王文超 陈 琳 苏广才

(①武汉市特种设备监督检验所，湖北 武汉 430019;②长江工程职业技术学院机械工程系，湖北 武汉 430212;③广西大学材料科学与工程学院，广西 南宁 530004)

铸造铝合金为传统的金属材料，由于其密度小、比强度高等特点，广泛地应用于航空、航天、汽车、机械等各行业［1］。铸造Al-Si 合金流动性好，铸件致密、不易产生铸造裂纹，具有良好的铸造性能、抗腐蚀性能和切削加工性能，是制造业中备受重视的结构材料之一，其用量占铝铸件总产量的85%～90%［2］。但是，铸造Al-Si 合金耐热性低，工作温度一般低于185 ℃［3］，因此限制了其更为广泛的应用。本文在传统AlSiMg 系铸造铝合金的基础上，通过正交设计法添加多种元素制备了一种改良合金，使其高温力学性能得到了改观。对这样一种组织和性能都发生了变化的改良合金，Ba盐变质处理对其是否起作用，本文作了有益的探讨。

1 改良铸造AlSiMg 合金的成分及性能

通过正交设计法得到的改良铸造AlSiMg 合金的成分见表1。

表1 改良铸造AlSi 合金的化学成分

改良铸造AlSiMg 合金的力学性能、铸造性能与ZL101 的对比情况，见表2、表3。

表2 改良铸造AlSiMg 合金的力学性能(未变质)

表3 改良铸造AlSiMg 合金的铸造性能(未变质)

由表2、表3 可知，改良铸造AlSiMg 合金不但具有良好的常温力学性能和高温力学性能，而且还保持其优良的铸造性能，是一种具有开发应用前景的新型铸铝合金。

2 Ba 盐变质工艺

2.1 变质剂与覆盖剂

改良合金Ba 盐变质的变质剂、覆盖剂成份见表4。

表4 变质剂、覆盖剂组成

2.2 变质处理方法

待金属炉料完全熔化后，调整炉温到730～750 ℃左右，待液态金属炉料温度达到730～750 ℃左右时，用占炉料总重3.5%的C2Cl6进行除气精炼，精炼完毕后，静置1～2 min，然后扒去液面上的浮渣，将Ba 盐变质剂均匀撒到液面上，变质处理保温时间的选取以1 h为一次间隔，且间隔期间为了加速Ba 的溶解，用不锈钢棒在铝液中轻轻搅拌2～3 次，在每次浇注之前都要精炼除气，精炼完毕，扒渣浇注试样。

3 实验结果及分析

3.1 Ba 盐加入量对变质效果的影响

图1 是Ba 盐变质剂加入量分别为0.6%、1.0%、1.4%和1.8%的金属型铸态金相组织，表5为不同Ba 盐变质剂加入量对应的改良合金力学性能实验数据。

表5 不同Ba 盐加入量对应的改良合金力学性能

从图1a 中可以看出，改良合金的组织主要由白色初生α(Al)固溶体和呈黑色网状分布的共晶体组成。当Ba 盐的的加入量为0.6%时，组织中粗大的针状共晶硅开始聚集，α(Al)固溶体开始趋向圆整，片状共晶硅数量比变质前开始减少。当Ba 盐加入量为1.0%时，组织中的片状和针状共晶Si 明显减少，共晶Si 多为点状或者是短棒状，α(Al)固溶体与共晶体分离完好。当Ba 盐量增至1.4%和1.8%时，组织中点状和短棒状共晶体开始粗化，且有长大的趋势。金相分析表明，Ba 盐的最佳加入量为1.0%。表5 的力学性能数据也印证了这一点。

究其原因笔者认为，一是细晶强化。随着合金中Ba 元素添加量的增大，晶粒尺寸先出现变小的趋势，但当Ba 加入量达到一定程度后，晶粒尺寸又开始变大，并有发达的树枝晶出现。根据霍尔-佩奇公式［4］，晶粒尺寸与其屈服强度有函数关系σs=σ0+k·d-1/2，式中，σs为屈服强度;σ0为常数;k 为常数;d 为晶粒直径。所以改良合金的屈服强度随晶粒尺寸的减小而增加。二是固溶强化。EDS 分析表明在共晶体晶界处易析出新相，该相多为BaAl4相。一方面，适量的BaAl4相可以作为硬质点，且Ba 原子半径较大，可造成基体金属的晶格畸变，从而使得改良合金的力学性能显著提高;另一方面，BaAl4相和共晶Si 的晶体结构不同，引起晶界处的聚合力降低，在发生塑性变形时容易沿晶界发生断裂，所以过多的BaAl4相又会引起合金力学性能的下降。因此只有Ba 盐的加入量在1.0%时，改良的合金的力学性能才达到最佳状态。图2 改良合金断口扫描照片也印证了这一结论。

图2 为改良合金断口形貌组织SEM 照片，Ba 盐的加入量为0.6%和1.8%时，断口表面有很多较为平坦的准解理面，这些准解理面在断口表面大量分布，在不同高度的解理面之间有解理台阶存在，没有发现韧窝组织，是典型的脆性断裂;当Ba 盐的加入量为1.0%时，断口表面韧带较多，组织致密、均匀。且撕裂棱上有细小韧窝，断口表面有较大的起伏，没有发现沿晶断裂状态，断裂形式已由脆性断裂转化为以脆性断裂为主的混合型断裂，因此材料的韧性有所提高。

3.2 变质温度对变质效果的影响

变质温度的控制对合金质量具有重大影响［5］。改良铝硅镁合金的含硅量在7.5%左右，其液相线温度约为610 ℃，高于共晶温度577 ℃。已有研究表明［6］变质处理温度对共晶硅尺寸的影响:在变质处理温度高于合金液相线100 ℃左右时就会有明显的变质细化效果，继续升温没有必要，相反只会增加合金吸气和产生氧化夹杂。据此，变质温度初定为700～850 ℃。

图3 为Ba 盐加入量为1.0%的不同变质温度所对应的金相组织。

可以看出，变质温度为700℃时，组织的特征为α(Al)固溶体不圆整，部分共晶硅仍较为粗大，为典型的变质不足现象(见图3a)。变质温度为750℃时，共晶体与α(Al)固溶体枝晶均匀分布，共晶Si 相不仅细小且呈点状或蠕虫状分布，与α(Al)固溶体分离也较为完好，一次枝晶间距较小(见图3b)。图3c 和d 中，共晶硅尺寸较大，晶粒开始粗大，变质效果开始下降。当变质温度升高至850 ℃时，树枝状α(Al)固溶体的基本形貌开始逐渐消失。实验表明，Ba 盐变质最佳的变质温度为750 ℃左右。

3.3 Ba 盐变质的长效性检验

图4 为Ba 盐加入量1.0%变质后不同保温时间的金相组织。由图4 可知，变质时间在0.5 h，合金的显微组织与未变质时几乎完全相同，共晶硅多为长条状和层片状，说明改良合金没有变质。保温时间在1.5 h 时，α(Al)固溶体与共晶体分离，共晶硅明显细化，为点状或短棒状，且树枝状α(Al)固溶体的圆整度非常高，变质效果明显。保温时间为2.5 h 时，变质效果依然良好。保温时间为3.5 h 时，合金虽然还保持变质的形貌，但共晶硅已出现粗化的趋势。

实验表明，Ba 盐变质具有长效性，有效变质时间能达到3.5h 左右。但Ba 盐变质存在0.5 h 左右的潜伏期，也称为孕育期［7］，这是由Ba 盐的自身特性决定的。

3.4 Ba 盐变质的重熔性检验

经过变质的铝合金经反复熔化和凝固后仍具有良好的变质效果称为重熔性。显然，合金重熔性好，生产成本就低，有显著的经济效益。

图5 为改良合金在Ba 盐加入量为1.0%变质后不同重熔次数的微观组织。由图5 可以看出，改良合金经4 次重熔后，仍具有良好的变质效果，树枝状α(Al)固溶体明显，圆整度较高，共晶硅多为细粒状或纤维状。实验表明，Ba 盐变质具有良好的重熔稳定性。

4 结语

(1)Ba 盐变质处理对改良合金是有效的，Ba 盐的最佳加入量为1.0%。

(2)对于改良合金，Ba 盐变质最佳的变质温度为750 ℃左右。

(3)Ba 盐变质具有长效性，但存在0.5 h 左右的潜伏期。本实验条件下，保温3.5 h 时后，改良合金仍然保持良好的变质效果。

(4)Ba 盐变质具有良好的重熔稳定性，本实验条件下，改良合金经4 次重熔后，仍具有良好的变质效果。

［1］熊艳才，刘伯操.铸造铝合金现状及未来发展［J］.特种铸造及有色合金，1998(4):1 -4.

［2］廖恒成，方信贤，孙国雄.铸造Al-Si 合金熔体处理--晶粒细化［J］.特种铸造及有色合金，1999(3)

［3］李传杰，刘勇，乔兴华.厚壁大型G-AlSi10Mg 铸件铸造工艺研究［J］.特种铸造及其有色合金，2006，26(2):118 -120.

［4］李慧，张静武，缑慧阳，等.复合变质对ZL101 合金力学性能的影响［J］.特种铸造及有色合金，2007，27(10):810 -812

［5］陆文华，李隆盛，黄良余.铸造合金及其熔炼［M］.北京:机械工业出版社，2008.

［6］王正军.Al10Ce 中间合金制备及其变质效果研究［D］.兰州:兰州理工大学，2005.

［7］李金锋.Y、Ba 对AZ91 镁合金主要相组成的影响［D］.济南:山东大学，2005.