ZL104合金变质分析

该铸件材料为ZL104，热处理状态T6，采用铝锶中间合金进行变质。从表1及图1可以看出，铸件的抗拉强度及硬度偏高，延伸率偏低，铸件晶粒粗大。同时在破坏铸件时发现断口存在硅亮点。
经初步分析，出现铆裂现象的原因为ZL104合金中共晶硅变质不足导致铸件晶粒粗大，铸件硬度升高，抗拉强度升高，延伸率偏低。

2 ZL104合金特性
2.1 铝硅合金特性
常用的铸造铝合金大多数是亚共晶和共晶型的。图2为Al-Si二元系形成共晶型相图，合金的组织由韧性的α（Al）固溶体与硬脆的共晶硅相所构成。为保证有良好的铸造性能，要求合金组织中有相当数量的共晶体，但共晶体量多又会使合金变脆而降低机械性能。[1]
2.2  ZL104合金特性
该合金成分见表2，经变质和热处理T6后，其组织为初生α和细密的α+Si共晶体。ZL104合金铸造性能优良，充型能力强，线收缩小，无热裂、疏松倾向。
 

2.3 铝硅合金共晶体的变质铝硅合金共晶体中的硅相在自发 非控制生长条件下会长成片状（图3）。这种形态的脆性相严重的割裂基体，大大降低合金的强度和塑性。为了改变这种状况，对含硅量＞6%的铝合金一般都进行变质处理。铝硅共晶合金变质后，由原来粗大片状硅晶体组成的共晶组织变为由树枝状初生α固溶

 
图3  ZL104未变质组织

体和（α+Si）共晶体所组成的亚共晶组织。共晶体中的硅相变为细小纤维状。根据铝硅共晶体的变质机理→孪晶凹谷机制，合金被变质后，铝液中变质剂选择性吸附富集在孪晶凹谷处，阻滞了硅原子或硅原子四面体长上去的速度，使孪晶凹谷生长机制受到抑制，导致硅晶体生长形态发生变化。这就促使硅晶体由片状变成具有等轴断面的弯曲纤维状，使晶粒细化。生产中常用的变质剂有以下几种：

（1）钠盐变质剂
其组成为NaF、NaCl、KCl、Na3AlF6的混合物，主要有二元变质剂、三元变质剂、通用变质剂。其缺点是钠极易烧损，变质剂中的F-、Cl-离子腐蚀铁质坩埚的同时使铝液渗铁，在坩埚上形成一层结合牢固的炉瘤，浇注后很难清除，变质后铝液的流动性能降低，铸件疏松、缩孔倾向加大，常与面层涂料反应形成化学粘砂。
（2）锶变质剂
锶常以Al-Sr中间合金形式加入。其加入量为0.02%～0.06%，砂型铸造取上限，金属型铸造取下限。锶变质的缺点是锶中存在SrH，除氢不易，常在铸件中形成针孔。
（3）锑变质
锑的熔点630.5℃，密度6.68g/cm3，常以Al-5～8X10-2Sb中间合金加入。加入量为0.1～0.5X10-2Sb，变质温度720～740℃，存在约15～20min的潜伏期。其优点在于锑是长效变质剂，事实上不衰退；且容易控制锑含量，不易造成变质不足或过变质现象，不增大铝液的吸气与氧化夹杂倾向。缺点是对冷却速度敏感，生产中常用于金属型铸造。
（4）稀土变质
稀土中Eu的变质能力最强，La次之，Ce、Pr、Nd及RE又次之。高纯合金含稀土0.03～0.05X10-2，即能很好的变质，变质组织类似于钠。生产中以中间合金或纯稀土加入，加入量La为0.2～0.4%，RE应较多甚至可达1%，变质温度720～740℃。稀土元素变质的优点一是长效，二是有微量稀土溶入α（Al）中，起固溶强化作用。缺点是不适用于缓慢冷却的铸件，变质后必须辅以固溶处理。[2]
本文主要针对钠盐变质剂及锶变质剂对ZL104合金进行变质试验，并分析产生不足的原因。

3 锶（Sr）变质试验
    由变质机理我们可知，导致铸件抗拉强度偏低的主要原因是合金液中变质剂不足或没有（铸件断口存在硅亮点且组织粗大）。经复查熔化记录，发现熔炼工艺为：加料→熔化→变质（Sr）→精炼（C2Cl6）→浇注。
变质剂为Sr，精炼剂为C2Cl6。锶的最外层电子数为2，极易失去最外层电子数被氧化，化学性质活泼。按上述工序流程，ZL104合金在熔炼时发生以下反应。化学反应方程式如下：
 

按熔化200Kg铝料计算，锶加入量按0.05%加入，根据上述分析可知变质剂锶用量B=100g，再计算精炼剂C2Cl6用量A=92.3g。当熔化200Kg铝料时从理论上计算仅需92.3g C2Cl6就将变质剂锶完全反应掉，而熔化200Kg铝料实际的C2Cl6用量在800g～1400g（工艺要求用量为0.4%～0.7%）。ZL104合金抗拉强度及延伸率不合格的主要原因是变质剂被精炼剂消耗掉，凝固时共晶硅生长未受到抑制，导致合金晶粒粗大，抗拉强度及延伸率偏低。
    针对上述分析，做了如下调整：
1） 锶加入量分别为0.05%，0.06%，0.12%。
2） 熔炼工艺路线更改为：加料→熔化→精炼（C2Cl6）→变质（Sr）→精炼（氩气）→浇注。调整后铸件的本体了力学性能、金相检查见表3（铸件热处理状态为T6）。

表3 铸件本体力学性能及金相组织

由表3可知，变质剂锶加入量为0.05%～0.12%时，ZL104合金铸件本体机械性能合格。为了验证变质剂Sr加入量的下限值，随后，将锶（Sr）加入量调整到0.02%，又试验了2炉。结果见表4。
 

从表3、表4分析，当改变工艺流程后，铸件机械性能明显好转，变质剂锶（Sr）加入量从0.02%～0.12%，铸件的机械性能均合格。但是在熔炼过程中，变质剂锶（Sr）加入量过多会引起合金针孔度加大，当变质剂锶（Sr）加入量为0.12%时，Ar气精炼后铸件的针孔度在4～5级左右。
因此，变质剂锶加入量为0.02～0.06%，断口检查组织较好，无硅亮点，组织致密，断口呈蜂窝状。且锶加入量为0.06%时引起的针孔度相对0.12%更低，用Ar气处理后针孔能控制在2～3级。

4 钠盐变质试验
4.1 钠盐组成成分

熔炼工艺流程按如下进行：加料→熔化→精炼（C2Cl6）→变质（Na盐）→浇注。变质剂用量取中限：2.5%。将钠盐变质剂均匀的撒在合金液面上，覆盖10～15分钟后，将已结壳的变质剂切碎压入铝液2～3分钟。取铸件本体做力学性能试验，结果见表6。
 

从表6可以看出，ZL104合金用钠盐变质能达到航标要求。由于钠盐变质会增大合金吸气氧化倾向，且将变质剂压入铝液中也将污染铝液，因此钠盐变质后用氩气对合金液处理3～5分钟效果更佳。

5 锶与钠盐变质效果的对比
5.1 机械性能区别
从表4、表5、表6可以看出，锶变质的ZL104合金铸件硬度高、延伸率低，钠盐变质的ZL104合金铸件硬度低、延伸率高，抗拉强度钠盐与锶变质的合金区别不大。如辅以合理的热处理参数钠盐变质效果应优于锶变质。力学性能平均参数对比见表7。

钠盐变质后ZL104合金的粘度增大，流动性较锶变质的合金流动性差，铸造性能没有锶变质好。因此在同等模壳预热温度下，钠盐变质的铸件容易因合金流动性差而产生疏松。
 

图5 ZL104“钠盐”变质的组织200X

5.3 变质有效时间区别
锶变质有效时间达6～8小时，重溶后仍有变质效果，但变质有潜伏期，处理后需经30～45分钟后才具有变质效果。钠变质的有效时间为30分钟左右。但锶变质后合金除气困难,铸件针孔倾向大。

6 结论
（1）某厂铸件出现铆裂现象为工艺路线不合理所致，ZL104合金采用锶变质后不能再用C2Cl6进行精炼，可用氩气对锶变质后的合金液进行处理。
（2）熔模铸造ZL104合金采用锶变质，当锶用量为合金液重的0.02%~0.06%时，铸件机械性能符合航标要求，但合金液除气困难。采用钠盐变质后，合金流动性变差，可适当提高模壳预热温度。
（3）锶变质后合金除气困难,铸件针孔倾向大，因此生产ZL104合金时应优先考虑钠盐变质。

参考文献
[1] 中国机械工程学会分会编.第3卷 铸造非铁合金.北京:机械工业出版社.2001.10
[2] 郑来苏.铸造合金及熔炼. 西北工业大学.1994. 12