硼細化處理方法對鑄造鋁硅合金組織和性能的影響

(西安工業大學，陜西西安 710032)

硼細化處理方法對鑄造鋁硅合金組織和性能的影響

劉志學，李偉偉，程巨強

(西安工業大學，陜西西安 710032)

采用硼鹽作為細化劑，研究了鐘罩法、切鹽法和攪拌法三種不同細化處理方法對鑄造鋁硅合金組織和性能的影響。結果表明，三種不同的加入方法均能細化鋁硅合金的鑄態組織，硼鹽細化處理可以減小鋁硅合金鑄態組織中粗大的α枝晶和共晶硅β相的尺寸，細化組織。采用鐘罩法細化處理后，實驗材料的鑄態組織中α枝晶尺寸最小,細化效果好，力學性能最佳，攪拌法次之，切鹽法的處理效果較差。不同方法細化處理后的試樣進行T6熱處理后，實驗材料組織由α+β相組成，β相由鑄態的短片狀變為均勻彌散分布的顆粒狀，分布在α相界面，T6熱處理改善了實驗材料的組織和力學性能。

鑄造鋁硅合金；細化處理方法；組織和性能；熱處理

細化或變質處理是鑄造鋁合金生產中廣泛應用的細化鑄件組織和改善力學性能方法之一。在細化處理的工藝中主要的控制因素有細化劑種類[1～4]、細化劑加入量、細化處理溫度、細化處理保溫時間及細化劑加入方法等。從目前研究文獻資料來看，細化劑或變質劑種類對鑄造鋁合金組織和性能方面的研究文獻較多，而其他細化工藝的控制因素研究文獻較少，對于鹽類細化劑，鑄造鋁合金細化處理的方法主要有鐘罩法、切鹽法、攪拌法和液-液混合法等[5]，但這些細化處理方法對實驗材料組織和力學性能方面影響的文獻較少，而細化劑的加入方法對細化劑的細化效果有著重要的影響。因此，本文以硼鹽為細化劑，研究了鐘罩法、切鹽法、攪拌法三種不同的細化劑處理方法對鑄造鋁硅合金細化效果和性能的影響，為實際生產提供實驗依據。

1 實驗材料及其過程

試驗材料的牌號為ZL101。不同細化處理的金屬液熔煉分別用石墨坩堝在井式感應爐中進行。實驗過程為，先熔化ZLD101合金錠，熔化后溫度在720 ℃時，用0.5%的C2Cl6進行精煉處理，精煉保溫靜置時間為10 min。分別用鐘罩法、攪拌法、切鹽法對熔液進行變質處理。鐘罩法處理方法為用鋁殼將硼鹽包好，分別用鐘罩壓入鋁液中進行攪拌，攪拌法處理方法為待溶液精煉處理后直接將細化劑硼鹽倒入鋁熔液中進行攪拌，切鹽法處理方法在精煉后將細化劑直接倒入鋁熔液中，待細化劑在熔液表層結殼后，再壓入鋁熔液中進行攪拌。三種變質方法變質劑均采用KBF4，折合成B的加入量為0.04%，細化處理后保溫靜置時間為10 min，鋁液溫度在710～720 ℃時，澆注直徑為8 mm金屬模型試樣，金屬型試樣模具預熱溫度為200 ℃。實驗材料T6熱處理工藝538±5 ℃×5 h+180±5 ℃×4 h。力學性能試驗用CMT10kW電子萬能材料實驗機。金相組織觀察用NIKNO NEIPHOT-30型顯微鏡，組織腐蝕液為0.5%HF水溶液，α相晶粒尺寸的確定是參考相關標準采用截點法進行平均值計算。

2 實驗結果及分析

2.1 三種加入方法對實驗材料組織的影響

圖1為不加硼和不同加入方法加入硼鹽細化處理后鋁硅合金的鑄態組織。從圖看出，未加硼細化處理的鑄態組織為α、（α+β）共晶體，α相枝晶粗大，其平均晶粒尺寸為31 μm，共晶體組織的β相呈較長的針狀分布在α相枝晶間，組織粗大（圖1.a）。采用硼細化劑，不同細化處理方法加入后的鑄態組織也為α+（α+β）共晶組織，與未加硼細化的鑄態組織相比，均有不同程度的細化，表現為α相和β共晶硅枝晶尺寸的減小，細化處理后的β相呈短片或點狀分布在α相枝晶間，其中鐘罩法處理后的鑄造鋁硅合金組織中α相晶粒尺寸平均為19 μm（圖1.b），細化效果最好，攪拌法處理后鑄造鋁硅合金的α相平均晶粒尺寸為25 μm（圖1.c），切鹽法處理后鑄造鋁硅合金的α相平均晶粒尺寸為26 μm（圖1.d）。通過組織對比可以看出，采用鐘罩法加入硼鹽處理后實驗材料組織細化程度最佳。

圖1 不同方法細化處理后實驗材料的鑄態組織

圖2 為采用不同方法加入硼鹽細化處理，及T6熱處理后鑄造鋁硅合金的組織。不同方法加入硼鹽細化處理和T6熱處理后，鑄造鋁硅合金的組織均為α+β，其中白色相為α相基體，在α相界面分布的點狀的相為共晶硅，組織中的點狀硅相是鑄態組織中的針狀或者點狀共晶硅在固溶加熱時沒有完全溶解的共晶硅或時效過程析的硅相。由圖可以看出，T6熱處理處理后，采用鐘罩法細化處理的實驗材料組織中α相枝晶的尺寸（圖2.a）比采用攪拌法（圖2.b）和切鹽法（圖2.c）細化處理的細小。

2.2 三種細化處理方法實驗材料的力學性能

圖3和圖4分別是采用不同細化劑加入方法對鋁硅合金進行處理后，實驗材料的鑄態和T6熱處理態的抗拉強度和延伸率變化。

圖2 不同方法處理和T6熱處理后實驗材料的組織

由圖可以看出，采用鐘罩法加入硼鹽細化處理后，鋁硅合金的鑄態和T6熱處理態的性能最佳，攪拌法次之，切鹽法較低。采用鐘罩法加入硼鹽細化處理后，鋁硅合金的鑄態力學性能為：抗拉強度σb=188 MPa，延伸率δ=53.0%，T6熱處理后獲得的力學性能為抗拉強度σb=254 MPa，延伸率δ=54.5 %。T6熱處理對實驗材料的力學性能影響的原因，主要與T6處理后組織中α相中彌散析出分布的沉淀相和共晶硅在T6熱處理過程形狀和分布狀態改變有關。

圖3 不同方法細化處理后實驗材料強度

圖4 不同方法細化處理后實驗材料延伸率

2.3 三種細化處理方法實驗拉伸斷口SEM形貌

圖5是硼細化處理不同加入方法拉伸試樣斷口SEM形貌。從圖可以看出，鐘罩法細化處理鑄態拉伸試樣斷口形貌主要為準解理斷裂特征，伴隨一定塑性變形痕跡(圖5.a)，T6處理后拉伸試樣斷口主要為韌窩，伴隨著較多塑性變形后的痕跡(圖5.b)。

圖5 不同狀態的拉伸試樣斷口SEM形貌

鐘罩法和切鹽法細化鑄態斷口特征主要為準解理(圖5.c、圖5.e)，T6處理后拉伸試樣斷口均為韌窩(圖5.d、圖5.f)。實驗材料通過T6熱處理可以改善斷裂機理，即由鑄態的準解理斷裂，變為韌窩斷裂，改善了實驗材料的塑韌性。

3 結論

(1)以硼鹽作為細化劑，采用三種細化劑加入方法均能不同程度細化鑄態鑄造鋁硅合金α相和共晶組織，組織細化效果最好的處理方法為鐘罩法，切鹽法處理效果較差。鐘罩法方法加入的鑄造鋁硅合金鑄態力學性能為：σb=188 MPa，δ=53.0%，T6熱處理后獲得的力學性能為σb=254 MPa，δ=54.5 %。

(2)三種細化處理后的試樣進行T6熱處理，實驗材料的組織均為α+β，β相呈點狀分布在α相晶界，組織和力學性能得到改善。細化處理后鑄態鋁硅合金鋁合金試樣的拉伸斷口斷裂機理為準解理斷裂機制，T6處理后拉伸斷口斷裂機理為韌窩機制，熱處理改善了材料的塑性。

[1] 王吉岱，閆承俊，孫 靜,等. 鋁合金變質處理的現狀和發展趨勢[J].鑄造，2005， 54（9）：844-846.

[2] 湯順意，周年潤.鑄造Al-Si合金變質處理的概況和發展趨勢[J].金屬世界，2007(3)：31-35.

[3] 姚書芳，毛衛民，趙愛民,等.鑄造鋁硅合金細化變質處理的研究進展[J].鑄造，2000， 49（9）：512-515

[4] 賈均,陳玉勇,趙九洲,等. Al-Si合金稀土氟鹽變質劑研究[J].鑄造，1991，4：27-31.

[5] 張承甫，龔建森，黃杏蓉,等. 液態金屬的凈化與變質[M]. 上海：上?？茖W技術出版社，1989,

Effects of boron refinement process on microstructure and properties of al-si cast alloy

LIU ZhiXue，Li WeiWei, CHENG JuQiang
( Xi′an Technological University, Xi′an 710032,Shaanxi, China)

The effects of different refinement process of boron salt refiner on microstructure and properties of Al-Si cast alloy were studied by bell-jar adding method, cut salt adding method and stirring adding method. The results shown, the microstructure of Al-Si cast alloy can be refined by the three kinds of refinement process of boron salt, the refinement with boron salt reduced the size of coarse α dendrites and thick eutectic silicon β phase in the casting microstructure of Al-Si alloy, and refined the microstructure of Al-Si cast alloy. The coarse α dendrites size of casting microstructure of Al-Si alloy was smallest, the refinement effect and mechanical properties were best, the stirring adding method was second, and the refinement effect of cut salt adding method was poor. After T6 heat treatment and different refinement process, the microstructure of Al-Si cast alloy were consisted of α+β phase, the β phase in α phase interface changed from fine lath to uniformly dispersed particles, T6 heat treatment improved the microstructure and mechanical properties of the experimental materials.

Al-Si cast alloy；method of refinement；microstructure and property；Heat treatment

TG146.2；

A；

1 006-9658（201 6）04-0025-03

10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.04.006

陜西省重點實驗室資助項目（15JS038）

2015-12-29

稿件編號:1512-1177

劉志學 (1968—)，男，副教授，碩士，主要從事新型高強耐磨材料及特種有色合金的研究與應用工作.