李兆健

（合肥工業(yè)大學(xué)，安徽合肥 230009）

鋁合金以其良好的力學(xué)性能(較高的比強(qiáng)度、比剛度）和優(yōu)良的鑄造性能 ,在工業(yè)中被廣泛應(yīng)用 ,是汽車、造船、航空、航天及其他制造行業(yè)的重要結(jié)構(gòu)材料。如在汽車工業(yè)中運(yùn)用鋁合金取代鐵合金能起到減輕自重 ,提高功率質(zhì)量比 ,達(dá)到節(jié)能、高速、高效的目的[1-4]。但是鑄造中經(jīng)常出現(xiàn)粗大的初晶硅相，嚴(yán)重妨礙了鋁硅合金的力學(xué)性能。因此，除了在澆鑄過(guò)程中控制澆鑄的條件、加精煉劑除渣、除氣外，還可以添加變質(zhì)劑對(duì)鋁硅合金進(jìn)行細(xì)化處理，來(lái)達(dá)到細(xì)化晶粒的目的，從而進(jìn)一步提高其力學(xué)性能[5]。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)的材料主要有工業(yè)純鋁（99.7%），ZL102（含硅量12%），鋁銅合金（含銅量40%），純鋅，鋁錳合金（含錳量10%）。由于鋁合金在熔煉過(guò)程中有產(chǎn)生氣孔的強(qiáng)烈傾向，進(jìn)而導(dǎo)致縮孔、縮松的缺陷，而且容易產(chǎn)生氫化夾雜。為了去除氣體和防止氫化夾雜，需加入精煉劑對(duì)合金進(jìn)行精煉，本實(shí)驗(yàn)采用六氯乙烷做為精煉劑,表1為未加變質(zhì)劑前合金的成分。

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)加入三種不同的變質(zhì)劑來(lái)比較不同的變質(zhì)劑對(duì)鋁合金的細(xì)化效果。三種不同的變質(zhì)劑為 RE（鑭鈰混合稀土），Al-Ti-B，Al-Sc合金（含w(Sc)量2%）。實(shí)驗(yàn)選用的稀土和鋁鈦硼變質(zhì)劑均來(lái)自于徐州華中鋁業(yè)有限公司。

表1 合金未變質(zhì)前的成分

1.2 試驗(yàn)方法

將預(yù)先配好的金屬材料，在坩堝電阻爐中進(jìn)行熔煉，按照熔點(diǎn)由低到高依次加入金屬及合金，升溫至750℃待所有金屬熔化后充分?jǐn)嚢?，加入六氯乙烷精煉除氣，靜置1～2 min扒渣，保溫5 min，加入Mg并保溫10 min，然后分別加入三種不同的變質(zhì)劑，靜置、扒渣，在700℃保溫10 min，然后澆注到尺寸?20 mm×80 mm的鋼模中冷卻至室溫。

在各個(gè)試樣同一位置截取10 mm×10 mm×20 mm的試樣，在砂輪機(jī)上粗磨后，利用金相砂紙從60號(hào)磨到800號(hào)，再進(jìn)行機(jī)械拋光、腐蝕、吹干。腐蝕液為0.5%的HF水溶液。在光學(xué)顯微鏡下觀察顯微組織，并拍取金相照片。

將上述試樣的兩個(gè)斷面打磨平行，對(duì)試樣的維氏硬度進(jìn)行測(cè)試。每個(gè)試樣測(cè)試三個(gè)點(diǎn)，所用載荷為3.5 kg，壓頭直徑為5 mm，保壓時(shí)間為15 s。卸除載荷利用顯微鏡測(cè)得的壓痕直徑，計(jì)算出試樣的硬度值，并求其平均值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 變質(zhì)劑對(duì)合金力學(xué)性能的影響

合金未變質(zhì)前及經(jīng)過(guò)三種變質(zhì)劑的變質(zhì)處理后的維氏硬度（HV）如圖1示。

圖1 變質(zhì)處理對(duì)合金力學(xué)性能的影響

由圖1可以看出，分別經(jīng)過(guò)變質(zhì)處理的合金硬度均比未經(jīng)變質(zhì)處理的合金硬度要高，其中，經(jīng)鋁鈦硼變質(zhì)的合金硬度最大，但是三種變質(zhì)處理的合金硬度差別不是很大。

2.2 變質(zhì)劑對(duì)合金組織的影響

（1）未經(jīng)變質(zhì)處理的合金微觀組織

圖2為未經(jīng)變質(zhì)處理的合金的金相組織，由圖可以看出，鋁硅合金是以共晶組織為基體，而初晶硅則分布在較軟共晶組織之上。共晶組織由共晶Al和共晶Si組成，其中的共晶Si呈細(xì)長(zhǎng)的針狀，且在一定的區(qū)域內(nèi)，針片狀的共晶硅是互相平行的，它分布在共晶組織之中。如圖，未經(jīng)變質(zhì)處理的合金的晶粒比較粗大，初晶硅呈現(xiàn)不規(guī)則的多邊形，且邊緣比較鋒利。因而，合金的力學(xué)性能與變質(zhì)處理過(guò)的合金有很大的差別。

圖2 未變質(zhì)的合金的微觀組織

（2）經(jīng)RE變質(zhì)處理的合金微觀組織

圖3為經(jīng)過(guò)稀土變質(zhì)處理的合金金相組織，與未經(jīng)過(guò)變質(zhì)處理的合金相比，合金的組織明顯得到了細(xì)化，這主要是由于稀土元素原子半徑較大，在溶質(zhì)擴(kuò)散過(guò)程中擴(kuò)散速度慢，隨著晶粒的長(zhǎng)大，在晶粒生長(zhǎng)表面富集了稀土元素層，阻礙減慢了初生α-Al相和Si相的生長(zhǎng)，從而細(xì)化了晶粒，提高了合金的力學(xué)性能。

（3）經(jīng)Al-Ti-B變質(zhì)處理的合金微觀組織

圖3 經(jīng)0.4%稀土變質(zhì)的合金的微觀組織

圖4為經(jīng)過(guò)Al-Ti-B變質(zhì)處理的合金金相組織，通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，合金的組織進(jìn)一步得到了細(xì)化，且與稀土變質(zhì)的合金組織相比，晶粒多是以等軸晶的形式存在。這主要是由于TiAl3、AlB2和TiB2彌散在鋁熔體中，通過(guò)這些金屬化合物影響α-Al形核及生長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)化晶粒。

圖4 經(jīng)0.7%的Al-Ti-B變質(zhì)的合金的微觀組織

（4）經(jīng)Al-Sc變質(zhì)處理的合金的微觀組織

圖5為經(jīng)過(guò)鋁鈧變質(zhì)處理的合金金相組織，與未變質(zhì)的合金相比，組織得到了進(jìn)一步的細(xì)化，且與Al-Ti-B變質(zhì)過(guò)的合金相比，組織不再是按照一定的方向進(jìn)行排列的等軸晶，而是呈纖維狀無(wú)方向性的排列，因而組織性能得到了極大的提高。

圖5 經(jīng)過(guò)0.2%Sc變質(zhì)的合金的微觀組織

3 結(jié)論

（1）RE、Al-Ti-B和Al-Sc都是以改變硅相的形態(tài)來(lái)達(dá)到變質(zhì)處理的目的的。

（2）不同的變質(zhì)劑變質(zhì)的效果不同，在考慮到鑄態(tài)組織的硬度和合金的金相組織細(xì)小程度的基礎(chǔ)上，認(rèn)為鋁鈧合金的變質(zhì)效果最佳，Al-Ti-B次之，RE的變質(zhì)效果最差。

[1]馮菁菁.擠壓處理及熱處理對(duì)LM28組織和性能的影響[J].熱加工工藝,2011，40(6)：167-169.

[2]黃韋.鑭鈰混合稀土對(duì)ZL401組織和性能的影響[J].金屬加工，2013(01).

[3]劉云,任子清,姚衡.微量鈧對(duì)ZAlSi7Cu2Mg合金鑄態(tài)組織與性能的影響[J].熱加工工藝，2012,41(19).

[4]李志揚(yáng),倪紅軍,汪興興，等.鋁鈦硼稀土細(xì)化劑的組織特點(diǎn)[J].鑄造技術(shù),2012(1).

[5]易榮喜，謝世坤，潘曉亮，等.稀土對(duì)AlSi7合金半固態(tài)性能的影響[J].熱加工工藝，2009,38(3).