Sr含量对4004铝合金铸锭变质效果的研究

王宁，李娜，陈扬龙，陈玉柱

(中铝河南洛阳铝加工有限公司，河南 洛阳 471000)

4004 高硅铝合金铸造后再进行变形加工，与3003合金制成复合板材，主要做为汽车和重型机械的散热器等材料。作为包覆层的4004铝合金是Al-Si系合金，具有熔点低、良好的润湿性和流动性，在一定的温度介质条件下，包覆合金熔化可起到钎焊作用。但由于合金中硅含量较高，组织中会出现大量粗大的片状或针片状共晶硅。由于Si相质脆，严重地割裂了合金基体，并在硅相尖端和棱角部位容易出现应力集中，从而明显降低了合金的塑性，使合金切削加工性能恶化。因此需要改善其组织，通常采用变质处理的方法。

4004合金生产对初晶硅的变质是关键，近几年对稀土元素对Al-Si合金的变质作用研究较多，对Sr变质的研究鲜有报道，鉴于此，本文对这方面进行了研究，得出了Sr变质最佳的工艺参数。

1 实验材料与方法

1.1 生产工艺流程

4004合金化学成分如表1，原材料使用Al-20%Si中间合金、电解铝液、镁锭、Al-10%Sr中间合金。

表1 4004铝合金成分范围(质量分数，%)

铸造流程为：

(1)熔炼炉内先加入Al-20%Si中间合金，再加入电解铝液，然后进行加热、熔化；

(2)炉内原料完全熔化，温度升至730℃以上进行第一次扒渣，然后用氩气进行一次精炼，时间10～15min，然后再次扒渣；

(3)再次升温至730～750℃，加入镁锭，待镁锭熔化完后进行人工搅拌10min， 取样，调整成份；

(4)变质处理，加入变质剂中间合金Al-10%Sr后，通入氩气精炼20min，静置保温处理，静置温度控制在725～730℃；

(5)加入细化剂Al-5Ti-0.2B 1.0～1.2kg/t，双丝加入；

(6)在线处理DDF双转子除气，转子转速280r/min，双级30+40ppi过滤板；

(7)选取的复合板用4004铝合金扁铸锭的铸造工艺参数为：铸造温度控制在730～745℃，铸造速度控制在48～55 mm/min，冷却水流量控制在40～48Nm3/h。

1.2 变质实验方案

由于变质剂加入量与变质时间都对合金变质效果影响较大。加入量太少，变质时间不够均会出现变质不良或变质不均匀的现象，影响变质效果；而加入量过多或变质时间过程长又会出现过变质与变质失效的现象，这些都会影响合金的组织及力学性能。所以本实验将Sr的加入量分别定为0.01%、0.015%、0.02%，变质保温时间80min，Sr的加入量为0.15%，变质保温时间为60min、80min、100min进行对比实验(表2)。

表2 试验方案

2 实验结果及讨论

2.1 Sr的变质原理

Sr吸附在共晶硅的固有台阶上，当达到一定浓度时，台阶生长被阻止,系统进一步过冷，并产生大量孪晶共晶硅变为以孪晶凹槽机制生长，细化了晶粒。

溶质Sr原子体积大于溶剂Al原子体积，由于它对晶格的弯曲将会使势能增加，但是系统总是倾向于集中到表面，造成溶质元素在表面的富集，溶质Sr原子的表面张力较低，可以使整个系统的表面张力降低而成为表面活性元素。Sr和Si原子的电负性差别较大，更易于吸附在Si相表面而成为表面活性元素，使晶胚难以成核长大。因此，亚共晶Al-Si合金熔体中存在明显胚的Si-Sr的作用关系，从不同角度提高了熔体结构的均匀性。

2.2 Sr含量对4004合金组织的影响

未变质和不同Sr含量变质后4004铝合金的显微组织如图1、2、3、6，可见合金未变质时初晶硅α-Al相比较粗大，形状无规则，共晶硅呈不连续的片状或针状，加入Sr变质后合金组织中初晶硅形状和尺寸明显变化，这说明Sr对4004铝合金有变质作用。当Sr含量为0.01%、变质保温80min时，初晶α-Al相的数量明显增多，部分由粗大无规则变为细小的圆状和短棒状，但部分还存在棱角，片状共晶硅和尺寸也发生明显变化，已部分转变为细小片状，某些局部区域还没有达到充分变质的效果，存在大尺寸片状共晶硅，见图1。当Sr含量为0.015%、变质保温80min时，初晶α-Al相完全转变圆状或短棒状且分布均匀，共晶硅数量明显增多且由针片状完全为纤维状，处于完全变质状态，此时已经达到良好的变质效果，见图2。当Sr含量继续增加至0.02%、变质保温80min时，部分初晶α-Al相和共晶硅的尺寸都开始变大，出现过变质现象，见图3。这说明合金变质效果并不随着Sr加入量的增加而持续改善，当Sr的加入量超过一定值后，变质效果反倒有所减弱，在本研究条件下，0.015%Sr的变质效果最为理想。

图1 Sr：0.01%，80min 图2 Sr：0.015%，80min

图3 Sr：0.02%，80min 图4 Sr：0.015%，60min

图5 Sr：0.015%，100min 图6 未变质

2.3 变质保温时间对4004合金组织的影响

当Sr含量为0.015%、变质保温60min时，初晶α-Al相的数量明显增多，部分由粗大无规则变为细小的圆状和短棒状，但部分还存在棱角，片状共晶硅和尺寸也发生明显变化，已部分转变为细小片状，某些局部区域还没有达到充分变质的效果，存在大尺寸片状共晶硅，如图4。当Sr含量为0.015%、变质保温80min时，初晶α-Al相完全转变圆状或短棒状且分布均匀，共晶硅数量明显增多且由针片状完全为纤维状，处于完全变质状态，此时已经达到良好的变质效果，见图2。当Sr含量为0.015%、变质保温时间增至100min时，部分初晶α-Al相和共晶硅的尺寸都开始变大，出现变质失效现象，见图5。这说明合金变质效果并不随着变质保温时间的增长而持续改善，当变质保温时间过长时，变质效果反倒有所减弱，在本研究条件下，80min的变质保温时间最为理想。

2.4 Sr含量对4004合金力学性能的影响

变质温度725～730℃、保温时间为80min时，不同Sr含量的条件下，对4004铝合金作室温拉伸试验，测试并计算得到其抗拉强度和伸长率，得出力学性能与Sr加入量的关系，如图7所示。可以看出，Sr的加入量与拉伸强度的关系呈先高后低的趋势，当Sr的加入量增加时，合金的抗拉强度和伸长率也逐渐增大，Sr含量为0.015%时，抗拉强度和伸长率均达到最大值193MPa和4.2%；Sr含量继续增加，抗拉强度和伸长率反而降低。这是由于当Sr含量加入量不足时，变质不充分的部分组织还较为粗大，晶粒的细化程度不高；当Sr加入量达到0.015%时，晶粒得到足够细化，力学性能达到最大值；当加入量超过0.015%时，由于过度变质使共晶硅的形状又由纤维状逐渐变为长条状，力学性能也随之恶化。因此Sr的加入量为0.015%时，4004铝合金的拉伸强度达到最高值，变质效果好。

图7 抗拉强度、伸长率与Sr加入量的关系

2.5 变质保温时间对4004合金力学性能的影响

Sr含量为0.015%、变质温度725～730℃时，不同变质保温时间的条件下，对4004铝合金作室温拉伸试验，测试并计算得到其抗拉强度和伸长率，得出力学性能与变质保温时间的关系，如图8所示。可以看出，变质保温时间的不同与拉伸强度的关系呈先高后低的趋势，当变质保温时间增长，合金的抗拉强度和伸长率也逐渐增大，变质保温时间为80min时，抗拉强度和伸长率达到最大值193MPa和4.2%；变质保温时间继续增加，抗拉强度和伸长率反而降低。这是由于当变质保温时间增长，Sr的变质效果减弱，变质效果不充分，部分组织还较为粗大，晶粒的细化程度不高；保温变质时间为80min时，晶粒得到足够细化，力学性能达到最大值；当变质保温时间超过80min时，由于变质效果减弱，共晶硅的形状又由纤维状逐渐变为长条状，力学性能也随之恶化。因此变质时间80min时，4004铝合金的拉伸强度达到最高值，变质效果好。

3 结论

(1)随着Sr加入量的增加，变质保温时间的增长，4004铝合金的组织逐渐细化，当Sr含量为0.015%、变质保温80min时，初晶硅α-Al相完全转变圆状或短棒状且分布均匀，针片状共晶硅完全为纤维状；但当Sr的加入量超过0.015%或者变质保温时间超过80min时，部分初晶α-Al相和共晶硅开始变得粗大；

图8 抗拉强度、伸长率与变质保温时间的关系

(2)4004铝合金熔体在725～730℃变质时，变质保温条件不变，随着Sr加入量的增加或Sr加入量不变随着变质保温时间的增加，合金的抗拉强度和伸长率增加，当Sr含量为0.015%、变质保温时间为80min时，合金抗拉强度和伸长率达到最大值193MPa和4.2%，实现最佳变质效果；当Sr的加入量超过0.015%或变质保温时间超过80min时，合金的抗拉强度和伸长率随之下降。

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