邓进俊，钟鲁宁，孙 虎，傅小明，张 月，纪伟进

（1.国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，苏州 215000；2.江苏省宿迁学院材料工程系，宿迁 223800）

0 前言

铸件的结晶组织一般由合金的化学成分及铸件凝固时的冷却条件决定的，它对铸件的各项性能，尤其是力学性能会有强烈的影响，因此生产中控制铸件的性能通常是通过控制铸件的凝固组织来实现的。结晶组织的微观结构对铸件的质量和性能也有强烈的影响。一般来说晶粒越小，铸件的夹杂和缺陷越分散，致密性就越好，其综合力学性能越好。因此，合理控制铸造组织并改进组织微观结构更有利于铸件质量性能的提高。

对于固态金属来说，常规热处理不改变合金成分，而是通过控制固态相变改变组织状态，从而实现合金性能的提升。这种工艺方法经济实用、简便易操作，是常规金属采用最广泛的增强增韧的工艺方法。对于铸造过程中的液态金属，随着凝固技术及簇理论的发展，高温液体金属的结构对最终凝固结构的影响引起了越来越多人的注意。熔体温度处理[1-2]是通过改变熔体的过热温度、高温停留时间及快速冷却速度等控制手段来控制熔体结构及其演变规律，从而改善最终铸造组织及提升铸造合金性能的方法。该技术工艺简单，效果较为明显，成为国内外学者研究的热点[3-5]。

1 熔体温度处理的机理

在铸造过程中液态金属状态起着重要的作用。众所周知，液态金属存在不均匀性，这些不均匀的局部区域可能会溶解或成长为结晶的核心，这一特性可用于控制液态金属的微观结构，从而影响铸件的力学性能[6-7]。对于液态金属微观状态的控制一般可分为以下三种基本方法：温度法（熔体过热、保温、变速冷却等）、机械法（使用机械振动[8]、电磁场[9]、搅拌[10]等）和化学法（加入熔剂，例如变质剂[11]、晶粒细化剂[12]）。

在常规铸造工艺中，熔体通常在高温下浇注，该温度比其熔点高约50~100 ℃。大多数液体的成核点在这个温度下消失。温度越高，液体的活性越低。因此，凝固组织中的树枝状晶粒通常较粗，这会损害铸件的机械性能。通常来说，铸态组织细化是通过增加液态金属中成核位置来实现的。临界核直径与熔体过冷度成反比，随着过冷度的增加，自由能的降低将更加明显。因此，由于临界形核尺寸的减小以及提供更大的结晶驱动力，过冷度的增加将有利于形核。在熔体温度处理期间，往往高温熔体会因与低温熔体混合或是采用某些冷却手段使其急速冷却，当熔体冷却至液相线时，其中存在许多原子团簇和高熔点非均匀相（其结构接近于固相），这些原子簇和异质相在凝固过程中成为核心，使凝固的微观结构因此而变得更精细[13]。随着熔体过热温度的进一步升高，合金元素的热扩散将使合金元素的分布趋于均匀，这将明显影响后续的凝固过程。

2 熔体温度处理的方法

熔体温度处理技术通常有以下三种方法：

（1）熔体过热处理：熔体过热处理是将熔体加热到最佳熔炼温度以上某一温度，并保温一段时间后快速冷却成型，从而改变熔体结构，影响形核、生长等过程，最终细化晶粒、提升材料综合性能的一种处理方法。

（2）熔体热速处理：熔体热速处理是将熔体加热到过热温度后，调整其冷却速度至浇注温度进行浇注的一种铸造工艺。相较于过热处理，这种工艺更注重熔体冷却速度，通常采用激冷的方法。

（3）熔体混合处理：熔体混合处理方法是将一炉已加热到过热温度的合金炉料倒入另一炉正常降温至熔化温度的合金炉料，然后迅速搅拌直至降至浇注温度进行浇注。

3 熔体温度处理对组织及性能影响

回顾近几年来铝合金熔体温度处理技术在合金凝固组织及性能影响上的研究，主要体现在以下几个方面。

3.1 熔体温度处理对基体组织的影响

对于铸造铝合金来说，其基体组织通常为α-Al相，未经处理的原始组织应为树枝状晶，这不利于铸件的力学性能，故通常会加入Ti-B细化剂来改善α-Al相的组织形态。Ti-B细化剂在铝合金液中形成TiAl3和TiB2，成为铝合金α-Al相树枝晶组织的有效异质结晶核。但这种细化方法的细化效果有限，且会带入合金元素，因此目前熔体温度处理技术在改善基体组织形态方面也有一定的研究[14-15]。包晓东[16]通过对Al-6 Cu合金、Al-33 Cu合金熔体进行熔体过热处理试验，利用金相对比分析发现，未经过熔体热处理的合金凝固组织中晶粒尺寸比较粗大，晶粒的形貌很不规整，晶粒大小分布不均匀，α-Al相呈现层片状分布。而经过熔体过热处理的合金晶粒尺寸明显细化， 各种相组织分布比较均匀。孙钰等[17]对ZL205A合金进行了熔体过热处理，发现熔体过热处理明显细化了ZL205A合金铸态基体组织。熔体过热温度由750 ℃升高到900 ℃，砂型试样晶粒尺寸由152.1 μm 减小至110.7 μm。同时对比了砂型铸造与金属型铸造，发现熔体过热处理对砂型铸造试样凝固组织的细化效果更为明显。陈忠伟等[18]通过熔体过热处理Al-7%Si-0.50%Mg合金，发现不经过Sr变质，仅通过熔体过热处理的Al-7%Si-0.50%Mg合金，其α-Al相及共晶硅相均得到明显细化。

3.2 熔体温度处理对第二相的影响

对于铸造铝硅合金来说，制约其力学性能的最大因素为粗大的初生硅和共晶硅相。这些粗大的第二相的存在，会割裂基体，诱发应力集中。这不仅严重地降低了合金的力学性能，同时对合金的切割性能也有一定的影响，因此国内外学者开展了较多的关于熔体温度处理对初生硅及共晶硅组织形态影响的研究。

李艳霞等[19]通过熔体过热温度处理Al-25%Si合金，发现过热温度增加至1 000 ℃，初生硅直径减小至15 μm；而继续提升过热温度不利于初生硅颗粒的细化，当过热温度在 1 000 ℃以上时，初生硅直径会再次粗化，同时增加冷却速度有利于硅颗粒尺寸细化。李秋菊等[20]将熔体过热处理与磷铜变质结合综合处理Al-20%Si合金，发现当熔体处理温度为1 000 ℃时，既细化了初晶硅又细化了共晶硅。初晶硅平均尺寸约为36 μm，减小了62%，且共晶硅为短纤维状和点状，并且熔体温度升高会促进Cu3P与Al的反应，进而增加铝熔体中AlP的数量以细化初晶硅。梁超[21]将熔体混合处理与Sr变质复合起来处理，研究了低温熔体温度对初晶硅细化效果的影响，发现液固温度区间制备合适温度的低温熔体（640 ℃）可获得最佳初晶硅细化效果，初晶硅晶粒尺寸可低至10.27 μm，且分布弥散。吴斐斐等[22]将熔体混合技术与半固态加热技术结合起来处理Al-18%Si合金，发现不仅初生硅颗粒平均直径得到细化，并且其形态由不规则的块状变成了近球状。张先锋等[23]对Al-18%Si合金进行高低温熔体混合处理时发现，当熔体混合处理的低温熔体处于半固态温度区间内某一温度时，比处于液相线以上温度的低温熔体可获得更佳的初生硅细化效果。此外，在高温熔体与低温熔体混合比例为0.5:1时，初生硅的细化效果最佳，其平均直径可由传统工艺下的33.7 μm以上细化到12 μm以下。

3.3 熔体温度处理对合金性能的影响

采用熔体温度处理技术能够影响金属凝固前的液体结构。不同的液体结构对金属材料的组织、性能也有不同的影响[24]。因此通过运用该处理技术，合金的力学性能、腐蚀性能、抗拉强度、磨损形貌等性能均能得到一定的提高。王庆磊等[25]研究了不同熔体温度对Al-15Si-2.7Fe凝固合金性能的影响。研究表明，在930 ℃熔体热速处理下，由于硅相和铁相的细化，Al-15Si-2.7Fe合金的力学性能显著提高。相比于普通工艺，该工艺使合金的抗拉强度、伸长率和硬度分别提高了12.7%、38.5%和10%，合金的磨损量和摩擦系数分别降低了7%~17%和24%~30%，合金的耐腐蚀性能最好，腐蚀电位最高，腐蚀电流密度也最低。不同熔体温度热速处理后合金的铸造性能都有所提高。李秋菊等[26]研究了熔体温度处理对变质Al-20%Si合金组织和性能的影响。研究表明，经变质处理与熔体温度处理后，布氏硬度值显著増加，且硬度随着初生硅尺寸的减小而増大，摩擦系数与磨损量减小。

4 结论

在过去的三十年中，人们已从各个方面对熔体温度处理对合金凝固组织的影响进行了广泛研究，并且某些合金的组织和性能已通过这种方法得到了明显的提升。通过使用熔体温度处理技术，在不添加任何改性元素的前提下，铸造铝合金的微观结构和力学性能均可得到提升，这对于铸造行业是非常有吸引力的。

从目前的研究结果上看，合金的凝固组织取决于过热温度以及凝固过程中的冷却速度，但晶粒组织细化的机制、熔体温度对初生相与共晶组织的影响是否一致等问题仍未探明，有待于进一步的研究与探讨。