ZL114A合金“高密度夹杂”的形成原因及消除

李沛森， 耿莹晶， 陈 岩， 任广笑， 栗 胜， 李清群， 申孝立

（山西江淮重工有限责任公司， 山西 晋城 048008）

ZL114A合金是在ZL101A的基础上增加合金元素镁的含量而发展的品种，其强度比ZL101A更高，而且具有Al-Si系铸造铝合金铸造流动性好、气密性好、收缩率低和热裂倾向小、可热处理强化、较好的机械加工性能、良好的耐腐蚀性能和焊接性能等特点，被广泛应用在航空、航天、武器装备、汽车工业和电子电气等领域中[1]。

虽然该材料具有良好的铸造性能和机械性能，但为达到高性能，合金熔炼过程熔体均匀化、纯化和凝固组织晶粒细化等过程控制复杂，变质处理和精炼处理影响因素多不易掌握，制备的材料中易形成高密度夹杂。

高密度夹杂指的是材料和产品上通过X射线发现的一种缺陷，属于夹杂类缺陷。是铸件内有成分、结构、色泽（以及局部性能）不同于基体金属、形成形状不规则、出现部位不确定的金属或金属间化合物杂质[2]。众所周知，密度越大的物质在底片上亮度越高，较为常见的为黑色“点状”缺陷，而高密度夹杂显现为白色圆形或不规则形状缺陷。铸造过程中出现的高密度夹杂问题较为少见，文献中介绍的较少。

由于ZL101A材料和ZL114A材料二者成分主要区别为Be元素。笔者所在企业生产过程中使ZL101A材料配制ZL114A材料，此外，ZL101A合金中添加了AlSb4作为长效变质剂以提高机械性能。由于高密度夹杂缺陷在生产过程中反复出现，极大影响了产品的交付，因此对其形成机理和消除方法的研究具有紧迫性和必要性。

1 实验材料

实验所用ZL114A合金成分见表1，合金熔炼在RJ140-2型坩埚电阻炉中进行，坩埚材质为ZG40Cr24Si12，每炉合金重约800 kg。炉料由一级铝合金回炉料（杂质含量不大于0.2%）、ZL101A合金锭、Al-20%Si中间合金、Al-3%Be、Al-10%Sr中间合金、AlTi5B1中间合金配制成。

回炉料、ZL101A合金锭、Al-20%Si中间合金、Al-3%Be预投料，将温度升至700℃待合金完全熔化后，用不锈钢钟罩将高纯Mg锭（用量为合金质量的0.5%）压入合金液，静止5 min后扒渣。当温度至740℃时，加入Al-10%Sr中间合金(用量为合金质量的0.1%) 进行变质处理。合金液在730℃保温一定时间后，加入AlTi5B1中间合金（用量为合金重量的0.3%）细化剂，熔化搅拌后，用氩气精炼20 min，出炉温度720℃时，扒渣出炉，压差浇注入砂型模具中，最终获得ZL114A铸件和试块。

表1 ZL114A合金的主要元素及杂质元素含量 %

针对高密度夹杂严重的铸件和试块，X射线探伤底片如下页图1所示。通过X射线探伤初步定位后，选取缺陷尺寸达到5 mm×6 mm以上的典型区域，将取下的大试块切割成较小的长方形试块，然后进行2次切割和2次内部组织探伤，确定其最终位置。化学元素分析和微观组织分析的样块如图2方式切割，将其高密度夹杂缺陷部位剖铣后，使缺陷暴露在外表面后进行化学和微观组织分析测试。

图1 探伤底片

图2 微观组织检测试块

选取由高密度夹杂和无高密度夹杂缺陷的两组试棒进行力学性能对比，有高密度夹杂的试棒制取时，将X射线探伤标定的有高密度夹杂缺陷部位放置在中间部位，做成如图3所示板状试棒。拉伸试棒均取自同批次铸件中心，按照GB/T 228—2002标准将其加工成如图3的拉伸试棒。将取样的6根拉伸试棒进行T6处理，具体工艺参数为（535±5）℃固熔处理8 h，随后在60℃水温中淬火，在165℃时效处理6 h，空冷至室温。在电子万能试验机上进行拉伸力学性能测试，拉伸速率为3 mm/min，使用设备自带拉伸软件控制拉伸过程并进行数据采集和处理。

图3 机械性能拉伸试棒

2 高密度夹杂缺陷及其对力学性能的影响

2.1 高密度夹杂缺陷

将缺陷部位剖切后，由图2微观组织检查试块上可清晰分辨出暴露在切割试块表面的高密度夹杂，其形状不规则，分布无规律。肉眼观察到高夹缺陷区域表面颜色为黑褐色，其色泽与周围基体颜色有色差，并且中间有黑点。

2.2 高密度夹杂缺陷对力学性能的影响

利用电子万能试验机对含有高密夹杂缺陷的力学能试棒和无缺陷试棒进行力学性能检测，结果见表2，表2力学性能检测结果标明，与无缺陷处相比，有高密度夹杂缺陷试棒的抗拉强度降低10%，屈服强度降低5.5%，伸长率降低44%，高密度夹杂缺陷对材料抗拉强度和屈服强度影响有限，但材料的延伸率明显降低。

表2 力学性能检测值

2.3 高密度夹杂缺陷微观组织分析

含高密度夹杂的样块剖铣出外表面后，进行抛光和腐蚀处理，然后用扫描电镜（SEM）对其微观组织进行观察，并用EDS能谱仪分析典型高密度夹杂的具体元素组成。利用扫描电子显微镜对试样的三个区域进行了检测，其中无白色亮点区域一处，含有白色亮点缺陷区域两处。

下页图4是无白色亮点区域微观组织和EDS能谱图。图5是无白色亮点区域面扫描图及元素分布图，结合图4和图5可以看出：除Si元素、Sr元素外其余元素的分布都较为均匀，在无白色亮点区域的某些微区Si元素Sr元素出现聚集，而且二者出现聚集的区域重叠，这表明在无白色亮点区域的某些微区的组织存在着Si元素、Sr元素形成的含Sr的化合物或Si结晶时以Sr的氧化物或化合物为核心形核长大，两者的偏聚规律一致可知Si和Sr在合金凝固过程中关系密切。

下页图6和图8分别是是白色亮点区域1和白色亮点区域2的微观组织及EDS能谱图，下页图7和图9分别是白色亮点区域1和白色亮点区域2的面扫描及元素分布图。由图5和图7中也可以看出，图7中Si元素、Sr元素出现聚集也较图5中严重，表明白色亮点区域的元素Sr的含量较高，导致此区域含Sr的化合物的含量也增高，同时与无白色亮点区域的微观组织相比，白色亮点区域1和白色亮点区域2的微观组织中的硅相变得较为粗大，呈粗大的针状或板条状，这表明局部Sr元素的聚集也导致了这一区域Sr的变质效果衰退[3]。

图4 无白色亮点区域微观组织和EDS能谱图

图5 无白色亮点区域面扫描及元素分布图

图6 白色亮点区域1微观组织及EDS能谱图

从图7和图9中还可以看出白色亮点区域的微观组织中Sb元素和Ti元素的分布不均匀，存在较为严重的偏析现象，元素偏析的区域主要在较为粗大的硅相附近。

综合以上分析，笔者认为在粗大硅相附近偏聚的Sb元素和Ti元素有可能是造成高夹缺陷的主要因素，元素Sr的偏聚导致变质衰退从而有助于硅相长大，Sr与Si形成的含Sr化合物也是高夹缺陷产生的因素之一。

3 高密度夹杂缺陷产生原因分析

3.1 试验思路

合金中的高密度夹杂元素确定后，从以下方面分析缺陷的形成原因。

1）夹杂元素/相的来源。

2）分析熔炼过程中高密度夹杂发生阶段。

3）分析凝固组织中缺陷的分布位置。

3.2 夹杂中元素来源分析

表3列出了高密度夹杂中主要元素的物理性质和元素来源。

锑（Sb）主要用作铸造铝合金中的变质剂，仅在Al-Mg铝合金中代替铋防止钠脆，本实验中炉料中含锑（Sb）的为ZL101A锭，该炉料在生产时添加了Al-4%Sb作为细晶强化剂和变质剂；锑（Sb）另外一个来源还可能是以及回炉料中Sb元素残留，但回炉料中带入的Sb含量相对较小。AlSb4中间合金的Sb元素容易发生偏析，在凝固过程中形成团聚物，需要在熔炼过程中注意团聚物的消除。

图7 白色亮点区域1面扫描及各元素分布图

铝合金熔体中存在的含Ti夹杂物大多为细化剂残留物，本实验晶粒细化剂主要为作为中间合金的 AlTi5B1，细化剂其有效成分为 Al3Ti和 TiB2，Al3Ti在铝熔体中溶解性好，因此在熔体中发现Al3Ti的可能性很小。细化剂添加到熔体中一段时间后，其中的有效成分TiB2颗粒易发生团聚和沉降[2]，一方面减弱了细化效果，另一方面团聚的TiB2作为夹杂物影响熔体品质[4]。

Sr来源途径主要是Al-10%Sr中间合金中Sr溶解和回炉料中Sr的残留。此外AlTi5B1及Al-10%Sr中间合金熔点温度较高，短时间内不会完全溶解，易引起了含Ti、Sr化合物的高密度夹杂。此两种中间合金熔炼过程加入后需有足够的扩散溶解时间。

图8 白色亮点区域2微观组织及EDS能谱图

图9 白色亮点区域2面扫描及元素分布图

表3 元素及中间合金熔点值

3.3 高密度夹杂形成时机验证试验及方法

试验的方法：对合金熔炼过程的每个工步，根据合金液的不同位置，浇注试片（见下页图10），然后进行X射线探伤检验（下页图11底片），以判断夹杂缺陷的发生时间段及产生的位置区域。

熔炼过程各工步试验检测结果如下：

图10 试验试片

图11 方形试片探伤

1）高夹在合金液中的分布。液面的上层比液面底部分布严重，但熔炼结束后，随着静置时间的增加，高夹物质逐层下降，充分熔化后缺陷大为减轻。

原因分析：熔炼过程中，坩埚内下液面的温度要明显高于上液面的温度，液面下方合金液熔化的更充分，高密度夹杂物较少。但在合金熔体每次搅拌后，液面翻腾，导致密度大的高夹物有所上升，所以出现了液面上层高夹严重的现象。同时，未彻底融化的AlTi5B1等中间合金和较大原子团得以充分融化，随着搅拌结束后，高密度夹杂物质铸件逐渐下沉聚集，随着静置时间加长，充分熔化后，合金液中上层及下层高夹缺陷都大为减少，直至消失。

在浇注过程中，在浇注过程中，从升液管下口部附近的区域的合金液先进入型腔，然后由于压力的作用，升液管下口部附近的合金液不断填充弥补流失的空间，液面逐层下降[5]。所以熔体内中下层的合金液进入行腔较多。如搅拌不均匀则会使得聚集大比重Ti、Sb元素的中下层合金液更多地进入型腔，进而在凝固过程中形成高密度夹杂。

2）高夹缺陷产生时间段主要集中在两个时间段。第一个时间段：未加入镁锭前的全熔阶段，出现大范围的高夹问题，液面上下层均有其分布。第二时间段：加入细化剂及变质剂后初期，高夹分布严重。

3.4 分析结论

高密度夹渣主要是由于材料中的Ti、Sb、Sr元素构成。AlSb4中间合金的Sb元素容易发生偏析，在凝固中形成团聚物。Ti、Sr元素的中间合金的熔点较高，形成了固化相，同时加上搅拌作用，使其夹杂物上浮，没有使其充分的下沉及溶解，进入铸件型腔后，出现了此缺陷。

4 工艺优化及验证

通过上述问题的分析，拟采取了以下应对措施：1）加入镁锭后，进行升温至740℃，使原材料中的难熔元素充分熔化。

2）加入细化剂及中间合金时，升温至760℃，使其充分熔化。精炼结束后，需保温静置10 min，使夹杂物下沉溶解后出炉。

3）在精炼环节，需要调整氩气的压力及转速，使大比重元素偏聚物颗粒变小，促进充分熔化。

根据以上优化措施，改进了合金熔炼工艺并进行了多批次的工艺试验，结果表明，工艺优化后生产的铸件中，高密度夹杂缺陷消失，证明采取的上述措施有效。

5 结论

1）高密度夹杂主要由 Ti、Sb、Sr元素构成，来源主要是中间合金熔化不充分，最终在凝固过程中出现如TiB2、Si与Sr的化合物等高密度夹杂。高密度夹杂主要在首次全熔初期阶段出现，变质及细化阶段进一步偏聚，浇注后在试块上均匀分布。

2）AlSb4中间合金的Sb元素容易发生偏析，在凝固中形成团聚物。Ti、Sr元素的中间合金的熔点较高，形成了固化相，同时加上氩气精炼的作用，使其部分夹杂物上浮，没有使其充分的下沉及溶解，进入铸件型腔后，出现了此缺陷。

3）通过熔炼过程工艺调整，提高处理温度及静置时间，可以有效的消除高夹缺陷。