Sb變質劑對ZL101合金組織和力學性能的影響

胡中潮，崔元勝，王振玲，于玉城

(1. 天津那諾機械制造有限公司 天津300457；2. 空軍駐山東地區軍事代表室 山東濟南250023；3. 黑龍江科技大學材料科學與工程學院 黑龍江哈爾濱150022)

Sb變質劑對ZL101合金組織和力學性能的影響

胡中潮1，崔元勝2，王振玲3，于玉城3

(1. 天津那諾機械制造有限公司 天津300457；2. 空軍駐山東地區軍事代表室 山東濟南250023；3. 黑龍江科技大學材料科學與工程學院 黑龍江哈爾濱150022)

采用金相顯微鏡、布氏硬度計和萬能拉伸試驗機對不同加入量Sb變質的ZL101合金顯微組織和力學性能進行了研究。結果表明：隨著Sb加入量的增加，粗大針片狀的共晶硅逐漸變成小尺寸針狀，(α＋Si)共晶數量增多，并且Sb加入0.1%,和0.2%,時，鑄態共晶硅相相互之間的排布出現“集束”形貌。T6熱處理后，針狀共晶硅棱角鈍化，且隨著Sb的增加，共晶硅逐漸粒化。加入0.1%,和0.2% Sb時鑄態組織中出現的“集束”形貌消失。隨著Sb加入量的增加，ZL101合金硬度值增加；抗拉強度和屈服強度均顯著增加，當加入0.2%, Sb時抗拉強度最大可達259.4 MPa，伸長率下降至4%,左右。

ZL101合金 Sb變質劑 顯微組織 力學性能

ZL101合金具有較低的密度，優良的鑄造性能、氣密性和可焊性等優點，廣泛應用于機械、汽車和航空航天等領域。但是常規鑄造鋁硅鎂合金的顯微組織中存在粗大的針狀共晶硅，嚴重影響了合金的力學性能。合金的變質處理是改善粗大針狀共晶硅形貌的一種有效手段，加入變質劑后針狀硅相變成有利于提高性能的小尺寸粒狀或纖維狀。迄今為止，鋁硅系合金的變質劑種類繁多，各有特點，適用于不同的合金類型和生產條件，其中生產中最常用的變質劑有鈉鹽、鍶和稀土等。但是鈉鹽腐蝕坩堝和熔煉工具，有效變質時間短；鍶變質效果好，具有長效、用量小、重熔性等諸多優點，但是鍶在熔煉過程中容易吸氣，影響合金的致密性，且鍶價格昂貴；稀土金屬也是鑄造鋁硅合金的優良變質劑，長效無污染，且能減少合金中的針孔，具有固溶強化作用。銻(Sb)對鋁硅系合金的變質處理已有一定研究，發現Sb具有長效、可反復使用、不腐蝕坩堝、資源豐富、價格便宜、使用方便等特點，且具有脫氣和細化晶粒作用。[1]本文主要研究Sb加入量對鑄態和熱處理態ZL101合金顯微組織的影響，以及對熱處理態力學性能的影響，揭示Sb加入量對ZL101合金組織和力學性能的影響規律，為Sb變質劑在鋁硅系合金中的應用提供試驗探索，具有重要的理論與實踐意義。

1 實驗材料與方法

實驗所用ZL101合金成分自行配制，其中Si占7.5%,，Mg占0.3%,。采用Sb對共晶硅進行變質處理，加入量分別為0、0.05%,、0.1%,和0.2%,。熔煉在電阻爐中進行，采用砂型鑄造澆注試樣和拉伸試棒，拉伸試棒尺寸如圖1所示。合金的熱處理采用T6工藝，固溶處理工藝為500,℃保溫2,h，用60,℃左右的熱水進行淬火處理；時效處理在180,℃保溫3,h，然后空冷。顯微組織觀察采用XJP-3A光學金相顯微鏡，布氏硬度在HB-3000B布氏硬度計上進行測試，拉伸試驗在CTMS5305型萬能拉伸試驗機上進行。

圖1 拉伸試樣尺寸Fig.1 Size of the tensile sample

2 實驗結果與分析

2.1 Sb加入量對ZL101合金鑄態顯微組織的影響

圖2是加入不同量Sb變質劑后鑄態ZL101合金的宏觀組織形貌，圖中初生α-Al相長成樹枝晶，枝晶間為(α＋Si)共晶組織。隨著Sb變質劑加入量的增加，枝晶間的共晶組織數量增加。圖3為加入不同量Sb變質劑后鑄態ZL101合金的共晶組織，未加Sb變質時，大部分共晶硅形態仍然主要呈粗大的針片狀，如圖3(a)所示，隨著Sb加入量的逐步增加，Si相由長針形態逐漸變成小尺寸的短針形貌；并且共晶組織中，α-Al相和Si相的間距逐漸減小。此外，針狀共晶硅的排列方向也發生了變化，當Sb加入量為0.05%,時，針狀Si相排布方向雜亂，相互之間無明顯的關聯。當Sb加入量增加到0.1%,和0.2%,時，共晶組織中局部區域Si相之間呈平行排布或呈一定的小角度，即所謂的“集束”形貌，共晶硅集束形貌被認為是一個形核質點形核后長大形成的。Sb使共晶Si由長針變成短針，其機理是加入Sb后，在合金中形成了AlSb相，AlSb在合金中的固溶度很低，其在共晶硅生長界面前沿富集，影響共晶硅生長方向的同時抑制低指數面的長大，從而導致共晶硅尺寸的減小。[2]本研究中，Sb的變質機理還有待于深入研究。

圖2 Sb對ZL101合金顯微組織的影響Fig.2 Effect of Sb on the microstructure of ZL101 alloy

圖3 Sb對ZL101合金共晶組織的影響Fig.3 Effect of Sb on the eutectic structure of ZL101 alloy

為進一步提高ZL101合金的力學性能，需對其進行熱處理。Sb變質的ZL101合金進行T6熱處理后的顯微組織如圖4所示。從圖中可以發現，熱處理后，無論是長針形態還是短針形態的Si相，其棱角均變得鈍化。與鑄態組織相比，未加入Sb變質劑的ZL101合金中，Si相仍存在較大的塊狀共晶硅(圖4(a))。隨著Sb加入量的增加，共晶硅相逐漸粒化，如圖4(b)、(c)和(d)所示。此外，從圖4(c)和圖4(d)中還可以發現，鑄態組織中共晶硅的“集束”形貌消失。

圖4 熱處理后加入不同量Sb變質劑后ZL101合金的共晶組織Fig.4 The eutectic structures of ZL101 alloy with different Sb additions after heat treatment

2.2 Sb對ZL101合金力學性能的影響

表1為加入不同量Sb變質處理的ZL101合金鑄態和熱處理的布氏硬度值。從表中可以看出，鑄態時，隨著Sb加入量的增加，合金的硬度略有增加。與鑄態相比，合金熱處理后硬度增加更加明顯，增加幅度可達10%,以上。

表1 鑄態和熱處理態加不同量Sb變質劑時ZL101合金的布氏硬度Tab.1 Brinell hardness of ZL101 alloy with different Sb additions under as-cast condition and heat treatment condition

表2為熱處理態ZL101合金的拉伸性能，從表中可以發現，加入0.1%,和0.2% Sb時合金的抗拉強度值較高，分別為252.53,MPa和259.40,MPa，Sb加入量在0.1%～0.2%,之間時，屈服強度在211～216之間。加入0.1% Sb的合金的伸長率為7.2%,，Sb繼續增加后，伸長率明顯下降，為4%,左右。

由此可見，ZL101合金采用Sb做變質劑熱處理后，當加入量為0.1%,和0.2%時，可顯著提高合金的強度，但是加入0.2%時塑性明顯下降。這可能是加入Sb較多時產生的AlSb相積聚長大，導致塑性降低，該現象有待于更進一步的研究。

表2 熱處理態加不同量Sb變質劑時ZL101合金的拉伸性能Tab.2Tensile property of ZL101 alloy with different additions of Sb under heat treatment condition

2.3 斷口形貌分析

圖5是沒有加入變質劑Sb的試樣拉伸斷口形貌。圖5(b)是圖5(a)的放大的斷口形貌。圖5(a)的冰糖形狀形貌是典型的脆性斷裂，在圖5(b)的放大圖中基本上看不到韌窩的存在，而是存在較多的解理面，說明此時的斷裂為脆性斷裂。

圖5 未加入變質劑Sb時ZL101合金的拉伸斷口形貌Fig.5The fracture morphology of ZL101 alloy without Sb addition

圖6是變質劑Sb含量為0.05%的試樣拉伸斷口形貌。圖6(a)中斷口形貌存在明顯的孔洞缺陷，四周能看到少量的韌窩。圖6(b)為圖6(a)的放大圖，從圖中可以看出，斷口中有少量的韌窩存在，韌窩小且淺，有明顯的解理刻面，無明顯的塑形變形，呈現出穿晶斷裂，說明加入0.05%,Sb后ZL101合金的韌性不好。

圖6 變質劑Sb含量為0.05%的拉伸斷口形貌Fig.6The fracture morphology of ZL101 alloy adding 0.05% Sb

圖7是變質劑Sb含量為0.1%的試樣拉伸斷口形貌。圖7(a)、(b)是典型的韌性斷裂斷口形貌。從圖7(b)的微觀圖可以看到，韌窩又深又大，說明加入0.1%的Sb變質后材料的韌性較好。

圖7 變質劑Sb含量為0.1%的拉伸斷口形貌Fig.7 The fracture morphology of ZL101 alloy adding 0.1% Sb

圖8是變質劑Sb含量為0.2%的試樣拉伸斷口形貌。圖8(a)中可以看到有韌窩存在，韌窩的密集程度適中，圖8(b)是圖8(a)中A區域的放大區域形貌，是明顯的共晶Si脫落形貌，說明加入0.2%,Sb后ZL101合金的韌性有所下降。

圖8 變質劑Sb含量為0.4%的拉伸斷口形貌Fig.8 The fracture morphology of ZL101 alloy adding 0.4% Sb

以上的幾組拉伸斷口形貌表明：變質劑Sb含量為0.1%的拉伸試樣斷口形貌為純韌性斷裂，韌性很好，未加入變質劑Sb的拉伸試樣的斷口形貌為脆性斷裂，韌性不好，變質劑Sb含量為0.2%和變質劑Sb含量為0.05%的試樣韌性介于兩者之間，且變質劑含量為0.2%的韌性比0.05%的韌性稍好一些。

3 結 論

將Sb變質劑加入到ZL101合金中，能減小鑄態共晶Si相的尺寸；當Sb的加入量為0.1%和0.2%時，在鑄態組織中，共晶硅相相互之間的排布有“集束”形貌出現；熱處理后，Sb變質的ZL101合金中的短針狀共晶硅相棱角鈍化，隨著Sb加入量的增加，共晶硅相逐漸粒化；變質劑Sb的加入能使ZL101合金的共晶數量增加，且隨著Sb加入量的增加，共晶組織數量逐漸增多。

隨著Sb加入量的增加，硬度值增加；抗拉強度和屈服強度均顯著增加，當Sb加入量超過0.1%時，伸長率明顯下降。■

［1］ 曹國劍，左鋒，李艷春，等. 鋁硅合金變質的研究進展[J]. 材料導報A，2012，26(9)：112-115.

［2］ 李豹. AlSi7Mg合金共晶硅變質規律及其微觀機制[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2011：36-38.

［3］ 陳體軍，馬穎，郝遠，等. 凝固條件和熔體處理對ZL101合金組織和力學性能的影響[J]. 熱加工工藝，2001(1)：9-11.

Effect of Sb Modifier on Microstructure and Mechanical Property of ZL101 Alloy

HU Zhongchao1，CUI Yuansheng2，WANG Zhenling3，YU Yucheng3
(1．LIZHONG GROUP Tianjin Nanuo Machinery Manufacturing Co., Ltd.，Tianjin 300457，China；2．Military Representative Office of Air Force in Shandong，Ji’nan 250023，Shandong Province，China；3．College of Materials Science and Engineering，Heilongjiang University of Science and Technology，Harbin 150022，Heilongjiang Province，China)

The microstructure and mechanical property of ZL101 alloy with different amount of Sb modifier additions were studied using optical microscope，Brinell hardness tester and universal tensile testing machine．The results showed that the coarse acicular eutectic Si phases changed into those of small size with the increasing of Sb addition，and the amount of (α＋Si)eutectic structure increased．Besides，bunched morphology appeared for the eutectic Si as Sb added 0.1%,and 0.2%,．After T6 heat treatment，the angular Si phase became blunt，and the Si phases became graininess with Sb content increasing．Moreover，the bunched morphology of Si phases in ZL101 alloy adding 0.1%, and 0.2%, Sb also disappeared．With the increase of Sb additions，the hardness of ZL101 alloy raised，the tensile strength and yield strength had a significant increase，the maximum value of the tensile strength can reach 259.4,MPa when added 0.2%, Sb，and the elongation rate decreased to 4%, or so.

ZL101 alloy；Sb modifier；microstructure；mechanical property

TG146.2

A

1006-8945(2016)08-0025-04

2016-08-02