高強ZL101A復雜承載鑄件變質與性能優化研究

王曉明 劉鵬 孫厚禮

摘?要：針對ZL101A合金以及鑄件的結構特點及性能要求，開展了ZL101A合金的綜合性能優化。本文從變質工藝、熔體處理、晶粒細化等3個方面進行了研究。結果表明：采用Sr變質，結合六氯乙烷與氬氣旋轉噴吹復合精煉，可有效提升ZL101A合金的綜合力學性能，生產的鑄件本體切取力學性能最高可達σb≥320MPa，σp0.2≥270MPa，δ5≥10%。

關鍵詞：ZL101A合金；變質處理；晶粒細化

中圖分類號：TB?????文獻標識碼：A??????doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.10.080

1?概述

鋁合金鑄件由于質量輕，比強度高，使得鋁合金鑄件在航空、航天、兵器及高鐵等行業的需求量越來越大。隨著高速磁浮交通的發展，鑄鋁件的需求量將逐漸擴大，時速600km/h的運營時速對鑄鋁件的綜合服役表現也提出了更高的要求。高速磁浮鑄鋁件具有結構復雜、薄壁異形的特點，傳統鑄造工藝難以滿足其內部質量和本體性能要求。而鋁硅系鑄造鋁合金的變質處理效果直接關系鑄鋁件內部質量和本體性能。

工程上采用Sr、Na/K等堿土金屬對亞共晶硅鑄造鋁合金變質已有近50年，國外在相關方面的研究較國內早，也更全面。Na（K）元素的有效變質時間較短，一般不超過30分鐘，且鈉、鉀鹽對坩堝、天車等金屬制件腐蝕明顯，因不適用于工業生產現已慢慢淘汰。Sr元素的有效變質時間可達到6小時，在20世紀80-90年代被廣泛采納，但由于其吸H（氫）傾向大且回爐料無法重復利用，國外工業體系已逐漸淘汰Sr元素變質。目前，關于Sr造成熔體吸氫的原因暫未達成共識，部分學者認為Al-Sr中間合金存在Sr-H化合物，在后續熔煉造成析氫；也有學者認為Sr元素易吸水氧化，造成熔體吸氫。

本文以高速磁浮關鍵承載復雜鑄件托臂為對象，針對傳統的Sb（銻）、Na（鈉）、Sr（鍶）三種有代表性的變質效果進行研究，通過優化Sr（鍶）變質工藝提升鑄件內部組織及本體性能。

2?Sb（銻）變質鑄件

圖1為經Sb（銻）變質的金相組織。依據前期生產經驗，當Sb（銻）元素添加量為0.1%時，共晶硅變質效果最好，當Sb（銻）超過0.12%時，共晶硅開始粗化長大。可以看出，微觀組織由性質不同的α-Al相和共晶Si相組成，α-Al相有較好的塑性，Si相屬脆性相，為典型的兩相合金。

經Sb（銻）變質的共晶硅呈針狀和板片狀，因其受冷卻速度的影響較大，采用砂鑄生產的鑄件變質效果一般，局部仍存在較粗大的片狀共晶硅組織。經對比JB/T?7946.1-2017標準，Sb（銻）變質組織屬于變質不充分級別。

經鑄件本體取樣檢測，Sb（銻）變質后鑄件的力學性能波動較小，抗拉強度為267-287MPa，屈服強度為235-247MPa，延伸率為2.0-3.5%。強度指標較高，延伸率較低。

圖2為Sb（銻）變質鑄件的本體拉伸斷口。可以看出，該視場區域未見疏松、針孔或夾雜類缺陷。拉伸斷口呈現較多撕裂棱，大部為準解理臺階，少數表現出拉長的韌窩，但韌窩尺寸較小且較淺，合金具有一定的塑性。

3?Na（鈉）變質鑄件

圖3為采用Na（鈉）變質的ZL101A合金微觀組織。可以看出，試樣中存在明顯的發氣引起的疏松（孔洞）缺陷。局部放大可以看出，有效變質區域共晶硅均呈現細小的球化共晶硅顆粒，這是由于在鋁液溫度降低到液相線附近時，微溶于Al中的Na（鈉）元素開始析出，形成高度彌散的Na（鈉）膠狀質點，它們可吸附于硅的晶核表面，形成一層Na（鈉）的薄膜，阻礙硅晶體長大，使硅結果過冷度增加。

圖4為采用Na變質的ZL101A合金斷口組織?？梢钥闯觯嚢魯嗫谡w疏松較多，分布在試棒外部和內部；同時，可觀察到未熔的Na鹽存在，這對試棒的力學性能和疲勞性能有較大影響。

4?Sr（鍶）變質

圖5為常規工藝采用Sr（鍶）變質工藝的鑄件微觀組織，Sr添加量為0.04%?？梢钥闯?，鑄件晶粒尺寸約150μm，與Sb（銻）變質的晶粒尺寸接近。

此外，可以看到鑄件中存在粗大的枝晶組織和大量的孔洞、疏松，Sr（鍶）變質易造成熔體吸氣，導致鑄件內部出現超標針孔和疏松缺陷。此外，可以看到，經Sr（鍶）變質后，共晶硅的尺寸明顯細化，由Sb（銻）變質的針孔（或板狀）改善為球狀或短棒狀。不論是針孔或是疏松，均會在孔洞的表面形成氧化膜，氧化膜充當一種雜質，與基體結合往往不緊密，在外應力存在條件下，這些缺陷（氣孔、氧化物等）起到了缺口作用，會在周圍引起應力集中，嚴重影響疲勞性能。

因Sr變質有效周期長，共晶硅球化效果好，Sr變質鑄件組織更均勻，綜合考慮工程化應用便捷性，本項目選擇以Sr變質為研究對象，在此基礎上對熔體處理和鑄件內部質量提升進行研究。

5?低發氣量Sr（鍶）變質與性能優化

在ZL101A合金中加入微量Sr（鍶）變質，無論是Sr（鍶）以破壞表層氧化膜或是以易吸附[H]原子造成熔體吸氣機理為主導，這都會導致鑄件中針孔、氣孔和疏松等內部缺陷的增加。因此，研究Sr（鍶）變質的去氣化十分重要。

對于鋁合金熔體凈化，最常見、有效的工藝是采用C2Cl6精煉，其精煉作用是氯化鋁氣泡吸附熔液中的氣體和懸浮在熔液中的固態夾雜物。圖6為在熔煉工藝改善前、后的試塊斷口情況。圖6a為經質量分數為0.6%精煉劑（C2Cl6）精煉后的斷口，可以看出精煉后的熔體斷口呈灰色，且斷面存在明顯的大尺寸白點（針孔）和少量黑色夾雜。圖6b為增加30%精煉劑（質量分數為0.78%），然后采用高純氬氣噴吹處理（噴吹20min）后，然后進行真空抽氣的斷口。可以看出，加強精煉后，斷面白點（針孔）數量明顯減少且白點尺寸明顯變小，熔體冶金質量提升明顯。

圖7為采用熔體優化處理工藝后Sr（鍶）變質的鑄件本體金相組織?？梢钥闯?，相對于Sb（銻）變質而言，采用Sr（鍶）變質可以有效球化、細化共晶硅組織，共晶硅多呈短棒狀和球狀，晶粒尺寸約70μm。此外，經熔體優化工藝處理、熱處理調控工藝處理（后面詳細闡述）后，基體中的針孔、疏松缺陷明顯減少。

經測試，優化工藝后鑄件本體拉伸力學性能達到σb≥320MPa，σp0.2≥270MPa，δ5≥10%。

6?結語

（1）針對傳統鑄造工藝，Sb變質、Na變質不適用于大型復雜承載結構件，Sb變質鑄件存在組織變質不足問題，Na變質有效期短、鑄件組織不均勻，以上對鑄件性能均有不利影響；（2）相比Sb變質，Na變質、Sr變質后的共晶硅變質效果最好，添加一定量的Sr后，共晶硅組織呈細小、短棒狀，但容易造成熔體吸氣，基體中存在明顯針孔和疏松；（3）Sr變質更適用于高強ZL101A復雜承載鑄件研制與生產，采用六氯乙烷+旋轉噴吹可有效減少熔體中的氫含量，減少鑄件吸氫，可大幅提升鑄件內部質量和力學性能。

參考文獻

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