的熔點較高，其完全溶解，彌散分布于鋁合金熔液中，是一個原子溶解擴散的過程，需要較長的時間，而且溶解后的Sb 要完全發(fā)揮變質(zhì)作用，還需要一定的孕育期。因此決定Sb、Te 聯(lián)合變質(zhì)的最佳效果主要靠高熔點的Sb 的完全溶解。

隨著時間的延長，達(dá)到30min 時變質(zhì)合金的晶粒較15min 時進一步細(xì)化，但仍有少量的短棒狀的共晶硅存在。所以30min 時變質(zhì)效果仍沒有達(dá)到最佳。在隨著時間的延長，Sb 的變質(zhì)作用完全發(fā)揮，變質(zhì)效果達(dá)到了最佳，而且變質(zhì)作用沒有衰退現(xiàn)象，這也證實了Sb、Te 變質(zhì)具有長效性。

材料的抗拉強度以及延伸率的測試結(jié)果與SEM照片中晶粒形貌的分析結(jié)果相吻合。合金的抗拉強度在15min 時為278MPa，隨著時間的延長抗拉強度呈上升趨勢，到45min 時達(dá)到326MPa，并且二次重熔后，抗拉強度為325MPa，沒有下降。延伸率的測試結(jié)果與抗拉強度變化趨勢相一致。

ZL114A 經(jīng)過Sb、Te 變質(zhì)后，經(jīng)過差壓鑄造工藝進行鑄造及T5 處理后，合金的力學(xué)性能優(yōu)于GB/T1173。

4 結(jié)論

（1）Sb、Te 聯(lián)合變質(zhì)能夠細(xì)化ZL114A 的共晶硅，提高合金的力學(xué)性能，合金差壓鑄造條件下的力學(xué)性能優(yōu)于GB1173-2013。

（2）Sb 變質(zhì)劑存在較長的孕育期，變質(zhì)效果在45min 左右達(dá)到最佳。

（3）Sb、Te 聯(lián)合變質(zhì)ZL114A 合金，二次重熔后合金的金相組織及力學(xué)性能良好，變質(zhì)效果沒有明顯衰退現(xiàn)象。