低凝固速率條件下Sb對ZL114A合金組織的影響

李大奎 劉閃光 郝慧林 劉建軍

摘要：本文通過澆注壁厚為30 mm與10mm的梯形試樣，研究了不同凝固速率條件下Sb對ZL114A合金組織性能的影響。結(jié)果表明，Sb元素可增加α（Al）固液界面前沿的成分過冷，抑制共晶Si形核。因此Sb變質(zhì)后，共晶團尺寸增大，共晶Si尺寸減小。

關(guān)鍵詞：冷卻速率;Sb變質(zhì);Al-Si合金;共晶組織;力學性能

在工業(yè)生產(chǎn)中，通常采用變質(zhì)處理的方式來細化和改變Si相形貌達到提升塑性的目的。常用的變質(zhì)劑有Na、Sr、Sb、稀土等單元或多元符合變質(zhì)劑[1]。采用Na、Sr變質(zhì)時，增加熔體的吸氣傾向，合金組織中氣孔數(shù)量增多[2]。稀土元素為長效變質(zhì)劑，其變質(zhì)效果對冷速敏感，易形成化合物，且成本較高[3，4]。Sb元素也是一種長效變質(zhì)劑，一般認為其變質(zhì)效果受冷速影響大，在高凝固速率條件（一般情況下≥5K/s，如金屬型鑄造工藝）下，Sb與稀土的變質(zhì)效果接近，因Sb的成本低，因此，在金屬型薄壁件生產(chǎn)中有著廣泛地應(yīng)用。但在低凝固速率如砂型鑄造或熔模鑄造工藝條件下，Sb元素的應(yīng)用較少。

然而，現(xiàn)階段在實際鑄造生產(chǎn)中存在大量大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，尤其在航空、航天領(lǐng)域。此類鑄件具有冶金質(zhì)量要求高、力學性能要求高、尺寸結(jié)構(gòu)復(fù)雜且精度要求高等特點，尤其是多品種小批量的生產(chǎn)特點，要求鑄件對采用砂型鑄造或熔模精密鑄造等工藝方式。若鑄件各部位尺寸壁厚差異較大，這時如果采用Sb變質(zhì)Al-Si亞共晶合金，則鑄件整體組織的不均勻程度、性能差異程度能否在可接受的范圍內(nèi)，是需要科研、技術(shù)人員重點關(guān)注的問題。由于在低凝固速率條件下Sb的變質(zhì)效果及其對合金力學性能的影響尚未見報道。本文以ZL114A合金為研究對象，添加Sb元素進行變質(zhì)處理，澆注了壁厚為30 mm與10mm的梯形試樣，分析變質(zhì)前后不同凝固速率條件下的組織變化規(guī)律，為ZL114A合金大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件變質(zhì)處理技術(shù)提供理論指導。

1試驗材料與方法

合金所用原料為精純鋁錠（99.999%）（質(zhì)量分數(shù)，下同）、高純鎂錠（99.99%）、Al-12Si中間合金、Al-4Ti-B中間合金、Al-2Sb中間合金。采用380kg電阻爐熔煉，熔煉工藝為：Al-12Si中間合金、精鋁裝爐，熔化后升溫至750±10℃，保溫10～15min，充分攪拌后加入Al-4Ti-B中間合金，降溫至710±10℃加入純鎂錠與Al-2Sb中間合金（Sb加入量為0.19%），攪拌后采用旋轉(zhuǎn)噴吹方式精煉15～20min，靜置15～20min后澆注如圖1所示的砂型梯形試樣。制備的合金成分如表1所示。采用K型熱電偶測量鑄件本體及單鑄試樣的凝固速度。在熱電偶探頭處切取10x10x10mm的試塊制備金相試樣。利用光學顯微鏡OM對合金組織進行表征。砂型梯形試樣經(jīng)T6熱處理后，取內(nèi)部位置分別精加工成?10mm的標準拉伸試棒，在WDW-100KN試驗機上完成拉伸性能測試，夾頭的移動速度為2 mm/min。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1低凝固速率條件下Sb對初生α（Al）的影響

梯形試樣的凝固速率可用α（Al）結(jié)晶區(qū)間的平均速率表示，獲得的壁厚30mm處與壁厚10mm處的凝固速率分別為0.16K/s和1.46K/s。

圖2是Sb變質(zhì)ZL114A合金前后試樣壁厚30 mm處與壁厚10 mm處的鑄態(tài)顯微組織，其中（a）、（b）分別為Sb變質(zhì)ZL114A合金前后壁厚30 mm處試樣中心位置顯微組織。從圖中可看出，雖然Sb變質(zhì)前與變質(zhì)后的組織中均有大量α（Al）枝晶，但從圖2（a）中可看到，Sb變質(zhì)前部分α（Al）枝晶混雜在一起，不易區(qū)分其所屬晶粒;而Sb變質(zhì)后α（Al）枝晶排列相對規(guī)律，枝晶所屬晶粒容易區(qū)分，即變質(zhì)后枝晶生長更為發(fā)達。圖2（c）、（d）分別為Sb變質(zhì)ZL114A合金前后試樣壁厚10 mm處的試樣中心位置鑄態(tài)顯微組織。同樣可看出，Sb變質(zhì)后合金中α（Al）枝晶生長的形貌顯示更為發(fā)達，導致二次枝晶呈現(xiàn)變窄趨勢。

分析可知，在ZL114A合金的凝固過程中初生α（Al）首先結(jié)晶生長，而后在凝固后期共晶組織于初生α（Al）枝晶間隙中形核生長。目前學者普遍認為Sb變質(zhì)亞共晶Al-Si合金中的機理是Sb元素形成AlSb和Mg3Sb2相，抑制共晶Si的形核和生長。因此，在添加Sb元素后，ZL114A中初生α（Al）枝晶凝固前沿Sb、Si、Mg原子富集程度增加，成分過冷程度增加，導致初生α（Al）枝晶生長更為發(fā)達，繼而。研究表明Si、Sr 、Sb、 Eu等元素均增加α（Al）凝固前沿成分過冷，促進枝晶生長。

2.2 低凝固速率條件下Sb對共晶組織的影響

由圖2可知，在梯形試樣中無論是壁厚30mm（凝固速率0.16K/s）或壁厚10mm（凝固速率1.46K/s）在添加Sb元素進行變質(zhì)處理后，共晶組織區(qū)域面積明顯增大，其原因為Sb元素抑制共晶Si形核：Si原子在凝固前沿富集程度增加，無法形核結(jié)晶，而是隨著固液界面推進而不斷聚集，最終形成尺寸更大的共晶組織。

圖3是Sb變質(zhì)ZL114A合金前后試樣壁厚30 mm處與壁厚10 mm處的共晶Si形貌照片。從圖中可以看出，在不添加Sb元素時，隨著凝固速率的加快（由0.16K/s提高至1.46K/s），共晶Si出現(xiàn)細化效果，共晶Si尺寸明顯減小，平均尺寸由1000μm減小至700μm（如圖3（a）和（c）所示）;添加Sb元素進行變質(zhì)處理后，共晶Si細化效果更加顯著：即使在較低的凝固速率下（0.16K/s），Sb元素仍然具有良好的變質(zhì)效果，共晶Si平均尺寸約為300μm左右，見圖3（b）;在凝固速率1.46K/s條件下，共晶Si尺寸約為300μm左右，與凝固速率0.16K/s條件結(jié)果尺寸接近。圖4是Sb變質(zhì)ZL114A合金前后試樣經(jīng)熱處理后共晶Si的形貌。從圖中照片可看出熱處理后共晶Si趨于球化，共晶Si形貌變化規(guī)律與鑄態(tài)組織一致。

3 結(jié)論

（1）在ZL114A合金中，加入Sb元素可使枝晶凝固前沿Sb、Si、Mg等原子富集程度增加，提高成分過冷度，使初生α（Al）枝晶生長更為發(fā)達，同時二次枝晶呈現(xiàn)出變窄趨勢。

（2）在低凝固速率條件下，Sb元素加入會引起ZL114A合金中共晶組織尺寸增大，同時也會大大減小共晶Si尺寸，起到變質(zhì)細化共晶Si的作用。這為砂型鑄造大型厚壁ZL114A鑄件采用Sb變質(zhì)起到借鑒意義。

參考文獻：

[1]A Pacz. U.S. Patent， No. 1387900[P]. 1921.

[2]李華基， 杜祥清. 富鑭混合稀土對ZL101A合金組織和機械性能的影響[J].中國稀土學報，1996，14（4）：321-324.

[3]廖恒成， 丁毅， 孫國雄. Sr對近共晶Al-Si合金中α枝晶生長行為的影響[J].金屬學報，2002，38（3）：245–249.

[4]H. Liao， Y. Sun， G. Sun. Effect of Al-5Ti-1B on the microstructure of neareutectic Al-13.0%Si alloys modified with Sr[J].J. Mater. Sci. 37 （2002） 3489–3495.

作者簡介：李大奎（1987-），男，山東泰安人，碩士，主要研究方向：鑄造鋁合金。