左李慶

摘 要：介紹了鑄造鋁合金熱分析原理， 主要研究了鑄造鋁合金晶粒度和共晶組織變質(zhì)的熱分析特征，選擇和測定了冷卻曲線上的 ΔTl ， t R和 ΔTE ， te 兩組特征點， 提出了鑄造鋁合金晶粒細化和共晶硅變質(zhì)程度的判據(jù)，為熱分析法鑄造鋁合金質(zhì)量控制提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鑄造鋁合金；熱分析；冷卻曲線

一、試驗原理

鑄造鋁合金熱分析是測定某種合金在一標定狀態(tài)下的冷卻曲線，將此曲線作為標準確定能夠反映合金質(zhì)量的特征點，然后在鑄造現(xiàn)場測量工作合金的冷卻曲線，對應(yīng)標準曲線計算特征點的變化差值，從而反映測量合金與標定合金的質(zhì)量差別，判斷被測量合金的質(zhì)量，力求通過對一個試樣的測量，在計算機數(shù)據(jù)庫的輔助下，利用傳統(tǒng)差熱分析的原理，進行鑄造鋁合金的在線質(zhì)量檢測，進而實現(xiàn)鑄造鋁合金的在線質(zhì)量控制。

二、試驗材料及試驗方法

1.合金熔煉

試驗合金在75kg坑式電阻爐中熔化，合金采用旋轉(zhuǎn)葉輪混合氣體（Cl2+N2）法在730～740℃精煉15～20min，澆注溫度710～720℃。使用AlTi3B中間合金在740～750℃進行晶粒細化處理，中間合金加入量根據(jù)試驗需要按硼元素占試驗合金質(zhì)量分數(shù)分多次加入，每次加入中間合金后攪拌10min，精煉處理后重復(fù)進行熱分析試驗，進行對比分析；共晶硅變質(zhì)處理采用AlSr10中間合金和鈉鹽進行對比試驗，鍶元素加入量占合金重量的0.06%，三元鈉鹽變質(zhì)劑的加入量占合金重量的2.5%，加入變質(zhì)劑后保溫一定時間，定時進行合金變質(zhì)效果的熱分析測量，檢測鍶元素的長效變質(zhì)作用和鈉元素的變質(zhì)衰退特征。

2.熱分析設(shè)備

試驗采用DTA-QⅣ型微分-潛熱熱分析儀。采用專用模具制造的砂型樣杯，保證樣杯的熱物理參數(shù)穩(wěn)定一致，樣杯中熱電偶的設(shè)置如，為熱電偶設(shè)計了保護套管，主要目的是重復(fù)使用熱電偶，保證重復(fù)試驗的一致性。熱電偶采用高精密度的偶絲制成，并在400～700℃試驗溫度范圍內(nèi)準確標定，整個熱分析系統(tǒng)的測量誤差小于±0.4℃。

三、試驗結(jié)果及分析

1.合金的熱分析曲線

試驗測定的ZL101A合金典型熱分析曲線和組織特征，對應(yīng)的特征。

2.晶粒細化的熱分析結(jié)果

試驗表明，不添加晶粒細化劑的合金晶粒粗大，在冷卻曲線的初晶部分出現(xiàn)較大的初晶過冷度ΔTl和較長的初晶過冷期tR。合金中添加晶粒細化劑后，合金晶粒變細，冷卻曲線的ΔTl和tR變小，甚至為零，合金的初晶溫度Tl稍微提高。在勻質(zhì)結(jié)晶過程中，合金結(jié)晶晶核由合金液中的晶胚發(fā)展而成，此時必須有一定過冷度ΔT才能促成合金液中的晶胚發(fā)展成為晶核，進而結(jié)晶凝固。當(dāng)大量同質(zhì)晶核形成時結(jié)晶潛熱釋放，使合金液溫度回升，溫度的升高阻止新晶核形成，合金液只能由相對少量的晶核長大結(jié)晶，此時合晶粒粗大。當(dāng)在合金液中加入足夠的晶粒細化劑，即在金屬開始結(jié)晶時，介穩(wěn)定的合金液中存在著大量固相質(zhì)點，當(dāng)這些質(zhì)點與合金液完全浸潤時，合金液中的晶胚可以依附在這些固相質(zhì)點上長大，此時不需要很大的過冷度ΔT合金液就可以結(jié)晶，在冷卻曲線上表現(xiàn)為（ΔT1※0tR※0），最終形成由相對大量的晶核長大的細晶粒，大量異質(zhì)晶核同時長大釋放的結(jié)晶潛熱促使合金液的初晶溫度稍有提高。試驗表明，鋁合金中加入鈦元素和硼元素產(chǎn)生與鋁合金良好浸潤的質(zhì)點，是很好的鋁合金晶粒細化劑。試驗過程中對應(yīng)合金的熱分析參數(shù)進行了合金晶粒尺寸的測量，并與美國鑄造協(xié)會（AFS）有關(guān)標準進行了對應(yīng)分析。

3.共晶硅變質(zhì)的熱分析結(jié)果

試驗表明，鍶元素和鈉元素對鋁硅合金的變質(zhì)效果相當(dāng)，鍶元素良好變質(zhì)作用的孕育期為30min，變質(zhì)持續(xù)時間超過6h，鈉元素的變質(zhì)衰退期小于1h。鑄造鋁硅合金加變質(zhì)劑后，共晶組織由不規(guī)則的針塊狀變?yōu)橐?guī)則的層片狀，冷卻曲線的共晶平臺有一定幅度的降低，出現(xiàn)由變質(zhì)引起的共晶溫度降低ΔTE和共晶平臺的長度即共晶期te延長。鋁硅共晶體生長時，Al界面前沿過冷度（0.02℃）遠低于Si界面前沿（1～2℃），故共晶鋁硅共晶體生長時，Al界面前沿過冷度（0.02℃）遠低于Si界面前沿（1～2℃），故共晶體兩相生長速度差異較大，生成不規(guī)則的形狀。合金中加入鍶（Sr）或鈉（Na）等變質(zhì)劑后，一方面消除了合金中存在的使硅形核的元素（如磷）的作用，另一方面使合金的結(jié)晶潛熱由95cal/g升高到100～103cal/g，這樣就改變了共晶Al-Si的生長方式。合金結(jié)晶潛熱的升高使共晶生長前沿溫度升高，抑制了生長前沿硅的生長，使鋁硅共晶組織形成較規(guī)則層片狀；由于共晶生長需要一定的過冷度，所以只有更低的共晶溫度才可以抵消共晶生長前沿的溫度回升，導(dǎo)致共晶溫度降低ΔTE的出現(xiàn)，結(jié)晶潛熱的升高使得在相同散熱條件下的結(jié)晶時間，即共晶期te延長。鑄造鋁合金共晶硅變質(zhì)的熱分析特征參數(shù)。

四、結(jié)論

（1）鑄造鋁合金熱分析曲線上的初晶過冷度ΔTl和初晶過冷期tR可用來評定合金晶粒細化程度。

（2）鑄造鋁合金熱分析曲線上的共晶溫度降低ΔTE和共晶期te可用來評定合金共晶硅變質(zhì)程度。

（3）鑄造鋁合金的熱分析特征值可以用于鑄造鋁合金質(zhì)量評定依據(jù)，鑄造鋁合金熱分析法質(zhì)量檢測具有快速準確的特點。