ZL101鋁硅合金中鈦硼細化劑添加比例的影響

黃長虹，秦華，葉錦華

（蘇州安路特汽車部件有限公司，江蘇 蘇州 215000）

ZL101A和ZL201等是鑄造鋁合金中經常添加的含鈦細化劑，當其加入到鋁熔體后，細化劑中的三鋁化鈦、二硼化鋁和二硼化鈦彌散在鋁熔體中，通過這些金屬化合物影響α-Al形核和生長，從而實現細化晶粒[1—3]。晶粒細化可以給鋁合金鑄件帶來一系列的好處，如改善機械性能、改善凝固時的補縮能力、提高鑄件致密度、減少鑄造疏松和裂紋、改善內部冶金質量等[4—5]。添加比例對鋁硅合金細化效果的影響以及性價比最高的目標添加比例需要進一步研究。

文中設計了一組實驗，目的是比較不同鈦硼細化劑添加比例對硬度、強度、伸長率及晶粒度的影響，從而得出 ZL101鋁硅合金中鈦硼細化劑的最優添加比例，以指導實際生產過程。

1 實驗

1.1 實驗設計

力學性能測試：分別取鈦硼細化劑質量分數為0%, 0.09%, 0.3%的ZL101鋁液，精煉合格后，經過相同鑄造機壓鑄成種類A零件，每種比例各13件樣品，X射線檢測合格后進行熱處理，在同一位置進行鋸切和車削，制成拉伸試棒，在拉伸試驗機進行室溫拉伸測試，并由布氏硬度計壓點測試硬度。

顯微組織測試：按照鈦硼細化劑添加質量分數分別為 0.01%, 0.03%, 0.06%, 0.09%, 0.15%, 0.22%，0.30%配制精煉ZL101鋁液，將其分別壓鑄成7種添加比例的種類A零件共7件。將此7件樣品從同一位置鋸切樣塊粗磨、細磨和拋光后，在金相顯微鏡下30倍數測量顯微組織的晶粒尺寸。

1.2 性能測試方法

采用 DIN 50125標準，將試棒制備成直徑為8 mm、標距為40 mm的規格，按照GB/T 228.1[6]測試屈服強度、抗拉強度和伸長率。在指定位置打磨后，按照GB/T 232.1[7]進行硬度測試。晶粒尺寸檢測是將磨拋到位的金相樣品用氯化銅溶液腐蝕，再用氫氟酸和硝酸混合液清洗干燥后，將樣品按照GB/T 6394[8]進行抓圖和分析。

2 結果與分析

2.1 力學性能

鈦硼細化劑的質量分數分別為0%, 0.09%, 0.3%時，種類 A樣品測試的屈服強度、抗拉強度結果見圖 1a，伸長率、硬度測試結果見圖 1b，顯示的數字為各組平均值。此零件材料的屈服強度下限要求為210 MPa，三者均遠高于要求，質量分數為0.09%與0.3%時測得的屈服和抗拉強度略微好于0添加比例。

此零件材料的伸長率下限要求為 6%，三者均合格，但質量分數為0.09%與0.3%時，硬度明顯好于未添加。硬度的下限要求為80HB，無論哪個添加比例都遠高于要求。

綜上所述，鈦硼細化劑的質量分數為 0.09%與0.3%時，對機械性能效果基本相同，優于0添加比例。

圖1 種類A不同力學性能的箱線圖Fig.1 Box-plot for mechanical properties of type A

2.2 顯微組織

零件種類 A的晶粒尺寸隨鈦硼添加比例的變化見圖2，其晶粒度合格標準為600 μm。可以看出，從晶粒尺寸臨界合格降到400 μm左右。當鈦硼細化劑質量分數小于 0.1%時，晶粒細化效果明顯，但超過此閾值后，其對晶粒尺寸的影響逐步減小。

圖2 晶粒尺寸VS鈦硼細化劑添加比例散點圖Fig.2 Scatter plot of grain size VS Ti refiner adding ratio

零件A不同添加比例的晶粒組織照片見圖3。隨著質量分數從0.01%增加到0.09%，晶粒尺寸有明顯細化。隨著添加比例繼續增加，晶粒尺寸的變化不明顯。越細小的顯微組織尺寸，能得到更優的機械性能結果，此點可以由2.1章節中數據結果進行驗證。鈦硼細化劑質量分數為 0.09%與 0.3%的相似機械性能結果也與晶粒尺寸結果吻合。

3 討論及建議

結合本次實驗結果來看，質量分數在 0.1%以下時，鈦硼添加劑對 ZL101鋁硅合金的晶粒尺寸確實有明顯的細化效果，從而表現出強度的提升，伸長率得益于細小的晶粒尺寸最多。如果添加比例太低會導致晶粒細化不足，從而影響零件的抵抗塑性變形的能力，但過量添加又會造成成本的浪費。

在實驗過程中，發現晶粒尺寸較大會導致 X射線檢測的少量誤判，這主要是因為晶粒尺寸越大，尤其是大于550 μm時，晶界的散射效應越明顯，造成在大晶粒區灰度對比不同。對于利用灰度比對自動判斷缺陷而靈敏度又極高的 X射線檢測設備，會有少量大晶粒零件會誤判為缺陷。

圖3 鈦硼細化劑質量分數不同時零件種類A在的晶粒組織Fig.3 Grain structure of Type A parts of different titanium boron refiner adding ratio

4 結論

1)對于ZL101鋁硅合金，鈦硼添加劑合適的質量分數為0.1%～0.15%左右。

2)晶粒度對 ZL101鋁硅合金伸長率的影響最大，對強度的影響不明顯，對硬度無影響。

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[6]GB/T 228.1—2010, 金屬材料拉伸實驗第 1部分: 室溫試驗方法[S].GB/T 228.1—2010, Metallic Material Tensile Test Part 1:Room Temperature Test Method[S].

[7]GB/T 232.1—2002, 金屬布氏硬度試驗第 1部分: 試驗方法[S].GB/T 232.1—2002, Metallic Material Brinell Hardness Test Part 1: Test Method[S].

[8]GB/T 6394—2002, 金屬平均晶粒度測定方法[S].GB/T 6394—2002, Metal Average Grain Size Test Method[S].