高強(qiáng)ZL101A復(fù)雜承載鑄件變質(zhì)與性能優(yōu)化研究

王曉明 劉鵬 孫厚禮

摘?要：針對(duì)ZL101A合金以及鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及性能要求，開展了ZL101A合金的綜合性能優(yōu)化。本文從變質(zhì)工藝、熔體處理、晶粒細(xì)化等3個(gè)方面進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：采用Sr變質(zhì)，結(jié)合六氯乙烷與氬氣旋轉(zhuǎn)噴吹復(fù)合精煉，可有效提升ZL101A合金的綜合力學(xué)性能，生產(chǎn)的鑄件本體切取力學(xué)性能最高可達(dá)σb≥320MPa，σp0.2≥270MPa，δ5≥10%。

關(guān)鍵詞：ZL101A合金；變質(zhì)處理；晶粒細(xì)化

中圖分類號(hào)：TB?????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??????doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.10.080

1?概述

鋁合金鑄件由于質(zhì)量輕，比強(qiáng)度高，使得鋁合金鑄件在航空、航天、兵器及高鐵等行業(yè)的需求量越來(lái)越大。隨著高速磁浮交通的發(fā)展，鑄鋁件的需求量將逐漸擴(kuò)大，時(shí)速600km/h的運(yùn)營(yíng)時(shí)速對(duì)鑄鋁件的綜合服役表現(xiàn)也提出了更高的要求。高速磁浮鑄鋁件具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、薄壁異形的特點(diǎn)，傳統(tǒng)鑄造工藝難以滿足其內(nèi)部質(zhì)量和本體性能要求。而鋁硅系鑄造鋁合金的變質(zhì)處理效果直接關(guān)系鑄鋁件內(nèi)部質(zhì)量和本體性能。

工程上采用Sr、Na/K等堿土金屬對(duì)亞共晶硅鑄造鋁合金變質(zhì)已有近50年，國(guó)外在相關(guān)方面的研究較國(guó)內(nèi)早，也更全面。Na（K）元素的有效變質(zhì)時(shí)間較短，一般不超過(guò)30分鐘，且鈉、鉀鹽對(duì)坩堝、天車等金屬制件腐蝕明顯，因不適用于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)已慢慢淘汰。Sr元素的有效變質(zhì)時(shí)間可達(dá)到6小時(shí)，在20世紀(jì)80-90年代被廣泛采納，但由于其吸H（氫）傾向大且回爐料無(wú)法重復(fù)利用，國(guó)外工業(yè)體系已逐漸淘汰Sr元素變質(zhì)。目前，關(guān)于Sr造成熔體吸氫的原因暫未達(dá)成共識(shí)，部分學(xué)者認(rèn)為Al-Sr中間合金存在Sr-H化合物，在后續(xù)熔煉造成析氫；也有學(xué)者認(rèn)為Sr元素易吸水氧化，造成熔體吸氫。

本文以高速磁浮關(guān)鍵承載復(fù)雜鑄件托臂為對(duì)象，針對(duì)傳統(tǒng)的Sb（銻）、Na（鈉）、Sr（鍶）三種有代表性的變質(zhì)效果進(jìn)行研究，通過(guò)優(yōu)化Sr（鍶）變質(zhì)工藝提升鑄件內(nèi)部組織及本體性能。

2?Sb（銻）變質(zhì)鑄件

圖1為經(jīng)Sb（銻）變質(zhì)的金相組織。依據(jù)前期生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)Sb（銻）元素添加量為0.1%時(shí)，共晶硅變質(zhì)效果最好，當(dāng)Sb（銻）超過(guò)0.12%時(shí)，共晶硅開始粗化長(zhǎng)大?？梢钥闯?，微觀組織由性質(zhì)不同的α-Al相和共晶Si相組成，α-Al相有較好的塑性，Si相屬脆性相，為典型的兩相合金。

經(jīng)Sb（銻）變質(zhì)的共晶硅呈針狀和板片狀，因其受冷卻速度的影響較大，采用砂鑄生產(chǎn)的鑄件變質(zhì)效果一般，局部仍存在較粗大的片狀共晶硅組織。經(jīng)對(duì)比JB/T?7946.1-2017標(biāo)準(zhǔn)，Sb（銻）變質(zhì)組織屬于變質(zhì)不充分級(jí)別。

經(jīng)鑄件本體取樣檢測(cè)，Sb（銻）變質(zhì)后鑄件的力學(xué)性能波動(dòng)較小，抗拉強(qiáng)度為267-287MPa，屈服強(qiáng)度為235-247MPa，延伸率為2.0-3.5%。強(qiáng)度指標(biāo)較高，延伸率較低。

圖2為Sb（銻）變質(zhì)鑄件的本體拉伸斷口?？梢钥闯?，該視場(chǎng)區(qū)域未見疏松、針孔或夾雜類缺陷。拉伸斷口呈現(xiàn)較多撕裂棱，大部為準(zhǔn)解理臺(tái)階，少數(shù)表現(xiàn)出拉長(zhǎng)的韌窩，但韌窩尺寸較小且較淺，合金具有一定的塑性。

3?Na（鈉）變質(zhì)鑄件

圖3為采用Na（鈉）變質(zhì)的ZL101A合金微觀組織?？梢钥闯?，試樣中存在明顯的發(fā)氣引起的疏松（孔洞）缺陷。局部放大可以看出，有效變質(zhì)區(qū)域共晶硅均呈現(xiàn)細(xì)小的球化共晶硅顆粒，這是由于在鋁液溫度降低到液相線附近時(shí)，微溶于Al中的Na（鈉）元素開始析出，形成高度彌散的Na（鈉）膠狀質(zhì)點(diǎn)，它們可吸附于硅的晶核表面，形成一層Na（鈉）的薄膜，阻礙硅晶體長(zhǎng)大，使硅結(jié)果過(guò)冷度增加。

圖4為采用Na變質(zhì)的ZL101A合金斷口組織?？梢钥闯?，試棒斷口整體疏松較多，分布在試棒外部和內(nèi)部；同時(shí)，可觀察到未熔的Na鹽存在，這對(duì)試棒的力學(xué)性能和疲勞性能有較大影響。

4?Sr（鍶）變質(zhì)

圖5為常規(guī)工藝采用Sr（鍶）變質(zhì)工藝的鑄件微觀組織，Sr添加量為0.04%?？梢钥闯?，鑄件晶粒尺寸約150μm，與Sb（銻）變質(zhì)的晶粒尺寸接近。

此外，可以看到鑄件中存在粗大的枝晶組織和大量的孔洞、疏松，Sr（鍶）變質(zhì)易造成熔體吸氣，導(dǎo)致鑄件內(nèi)部出現(xiàn)超標(biāo)針孔和疏松缺陷。此外，可以看到，經(jīng)Sr（鍶）變質(zhì)后，共晶硅的尺寸明顯細(xì)化，由Sb（銻）變質(zhì)的針孔（或板狀）改善為球狀或短棒狀。不論是針孔或是疏松，均會(huì)在孔洞的表面形成氧化膜，氧化膜充當(dāng)一種雜質(zhì)，與基體結(jié)合往往不緊密，在外應(yīng)力存在條件下，這些缺陷（氣孔、氧化物等）起到了缺口作用，會(huì)在周圍引起應(yīng)力集中，嚴(yán)重影響疲勞性能。

因Sr變質(zhì)有效周期長(zhǎng)，共晶硅球化效果好，Sr變質(zhì)鑄件組織更均勻，綜合考慮工程化應(yīng)用便捷性，本項(xiàng)目選擇以Sr變質(zhì)為研究對(duì)象，在此基礎(chǔ)上對(duì)熔體處理和鑄件內(nèi)部質(zhì)量提升進(jìn)行研究。

5?低發(fā)氣量Sr（鍶）變質(zhì)與性能優(yōu)化

在ZL101A合金中加入微量Sr（鍶）變質(zhì)，無(wú)論是Sr（鍶）以破壞表層氧化膜或是以易吸附[H]原子造成熔體吸氣機(jī)理為主導(dǎo)，這都會(huì)導(dǎo)致鑄件中針孔、氣孔和疏松等內(nèi)部缺陷的增加。因此，研究Sr（鍶）變質(zhì)的去氣化十分重要。

對(duì)于鋁合金熔體凈化，最常見、有效的工藝是采用C2Cl6精煉，其精煉作用是氯化鋁氣泡吸附熔液中的氣體和懸浮在熔液中的固態(tài)夾雜物。圖6為在熔煉工藝改善前、后的試塊斷口情況。圖6a為經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%精煉劑（C2Cl6）精煉后的斷口，可以看出精煉后的熔體斷口呈灰色，且斷面存在明顯的大尺寸白點(diǎn)（針孔）和少量黑色夾雜。圖6b為增加30%精煉劑（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.78%），然后采用高純氬氣噴吹處理（噴吹20min）后，然后進(jìn)行真空抽氣的斷口?？梢钥闯?，加強(qiáng)精煉后，斷面白點(diǎn)（針孔）數(shù)量明顯減少且白點(diǎn)尺寸明顯變小，熔體冶金質(zhì)量提升明顯。

圖7為采用熔體優(yōu)化處理工藝后Sr（鍶）變質(zhì)的鑄件本體金相組織。可以看出，相對(duì)于Sb（銻）變質(zhì)而言，采用Sr（鍶）變質(zhì)可以有效球化、細(xì)化共晶硅組織，共晶硅多呈短棒狀和球狀，晶粒尺寸約70μm。此外，經(jīng)熔體優(yōu)化工藝處理、熱處理調(diào)控工藝處理（后面詳細(xì)闡述）后，基體中的針孔、疏松缺陷明顯減少。

經(jīng)測(cè)試，優(yōu)化工藝后鑄件本體拉伸力學(xué)性能達(dá)到σb≥320MPa，σp0.2≥270MPa，δ5≥10%。

6?結(jié)語(yǔ)

（1）針對(duì)傳統(tǒng)鑄造工藝，Sb變質(zhì)、Na變質(zhì)不適用于大型復(fù)雜承載結(jié)構(gòu)件，Sb變質(zhì)鑄件存在組織變質(zhì)不足問(wèn)題，Na變質(zhì)有效期短、鑄件組織不均勻，以上對(duì)鑄件性能均有不利影響；（2）相比Sb變質(zhì)，Na變質(zhì)、Sr變質(zhì)后的共晶硅變質(zhì)效果最好，添加一定量的Sr后，共晶硅組織呈細(xì)小、短棒狀，但容易造成熔體吸氣，基體中存在明顯針孔和疏松；（3）Sr變質(zhì)更適用于高強(qiáng)ZL101A復(fù)雜承載鑄件研制與生產(chǎn)，采用六氯乙烷+旋轉(zhuǎn)噴吹可有效減少熔體中的氫含量，減少鑄件吸氫，可大幅提升鑄件內(nèi)部質(zhì)量和力學(xué)性能。

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