趙紅亮，趙開新，孫啟宴

(1．鄭州大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州450001;2．河南機電高等?？茖W(xué)校 汽車工程系，河南 新鄉(xiāng)453002)

0 引言

鋁硅系合金以其優(yōu)異的鑄造性能被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造等領(lǐng)域［1-2］，但未經(jīng)細(xì)化和變質(zhì)的鋁硅合金組織中α-Al 晶粒粗大，共晶硅呈針片狀，對其性能影響嚴(yán)重［3-4］． 目前，提高鋁硅合金性能最直接有效的方式是向熔體中添加晶粒細(xì)化劑和共晶硅變質(zhì)劑［5］． 鄭州大學(xué)自主開發(fā)的Al-Ti-C-Sr 細(xì)化劑具有細(xì)化和變質(zhì)雙重效果，可有效提高鋁硅合金的性能［6-8］． 高雅等［9］通過正交實驗優(yōu)化出了Al-Ti-C-Sr 細(xì)化劑的最優(yōu)成分為Al-3Ti-0．2C-5Sr，但其制備出的細(xì)化劑中各相形貌不能有效控制．

筆者研究Al-3Ti-0．2C-5Sr 細(xì)化劑制備過程中澆鑄溫度、冷卻速度和保溫時間對顯微組織的影響，并對其凝固過程進(jìn)行分析，為有效控制細(xì)化劑中各相的形貌、尺寸提供理論依據(jù)．

1 實驗材料與方法

制備Al-3Ti-0．2C-5Sr 細(xì)化劑的實驗原料為:工業(yè)純鋁、工業(yè)氟鈦酸鉀、石墨粉、工業(yè)純鍶．工業(yè)純鋁的各元素百分含量如表1 所示(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，工業(yè)氟鈦酸鉀的純度大于99%，石墨粉的平均粒度約為74 μm，工業(yè)純鍶的純度大于99．9%．

表1 工業(yè)純鋁的化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab．1 Composition of commercial－purity aluminum of mass fraction %

將工業(yè)純鋁放入坩堝電阻爐中，720 ℃保溫至純鋁完全熔化，升溫至950 ℃，加入預(yù)熱好的氟鈦酸鉀和石墨粉并保溫60 min，期間每隔15 min攪拌一次，降溫到850 ℃加入純鍶，保溫一段時間后澆鑄，澆鑄溫度分別為850，800，750 ℃．冷卻方式分為3 種:第1 種將熔體液淬到冰鹽水中，冷卻速度約為500 ℃/s;第2 種將熔體澆鑄到直徑8 mm 的鑄鐵模具中，冷卻速度約為100 ℃/s;第3種將熔體澆鑄到直徑60 mm 的鑄鐵模具中，冷卻速度約為20 ℃/s． 以純鍶加入后為起始時間，分別保溫15，30，45 min，將制備出的Al-3Ti-0．2C-5Sr 進(jìn)行DSC 分析及液淬實驗． DSC 實驗參數(shù)如下:溫度為950 ～600 ℃;降溫速度為20 ℃/min;液淬溫度分別為780，750，720 ℃． 試樣經(jīng)人工研磨、拋光后用0．5%HF 腐蝕10 s，在OLYMPUS 金相顯微鏡上觀察合金組織．

2 結(jié)果與討論

2．1 制備工藝對Al-3Ti-0． 2C-5Sr 顯微組織的影響

本課題組前期研究表明［9］:Al-3Ti-0．2C-5Sr的顯微組織中包含TiAl3相、Al-Ti-Sr 相、TiC 顆粒及少量Al4Sr 相，TiAl3相全部被包覆在Al-Ti-Sr相內(nèi)部，Al-Ti-Sr 相呈包覆狀或塊狀．圖1 為不同澆鑄溫度下Al-3Ti-0．2C-5Sr 的顯微組織． 由圖1可知，當(dāng)澆鑄溫度為850 ℃時(圖1(a)所示)，TiAl3呈細(xì)的長條狀，尺寸約為20 μm ×100 μm，Al-Ti-Sr 相全部包覆在TiAl3相周圍，無塊狀A(yù)l-Ti-Sr 相;當(dāng)澆鑄溫度為800 ℃時(圖1(b)所示)，TiAl3相為較大的板條狀，尺寸約為30 μm ×70 μm，絕大多數(shù)Al-Ti-Sr 相包覆在TiAl3相外圍，存在少部分塊狀A(yù)l-Ti-Sr 相;當(dāng)澆鑄溫度降低到750℃時(圖1(c)所示)，TiAl3相全部轉(zhuǎn)變?yōu)榇髩K狀，尺寸約為45 μm ×45 μm，Al-Ti-Sr 相以包覆狀和塊狀共同存在，且塊狀A(yù)l-Ti-Sr 相小于包覆狀A(yù)l-Ti-Sr 相． 由此可見，隨澆鑄溫度降低，TiAl3相先由大的長條狀轉(zhuǎn)變?yōu)檩^短的板條狀，最后轉(zhuǎn)變?yōu)閴K狀，Al-Ti-Sr 相由全部為包覆狀轉(zhuǎn)變?yōu)榘矤詈蛪K狀共同存在．

2．1．1 冷卻速度的影響

圖2 為不同冷卻方式下的Al-3Ti-0． 2C-5Sr顯微組織形貌．由圖2 可知，當(dāng)冷卻速度約為500℃/s 時(圖2(a)所示)，Al-3Ti-0．2C-5Sr 顯微組織中中TiAl3相呈長條狀或針片狀，長度約為50 μm，且TiAl3相周圍基本沒有包覆狀A(yù)l-Ti-Sr 相存在，僅存在少量塊狀A(yù)l-Ti-Sr 相;當(dāng)冷卻速度降低到100 ℃/s(圖2(b)所示)，TiAl3相呈板條狀且周圍出現(xiàn)少量包覆狀A(yù)l-Ti-Sr 相;當(dāng)冷卻速度進(jìn)一步降低到20 ℃/s 時(圖2(c)所示)，包覆狀A(yù)l-Ti-Sr 相不斷增厚． 可見，當(dāng)冷卻速度降低時，Al-Ti-Sr 相由塊狀轉(zhuǎn)變?yōu)閴K狀和包覆狀共同存在，且包覆層不斷增厚．這是由于，冷卻速度越大時，熔體的過冷度越大，Al-Ti-Sr 相直接從熔體中析出呈塊狀;冷卻速度降低后，過冷度減小，塊狀A(yù)l-Ti-Sr 相也隨之減少，且TiAl3相有充分時間與熔體反應(yīng)生成包覆狀A(yù)l-Ti-Sr 相，因此包覆狀A(yù)l-Ti-Sr 相不斷增厚．

圖1 不同澆鑄溫度下Al-3Ti-0．2C-5Sr 顯微組織Fig．1 Microstructure of Al-3Ti-0．2C-5Sr refiner in different casting temperatures

圖2 不同冷卻方式下的Al-3Ti-0．2C-5Sr 顯微組織Fig．2 Microstructure of Al-3Ti-0．2C-5Sr refiner in different cooling rate

2．1．2 熔體保溫時間的影響

圖3 為不同保溫時間下Al-3Ti-0．2C-5Sr 的顯微組織．由圖3 可知，當(dāng)保溫時間為15 min 時(圖3(a))，Al-Ti-Sr 相絕大多數(shù)包覆在TiAl3相周圍，尺寸約為20 μm×100 μm，塊狀A(yù)l-Ti-Sr 相較少;當(dāng)保溫時間延長到15 min 時(圖3(b))，包覆狀A(yù)l-Ti-Sr 相增厚，部分TiAl3相消失;當(dāng)保溫時間進(jìn)一步增加到45 min 后(圖3(c))，TiAl3相完全消失，Al-Ti-Sr 相均呈大的塊狀，尺寸約為70 μm×70 μm，這是由于保溫時間的延長增加了各相反應(yīng)時間和長大時間． 前期研究表明，包覆狀A(yù)l-Ti-Sr 相是由TiAl3相發(fā)生包晶反應(yīng)形成的［9］，因此，保溫時間越長，包晶反應(yīng)進(jìn)行越完全，導(dǎo)致TiAl3相逐漸消失，小塊狀A(yù)l-Ti-Sr 相長成大塊狀．

圖3 不同保溫時間下的Al-3Ti-0．2C-5Sr 的顯微組織Fig．3 Microstructure of Al-3Ti-0．2C-5Sr under different holding time

2．2 Al-3Ti-0．2C-5Sr 的凝固過程

圖4 為鑄態(tài)Al-3Ti-0．2C-5Sr 細(xì)化劑的差示掃描量熱(DSC)分析曲線．圖5 為不同溫度點的Al-3Ti-0．2C-5Sr 細(xì)化劑的液淬組織．由圖4 可知，在900 ～600 ℃凝固范圍內(nèi)，Al-3Ti-0．2C-5Sr 細(xì)化劑的DSC 曲線出現(xiàn)3 個明顯的放熱峰:A，B，C，而A1，B1，C1分別對應(yīng)著各相析出的開始溫度，D 點為凝固結(jié)束溫度．結(jié)合Al-Ti、Al-Sr 二元相圖及相關(guān)文獻(xiàn)［10 -12］分析可知，A 點對應(yīng)著TiAl3相吸熱峰，開始析出溫度約為800 ℃;B 點對應(yīng)著Al4Sr 相吸熱峰，開始析出溫度約為740 ℃;C 點對應(yīng)著α-Al 吸熱峰;D 點為凝固結(jié)束溫度，約為640 ℃．

圖4 Al-3Ti-0．2C-5Sr 細(xì)化變質(zhì)劑的DSC 凝固曲線Fig．4 DSC curve of the solidification for Al-3Ti-0．2C-5Sr

由圖5 可知，780 ℃下的液淬組織中存在細(xì)長條狀TiAl3相和塊狀A(yù)l-Ti-Sr 相，且部分塊狀A(yù)l-Ti-Sr 相內(nèi)部存在小部分TiAl3相(如圖5(d))，說明小塊狀A(yù)l-Ti-Sr 相也是由TiAl3相與Sr 元素發(fā)生包晶反應(yīng)形成．750 ℃和720 ℃的液淬組織均存在塊狀和包覆狀A(yù)l-Ti-Sr 相，且尺寸相差不大，在720 ℃液淬組織中出現(xiàn)針狀A(yù)l4Sr相．因此，Al-3Ti-0．2C-5Sr 細(xì)化變質(zhì)劑的液固區(qū)間為800 ～640 ℃，各相析出順序為:TiAl3相、Al-Ti-Sr 相、Al4Sr 相、α-Al 相．

圖5 Al-3Ti-0．2C-5Sr 細(xì)化變質(zhì)劑的液淬組織Fig．5 Liquid quenching microstructure of Al-3Ti-0．2C-5Sr

分析DSC 曲線及液淬組織可知，當(dāng)熔體溫度約為800 ℃時，TiAl3相直接從熔體中析出，TiAl3相在析出過程中迅速與液相發(fā)生包晶反應(yīng)，形成小塊狀A(yù)l-Ti-Sr 相． 但是，由于熔體中Sr 元素分布不均勻，部分TiAl3相周圍Sr 元素濃度較低，包晶反應(yīng)不能完全進(jìn)行，形成包覆狀A(yù)l-Ti-Sr;并且，隨著凝固過程的進(jìn)行，原子不斷擴(kuò)散，使得包覆狀A(yù)l-Ti-Sr 相不斷長大，隨著液淬溫度的進(jìn)一步降低，熔體中開始析出Al4Sr 相．

3 結(jié)論

(1)隨著澆鑄溫度的降低，Al-3Ti-0． 2C-5Sr合金中TiAl3相先由大的長條狀轉(zhuǎn)變?yōu)檩^短的板條狀，最后轉(zhuǎn)變?yōu)閴K狀，Al-Ti-Sr 相由全部為包覆狀轉(zhuǎn)變?yōu)榘矤詈蛪K狀共同存在．

(2)隨著冷卻速度的降低，TiAl3相尺寸減小，包覆狀A(yù)l-Ti-Sr 相增厚．

(3)隨著保溫時間的延長，TiAl3相逐漸消失，小塊狀和包覆狀A(yù)l-Ti-Sr 相轉(zhuǎn)變?yōu)榇髩K狀A(yù)l-Ti-Sr 相．

(4)Al-3Ti-0．2C-5Sr 細(xì)化變質(zhì)劑的液固區(qū)間為800 ～640 ℃，各相析出順序為:TiAl3相、Al-Ti-Sr 相、Al4Sr 相和α-Al 相．塊狀A(yù)l-Ti-Sr 相和包覆狀A(yù)l-Ti-Sr 相均由TiAl3相通過包晶反應(yīng)形成．

［1］ 王一誠，任樹勇，高飛，等．金屬型真空重力精密鑄造技術(shù)的研究及在鋁硅系合金鑄造上的應(yīng)用［J］．金屬加工(熱加工)，2008(17):63 -64．

［2］ EJIOFOR J U，REDDY R G． Development in the processing and proper-ties of particulate Al-Si composites［J］． JOM，1997，49(11):31 -37．

［3］ 舒華記，司乃潮，孫少純，等． AlTi5B1對亞共晶鋁硅合金的組織和性能的影響［J］． 鑄造，2011，60(11):1122 -1125．

［4］ WU Yaping，WANG Shujun，LI Hui． A new technique to modify hypereutectic Al ～24%Si alloys by a Si-P master alloy［J］． Journal of Alloys and Compounds，2009，477(1):139 -144．

［5］ WU Shusheng，TU Xiaolin，F(xiàn)UKUDA Y． Modification mechanism of hypereutectic Al-Si alloy with P-Na addition［J］． Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2003，6(13):1285 -1289．

［6］ 白慧龍． Al-Ti-C-Sr 中間合金的制備及其細(xì)化性能研究［D］． 鄭州:鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2008．

［7］ 王軍． Al-Ti-C-Sr 的合成機制及其細(xì)化行為研究［D］． 鄭州:鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2009．

［8］ 白慧龍，王軍，趙紅亮，等． Al-Ti-C-Sr 對A356 合金的組織和性能的影響［J］． 輕合金加工技術(shù)，2008，36(3):15 -17

［9］ 趙紅亮，高雅，孫啟宴，等．Al-Ti-C-Sr 細(xì)化劑制備的正交優(yōu)化及擠壓研究［J］． 鄭州大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2014，35(3):27 -30．

［10］YAN Youwei，F(xiàn)U Zhengyi． Grain refining performance of SHS Al5TiC master alloys for commercially pure aluminum［J］． Journal of Wuhan University of Technology，2002，17(3):5 -8．

［11］ 米國發(fā)，文濤，龔海軍，等． Al-Si 合金Sr 變質(zhì)研究現(xiàn)狀［J］． 航天制造技術(shù)，2006(4):49 -52

［12］ KUMAR G S，MURTY B S，CHAKROABTRY M． Development of Al-Ti-C grain refiners and study of their grain refining efficiency on Al and Al-7Si alloy［J］．Journal of Alloys and Compounds，2005，396(1/2):143 -150．