潘强，刘永玲，王波，潘会平，杨华

（1.兰州市兰石能源装备工程研究院，甘肃兰州730050；2.深圳比亚迪汽车工程研究院，广东深圳518118）

铝合金半固态浆料变质处理工艺研究

潘强1，刘永玲2，王波1，潘会平1，杨华1

（1.兰州市兰石能源装备工程研究院，甘肃兰州730050；2.深圳比亚迪汽车工程研究院，广东深圳518118）

在变质剂选定的情况下,只改变变质剂的质量百分比这一个参数，研究同种类变质剂不同添加量对铝硅合金组织及力学性能的影响。采用原料为A356铝硅中间合金，在加除渣剂与精炼剂后，用钛硼作为变质剂在不同百分比情况下重熔，把所得金属液浇注成拉伸试样，热处理后观察金相组织并测试其抗拉强度，发现钛硼含量为0.175%时变质效果最佳。

变质剂；铝合金；变质处理；微观组织；力学性能

铝合金是绿色环保材料，可循环回收，回收率可达85%以上。同电解法生产铝及铝合金相比较，回收再生1t铝合金能够减少能耗95%，降低碳排放90%以上。如何提高再生铝合金的品质和性能成为企业界和学术界共同关注的问题[1]。半固态加工是利用金属从液态向固态转变或从固态向液态转变（即液固共存）过程中所具有的特性进行成形的方法，这一新的成形加工方法综合了凝固加工和塑性加工的长处，即加工温度比液态低，变形抗力比固态小，可一次大变形加工成形状复杂且精度和性能质量要求较高的零件[2-4]。本文在变质剂选定的情况下，只改变变质剂的质量百分比这一个参数，研究同种类变质剂不同添加量对铝硅合金微观组织及力学性能的影响[5]。

1 试验

1.1 原料

A356铝锭，钛-硼变质剂，除渣剂，精炼剂，氧化锌粉末。其中，A356铝合金的成分组成见表1。

1.2 主要设备

井式电阻炉，丹阳市华信工业电炉有限公司；F-P400型球磨机，湖南弗卡斯试验仪器有限公司；Q-2型金相试样切割机，莱州蔚仪有限公司；CSS-44200型电子万能试验机，温岭市长风机床附件厂；MP-2型抛光机，绍兴精博检测仪器厂；XQ-2B型金相镶嵌机，莱州蔚仪有限公司；XJZ100型金相显微镜，莱州蔚仪有限公司；XL30ESEM-TMP型环境扫描电镜，荷兰飞利浦公司。

1.3 试验前的准备

（1）试验前首先将大铝锭切割成小块，准备好足够的试验道具，配好氧化锌溶液。

（2）在坩埚和其他试验道具上涂上氧化锌溶液。其中，在坩埚上涂氧化锌溶液是为了熔体的铝液更好的流出，也避免试验后残留的铝液粘在道具上；在其他道具上涂抹氧化锌溶液是为了避免道具与铝液的直接接触，以免给铝液带来渣滓影响其纯度[6]。

（3）将涂好氧化锌溶液的试验用的勺子、夹具、模具、坩埚晾干，并进行预热。本试验用2个坩埚，一大一小，其中，大的用来熔炼铝液，在小坩埚中进行变质处理。

（4）根据铝锭的质量确定所需钛-硼变质剂的量，同时也确认除渣剂和精炼剂的添加量。由于每次浇铸所用的铝液为0.8kg，然后根据除渣剂与精炼剂所占的质量百分比分别为0.3%与0.2%，可得其添加量分别为2.4g和1.6g。

1.4 用钛-硼变质剂与A356铝合金进行试验

（1）按照1.3中计算得到的添加量称量精炼剂和除渣剂各7份。

（2）2个电炉同时开启，加热大小不同的坩埚，大坩埚里熔炼铝液，小坩埚中进行变质处理。

（3）铝液熔化后，从大坩埚中取出试验所需要量的铝液倒入小坩埚中，其体积占小坩埚容积的75%，放入电炉中保温到650～720℃左右[7]。保温后，加入除渣剂，搅拌均匀。

（4）加入中间合金，搅拌均匀，之后清除杂质保温10min。

（5）从电阻炉中取出铝液浇注成棒状试样，编号。7组试样中变质剂的加入量见表2。

表2 变质剂的加入量w/%

1.5 分析测试

（1）制作金相试验样品：把做成的试样截取一小段，在砂轮上进行打磨，然后在粗砂纸上粗磨，光滑后在细砂纸上细磨，在抛光机上进行抛光，抛光好后，用4%硝酸酒精溶液对试样进行腐蚀，采用荷兰飞利浦公司生产的XL30ESEM-TMP型环境扫描电镜观察支架的断面微观形貌。

（2）拉伸试验：将试样扯出所要的形状，做好后放在电子万能试验机上做拉伸试验，记录试验数据。

2 结果与讨论

2.1 变质剂添加量对合金微观组织的影响

图1是添加不同量的变质剂后试样的金相组织图，其中（a）～（g）中变质剂的质量分数依次为0.03%、0.0375%、0.08%、0.10%、0.1375%、0.175%和0。

通过上述7张图片可以得出，钛硼对A356铝合金组织具有明显的变质效果，可使共晶硅的形态发生显著的变化，由粗大的板条状变为细小的颗粒状。而且随着钛硼含量的增加，变质效果愈加显著，其中钛硼含量为0.175%的试样变质效果最佳。

在合金中添加一定量的Ti和B能使合金晶粒细化。Ti在合金中的细化机理主要是在温度665℃时发生的包晶反应：L（液）+TiAl3→α-Al，而B在合金中的细化机理源自硼化物颗粒理论，即B在铝熔体中能够形成一些硼化物颗粒（TiB2、AlB2），这些硼化物能够成为α-Al的形核心，对合金起到细化效果[8-10]。

钛-硼的细化作用是TiAl3造成的，硼的添加只是促使TiAl3的生成，因为硼使铝-钛二元合金液相线曲率急剧增大，使钛在液体铝中的溶解度减小，这样便扩大了TiAl3一次结晶的范围，从而使晶粒细化效果更佳[11]。

将钛硼变质剂加入到A356合金熔体中，相当部分的TiAl3相将会溶入熔体中，高温稳定的TiB2相不能直接成为α-Al初晶的有效形核点，需要在其表面覆盖一层TiAl3膜后才同α-Al有良好的晶格匹配，从而成为初晶有效形核位置。溶入熔体中的Ti溶质元素具有最高的生长限制因子，促进了熔体中成分过冷，因此容易达到初晶形核所需过冷度要求，从而降低初晶胞尺寸。最近研究指出铝合金中添加Al-Ti-B细化剂大大降低了初晶形核所需的过冷度，导致形核密度大大增加，从而导致柱状枝晶向等轴晶的转变[12]。初始晶粒形核后的一段时间，晶粒自由长大，直到与周围其他晶粒接触形成枝晶网络。随后直到共晶点的温度区间，固-液界面的状态及冷却速度将主要影响合金的二次枝晶生长。

2.2 变质剂添加量对合金力学性能的影响

表3给出了所制试样的拉伸试验结果。

图1 变质剂添加量对合金微观组织的影响

表3 拉伸试验结果

由表3可知，随着变质剂加入量的增加，A356合金的室温拉伸强度也随之增加。这是因为晶粒会随着变质剂的加入而逐渐变小，晶粒越细小，晶粒的抗拉强度越大，因此，当变质剂的加入量达到0.175%时合金的抗拉强度达到最大。

3 结论

（1）钛硼对A356铝合金组织具有明显的变质效果，可使共晶硅的形态发生显著的变化，由粗大的板条状变为细小的颗粒状。

（2）随着钛硼含量的增加，变质效果愈加显著，其中钛硼含量为0.175%的试样变质效果最佳，抗拉强度达到最大。

[1]黄持伟.铝合金半固态浆料连续制备装置研究[D].南昌：南昌大学，2014.

[2]郭洪民，杨湘杰，京玉海.铝合金凝固微观组织数值模拟[C]//第八届全国塑性加工学术年会论文集，2002.

[3]王明，刘旭波，郭洪民，等.半固态A356铝合金坯料切口断面特征[J].特种铸造及有色合金，2015，35（7）：720-722.

[4]王明，刘旭波，郭洪民，等.半固态A356铝合金初生相多重分形分析[J].特种铸造及有色合金，2015，35（8）：837-840.

[5]刘旭波.半固态铝合金浆料智能制备技术和装置研究[D].南昌：南昌大学，2007.

[6]张小立.铝、镁合金半固态浆料制备技术的研究[D].大连：大连理工大学，2008.

[7]吴保亮，朱会，杨湘杰.半固态A356铝合金微观组织三维形貌的研究[C]//2013中国铸造活动周论文集，2013.

[8]刘艳华，熊洪淼，郭洪民，等.半固态A356铝合金流变挤压铸造工艺[J].特种铸造及有色合金，2008，28（2）：122-124.

[9]樊振龙.有机添加剂在电解铜箔生产中的应用[D].南昌：南昌大学，2010.

[10]朱光磊，杨湘杰，郭洪民.半固态A356压铸成形温度和压射速度的优化[J].特种铸造及有色合金，2006，26（12）：777-780.

[11]GUOHong-min，YANGXiang-jie，HUBin，etal.Effects ofrheoformingonmicrostructuresandmechanicalpropertiesof7075wroughtaluminumalloy[J].Transactionsof NonferrousMetalsSocietyofChina，2010，20（3）：355-360.

[12]杨湘杰，刘谨，潘明强.半固态A356合金触变铸造流变特性的研究[J].特种铸造及有色合金，2001（S1）：208-211.

10.13752/j.issn.1007-2217.2017.01.007

2017-02-23