钠-钡联合变质剂的试验研究

郭世义,杨亮,刘铭哲,阎竹,赵忠兴

（沈阳理工大学，辽宁沈阳 110168）

钠-钡联合变质剂的试验研究

郭世义,杨亮,刘铭哲,阎竹,赵忠兴

（沈阳理工大学，辽宁沈阳 110168）

针对铝硅合金Na盐变质剂变质时有效时间短的特点，以及使用Ba变质剂时存在潜伏期的问题。围绕Na-Ba联合变质剂对铝硅合金的变质效果进行实验。本文选用ZL106作为研究对象，试验结果表明：与未经变质处理的合金相比，加入Na-Ba联合变质剂后，铝硅合金的共晶组织由粗大的片状或针状转变成细小的纤维状，Na-Ba联合变质剂对组织的影响与Na盐变质剂相类似。但是能有效地延长变质时间，而且使用这种变质剂不存在潜伏期。

氩气精炼；钠钡变质剂；金相组织；热分析

铝硅合金具有优良的铸造性能和力学性能等优点［1］，而被广泛应用，而采用变质处理能更有效地提高合金的各项性能。在常用的变质处理工艺中，钠变质处理具有良好的变质效果。合金中的硅相得到明显的细化［2-4］，但是有效期短（仅40～60 min），使它的应用具有一定的局限性。锶和钡变质工艺变质效果好，共晶硅细化明显，性能提高明显［5、6］，但变质处理时存在潜伏期，对它的使用有一定的影响，容易受到氮和磷的干扰［7］。

针对各种工艺的分析，我们采用钠-钡联合变质处理的工艺对铝硅合金进行变质处理，以期克服钠盐变质有效期短和锶钡变质具有潜伏期的缺点，使铝硅合金在变质处理后既能浇铸，而且又有较长的使用周期，从而提高变质工艺的有效性。

1 试验条件及试验方法

试验采用氩气旋转喷吹精炼机，试验材料为50 kg ZL106铝合金和1 kg Na-Ba复合盐变质剂，采用工业电阻炉石墨坩埚熔化。使用如下的试验方法处理铝合金液，温度保持在720 ℃～750 ℃之间，氩气精炼、扒渣，静置5 min后，使用自制的SGJ-II型热分析仪观察并记录冷却曲线。分别在变质前、变质剂加入后15、25、45、65、85、105 min和125 min制备金相试样和进行热分析曲线测试。

2 合金凝固过程热分析曲线

在合金液加入变质剂后，分别在上述时间点在SGJ-II型热分析仪上浇注热分析试样，不同时间点合金凝固过程的过冷度如表1所示。

表1 变质处理后合金凝固的过冷度

使用Origin软件对检测数据进行处理，得到了较为直观的凝固过程温度-时间曲线图（图1、图2），从图上可以对Na-Ba联合变质剂各个变质时间点的凝固曲线有个清晰的对比。

从图中可以看出15 min时共晶温度平台达到最低，此后共晶温度平台随着时间逐渐升高。从过冷度的角度说明铝硅合金的变质效果在15 min时达到最好，之后逐渐下降。但从金相图片来看，15～85 min组织的形态差别并不大。这可能与Ba元素起变质作用时产生的过冷度小有关。在45 min之后共晶温度平台出现了明显的上升，而5～45min与45～125 min两个区间之间的共晶温度虽然总体随时间逐渐上升，但是变化并不十分明显，这两个温度区间也分别与Na盐变质的过冷度和Ba元素变质的过冷度相近。可以认为，在45 min之前铝硅合金的变质基本以Na元素的变质为主导，而45 min之后铝硅合金的变质基本以Ba元素的变质为主导。

图1 Na-Ba联合变质硅铝合金凝固曲线图

图2 图1共晶凝固平台局部放大图

这个结论与之前对比Na盐变质剂与Na-Ba联合变质剂变质效果所得出来的结论基本一致。有学者认为［8、9］Ba元素变质时所产生的的过冷度是4 ℃～5 ℃，可以观察到105 min时过冷度在4 ℃左右，而在125 min时过冷度降到了3 ℃，故可以认为Na-Ba联合变质剂的有效时间可达105 min以上，而不超过125 min。由于Ba元素变质产生的过冷度较小，为了获得较良好的变质组织，使用Ba元素变质时为了获得较大的冷却速度，最好使用金属型铸造。

3 金相组织分析

通过对试验中加入变质剂后不同时间点（未变质、15、85、125 min）的取样，观察其组织来评价合金的变质效果如图3、图4所示，从图中可以看到，到85～125 min铝硅合金的硅相组织开始慢慢变粗，Na-Ba联合变质剂的细化效果开始逐渐变弱。图4中可以更加明显地看出硅相组织的形状明显向板条状方向转变，图中共晶硅尺寸长大，硅相明显变粗，到了125 min可以看出变质效果衰退较明显。从试验中所记录的过冷度（表1）可以看出125 min时变质效果衰退较明显，但仍存在一定的变质效果。相较于Na盐变质剂，加入Ba元素可以延长变质效果的有效时长，Na-Ba联合变质剂的有效时间达到了125 min左右，而Na盐变质剂则在45 min左右就开始失效。这说明了Ba元素是一种有效的长效变质元素，与Na盐共同使用可以较好地弥补各自的缺点，Na加入后较快的变质效果消除Ba元素变质的潜伏期，而钡的加入使合金的变质效果能够延长，克服了Na盐变质效果有效期短、衰退快的缺点。

图3 铝硅合金变质后的金相组织

4 复合变质剂的组成及吸气倾向

复合变质剂的基本成分是由三元钠盐变质剂与一定比例的钡盐和清渣剂，根据不同的需要按着不同的配比混合。

图4 铝硅合金变质后的金相组织

复合变质剂由于加入了钡盐使铝液的吸气倾向增加，在实际的使用中注意合金液的除气处理，表2所示是使用复合变质剂与单纯的钠盐变质剂处理铝合金液时的密度变化。

表2 不同变质工艺铝液含气量的密度检测 g/cm3

由表中的数据可以看出，使用复合变质剂比钠盐变质剂具有更强的吸气倾向，所以要注意合金液的精炼除气处理，尤其对于频繁浇铸的小型铸件，对合金液面破坏次数多，吸气倾向更大。这也是含钡复合长效变质剂在未来发展中需要解决的实际问题。

5 结语

(1)采用Na-Ba联合变质剂对铝硅合金进行变质处理，变质效果与钠盐变质效果相近，在变质处理后5~15 min变质效果最好，但钡盐的加入延长了变质处理的有效期，在变质处理后120 min内保持合金液的变质效果，与单一钠盐变质处理相比，变质效果有效期提高1倍，提高了铝硅合金液的有效使用时间。

(2)采用氩气旋转喷吹精炼方法与Na-Ba联合变质剂配合使用，可有效地降低变质处理后合金液的含气量，提高合金液的质量，但合金液仍然具有较强的吸气倾向，在使用时应实时监控合金液的含气量变化，以保证铸件的质量。

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Experimenting study of the modifi er by combining Na with Ba salt

GUO ShiYi ,YANG Liang,LIU MingZhe,YAN Zhu,ZHAO ZhongXing
(Shenyang Ligong Universerty, Shenyang 110168, Liaoning,China)

According to the characteristic of rapid fading by the effect of Na modifi er in Al-Si alloy and the problem of incubating period with Ba modifi er, in this paper, the experimenting effect of the modifi er by combining Na and Ba salt is studied with ZL106 alloy. The experiment results show that the modifi er by combining Na and Ba salt have better modifying effect and longer modifying time without fading and incubating period, which changes the structure of eutectic silicon with bulky fl ake or needle into a tiny short rods or fi brous.

modifi er; combining Na and Ba salt;fading time;incubating period

TG146.2；

A；

1006-9658（2017）04-0019-03

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.04.005

项目来源：辽宁省大学生创新计划项目（编号:C1151001）

2017-03-19

稿件编号:1703-1705

郭世义（1992—），男，主要研究方向是铝合金金属的开发研究工作;通讯作者：赵忠兴（1963—），男，教授，研究方向是铝合金金属的开发研究工作.