硼细化处理方法对铸造铝硅合金组织和性能的影响

(西安工业大学，陕西西安 710032)

硼细化处理方法对铸造铝硅合金组织和性能的影响

刘志学，李伟伟，程巨强

(西安工业大学，陕西西安 710032)

采用硼盐作为细化剂，研究了钟罩法、切盐法和搅拌法三种不同细化处理方法对铸造铝硅合金组织和性能的影响。结果表明，三种不同的加入方法均能细化铝硅合金的铸态组织，硼盐细化处理可以减小铝硅合金铸态组织中粗大的α枝晶和共晶硅β相的尺寸，细化组织。采用钟罩法细化处理后，实验材料的铸态组织中α枝晶尺寸最小,细化效果好，力学性能最佳，搅拌法次之，切盐法的处理效果较差。不同方法细化处理后的试样进行T6热处理后，实验材料组织由α+β相组成，β相由铸态的短片状变为均匀弥散分布的颗粒状，分布在α相界面，T6热处理改善了实验材料的组织和力学性能。

铸造铝硅合金；细化处理方法；组织和性能；热处理

细化或变质处理是铸造铝合金生产中广泛应用的细化铸件组织和改善力学性能方法之一。在细化处理的工艺中主要的控制因素有细化剂种类[1～4]、细化剂加入量、细化处理温度、细化处理保温时间及细化剂加入方法等。从目前研究文献资料来看，细化剂或变质剂种类对铸造铝合金组织和性能方面的研究文献较多，而其他细化工艺的控制因素研究文献较少，对于盐类细化剂，铸造铝合金细化处理的方法主要有钟罩法、切盐法、搅拌法和液-液混合法等[5]，但这些细化处理方法对实验材料组织和力学性能方面影响的文献较少，而细化剂的加入方法对细化剂的细化效果有着重要的影响。因此，本文以硼盐为细化剂，研究了钟罩法、切盐法、搅拌法三种不同的细化剂处理方法对铸造铝硅合金细化效果和性能的影响，为实际生产提供实验依据。

1 实验材料及其过程

试验材料的牌号为ZL101。不同细化处理的金属液熔炼分别用石墨坩埚在井式感应炉中进行。实验过程为，先熔化ZLD101合金锭，熔化后温度在720 ℃时，用0.5%的C2Cl6进行精炼处理，精炼保温静置时间为10 min。分别用钟罩法、搅拌法、切盐法对熔液进行变质处理。钟罩法处理方法为用铝壳将硼盐包好，分别用钟罩压入铝液中进行搅拌，搅拌法处理方法为待溶液精炼处理后直接将细化剂硼盐倒入铝熔液中进行搅拌，切盐法处理方法在精炼后将细化剂直接倒入铝熔液中，待细化剂在熔液表层结壳后，再压入铝熔液中进行搅拌。三种变质方法变质剂均采用KBF4，折合成B的加入量为0.04%，细化处理后保温静置时间为10 min，铝液温度在710～720 ℃时，浇注直径为8 mm金属模型试样，金属型试样模具预热温度为200 ℃。实验材料T6热处理工艺538±5 ℃×5 h+180±5 ℃×4 h。力学性能试验用CMT10kW电子万能材料实验机。金相组织观察用NIKNO NEIPHOT-30型显微镜，组织腐蚀液为0.5%HF水溶液，α相晶粒尺寸的确定是参考相关标准采用截点法进行平均值计算。

2 实验结果及分析

2.1 三种加入方法对实验材料组织的影响

图1为不加硼和不同加入方法加入硼盐细化处理后铝硅合金的铸态组织。从图看出，未加硼细化处理的铸态组织为α、（α+β）共晶体，α相枝晶粗大，其平均晶粒尺寸为31 μm，共晶体组织的β相呈较长的针状分布在α相枝晶间，组织粗大（图1.a）。采用硼细化剂，不同细化处理方法加入后的铸态组织也为α+（α+β）共晶组织，与未加硼细化的铸态组织相比，均有不同程度的细化，表现为α相和β共晶硅枝晶尺寸的减小，细化处理后的β相呈短片或点状分布在α相枝晶间，其中钟罩法处理后的铸造铝硅合金组织中α相晶粒尺寸平均为19 μm（图1.b），细化效果最好，搅拌法处理后铸造铝硅合金的α相平均晶粒尺寸为25 μm（图1.c），切盐法处理后铸造铝硅合金的α相平均晶粒尺寸为26 μm（图1.d）。通过组织对比可以看出，采用钟罩法加入硼盐处理后实验材料组织细化程度最佳。

图1 不同方法细化处理后实验材料的铸态组织

图2 为采用不同方法加入硼盐细化处理，及T6热处理后铸造铝硅合金的组织。不同方法加入硼盐细化处理和T6热处理后，铸造铝硅合金的组织均为α+β，其中白色相为α相基体，在α相界面分布的点状的相为共晶硅，组织中的点状硅相是铸态组织中的针状或者点状共晶硅在固溶加热时没有完全溶解的共晶硅或时效过程析的硅相。由图可以看出，T6热处理处理后，采用钟罩法细化处理的实验材料组织中α相枝晶的尺寸（图2.a）比采用搅拌法（图2.b）和切盐法（图2.c）细化处理的细小。

2.2 三种细化处理方法实验材料的力学性能

图3和图4分别是采用不同细化剂加入方法对铝硅合金进行处理后，实验材料的铸态和T6热处理态的抗拉强度和延伸率变化。

图2 不同方法处理和T6热处理后实验材料的组织

由图可以看出，采用钟罩法加入硼盐细化处理后，铝硅合金的铸态和T6热处理态的性能最佳，搅拌法次之，切盐法较低。采用钟罩法加入硼盐细化处理后，铝硅合金的铸态力学性能为：抗拉强度σb=188 MPa，延伸率δ=53.0%，T6热处理后获得的力学性能为抗拉强度σb=254 MPa，延伸率δ=54.5 %。T6热处理对实验材料的力学性能影响的原因，主要与T6处理后组织中α相中弥散析出分布的沉淀相和共晶硅在T6热处理过程形状和分布状态改变有关。

图3 不同方法细化处理后实验材料强度

图4 不同方法细化处理后实验材料延伸率

2.3 三种细化处理方法实验拉伸断口SEM形貌

图5是硼细化处理不同加入方法拉伸试样断口SEM形貌。从图可以看出，钟罩法细化处理铸态拉伸试样断口形貌主要为准解理断裂特征，伴随一定塑性变形痕迹(图5.a)，T6处理后拉伸试样断口主要为韧窝，伴随着较多塑性变形后的痕迹(图5.b)。

图5 不同状态的拉伸试样断口SEM形貌

钟罩法和切盐法细化铸态断口特征主要为准解理(图5.c、图5.e)，T6处理后拉伸试样断口均为韧窝(图5.d、图5.f)。实验材料通过T6热处理可以改善断裂机理，即由铸态的准解理断裂，变为韧窝断裂，改善了实验材料的塑韧性。

3 结论

(1)以硼盐作为细化剂，采用三种细化剂加入方法均能不同程度细化铸态铸造铝硅合金α相和共晶组织，组织细化效果最好的处理方法为钟罩法，切盐法处理效果较差。钟罩法方法加入的铸造铝硅合金铸态力学性能为：σb=188 MPa，δ=53.0%，T6热处理后获得的力学性能为σb=254 MPa，δ=54.5 %。

(2)三种细化处理后的试样进行T6热处理，实验材料的组织均为α+β，β相呈点状分布在α相晶界，组织和力学性能得到改善。细化处理后铸态铝硅合金铝合金试样的拉伸断口断裂机理为准解理断裂机制，T6处理后拉伸断口断裂机理为韧窝机制，热处理改善了材料的塑性。

[1] 王吉岱，闫承俊，孙 静,等. 铝合金变质处理的现状和发展趋势[J].铸造，2005， 54（9）：844-846.

[2] 汤顺意，周年润.铸造Al-Si合金变质处理的概况和发展趋势[J].金属世界，2007(3)：31-35.

[3] 姚书芳，毛卫民，赵爱民,等.铸造铝硅合金细化变质处理的研究进展[J].铸造，2000， 49（9）：512-515

[4] 贾均,陈玉勇,赵九洲,等. Al-Si合金稀土氟盐变质剂研究[J].铸造，1991，4：27-31.

[5] 张承甫，龚建森，黄杏蓉,等. 液态金属的净化与变质[M]. 上海：上海科学技术出版社，1989,

Effects of boron refinement process on microstructure and properties of al-si cast alloy

LIU ZhiXue，Li WeiWei, CHENG JuQiang
( Xi′an Technological University, Xi′an 710032,Shaanxi, China)

The effects of different refinement process of boron salt refiner on microstructure and properties of Al-Si cast alloy were studied by bell-jar adding method, cut salt adding method and stirring adding method. The results shown, the microstructure of Al-Si cast alloy can be refined by the three kinds of refinement process of boron salt, the refinement with boron salt reduced the size of coarse α dendrites and thick eutectic silicon β phase in the casting microstructure of Al-Si alloy, and refined the microstructure of Al-Si cast alloy. The coarse α dendrites size of casting microstructure of Al-Si alloy was smallest, the refinement effect and mechanical properties were best, the stirring adding method was second, and the refinement effect of cut salt adding method was poor. After T6 heat treatment and different refinement process, the microstructure of Al-Si cast alloy were consisted of α+β phase, the β phase in α phase interface changed from fine lath to uniformly dispersed particles, T6 heat treatment improved the microstructure and mechanical properties of the experimental materials.

Al-Si cast alloy；method of refinement；microstructure and property；Heat treatment

TG146.2；

A；

1 006-9658（201 6）04-0025-03

10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.04.006

陕西省重点实验室资助项目（15JS038）

2015-12-29

稿件编号:1512-1177

刘志学 (1968—)，男，副教授，硕士，主要从事新型高强耐磨材料及特种有色合金的研究与应用工作.