黃長(zhǎng)虹，秦華，葉錦華

（蘇州安路特汽車部件有限公司，江蘇 蘇州 215000）

ZL101A和ZL201等是鑄造鋁合金中經(jīng)常添加的含鈦細(xì)化劑，當(dāng)其加入到鋁熔體后，細(xì)化劑中的三鋁化鈦、二硼化鋁和二硼化鈦彌散在鋁熔體中，通過(guò)這些金屬化合物影響α-Al形核和生長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)化晶粒[1—3]。晶粒細(xì)化可以給鋁合金鑄件帶來(lái)一系列的好處，如改善機(jī)械性能、改善凝固時(shí)的補(bǔ)縮能力、提高鑄件致密度、減少鑄造疏松和裂紋、改善內(nèi)部冶金質(zhì)量等[4—5]。添加比例對(duì)鋁硅合金細(xì)化效果的影響以及性價(jià)比最高的目標(biāo)添加比例需要進(jìn)一步研究。

文中設(shè)計(jì)了一組實(shí)驗(yàn)，目的是比較不同鈦硼細(xì)化劑添加比例對(duì)硬度、強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率及晶粒度的影響，從而得出 ZL101鋁硅合金中鈦硼細(xì)化劑的最優(yōu)添加比例，以指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

力學(xué)性能測(cè)試：分別取鈦硼細(xì)化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%, 0.09%, 0.3%的ZL101鋁液，精煉合格后，經(jīng)過(guò)相同鑄造機(jī)壓鑄成種類A零件，每種比例各13件樣品，X射線檢測(cè)合格后進(jìn)行熱處理，在同一位置進(jìn)行鋸切和車削，制成拉伸試棒，在拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸測(cè)試，并由布氏硬度計(jì)壓點(diǎn)測(cè)試硬度。

顯微組織測(cè)試：按照鈦硼細(xì)化劑添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 0.01%, 0.03%, 0.06%, 0.09%, 0.15%, 0.22%，0.30%配制精煉ZL101鋁液，將其分別壓鑄成7種添加比例的種類A零件共7件。將此7件樣品從同一位置鋸切樣塊粗磨、細(xì)磨和拋光后，在金相顯微鏡下30倍數(shù)測(cè)量顯微組織的晶粒尺寸。

1.2 性能測(cè)試方法

采用 DIN 50125標(biāo)準(zhǔn)，將試棒制備成直徑為8 mm、標(biāo)距為40 mm的規(guī)格，按照GB/T 228.1[6]測(cè)試屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率。在指定位置打磨后，按照GB/T 232.1[7]進(jìn)行硬度測(cè)試。晶粒尺寸檢測(cè)是將磨拋到位的金相樣品用氯化銅溶液腐蝕，再用氫氟酸和硝酸混合液清洗干燥后，將樣品按照GB/T 6394[8]進(jìn)行抓圖和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

鈦硼細(xì)化劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%, 0.09%, 0.3%時(shí)，種類 A樣品測(cè)試的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度結(jié)果見圖 1a，伸長(zhǎng)率、硬度測(cè)試結(jié)果見圖 1b，顯示的數(shù)字為各組平均值。此零件材料的屈服強(qiáng)度下限要求為210 MPa，三者均遠(yuǎn)高于要求，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.09%與0.3%時(shí)測(cè)得的屈服和抗拉強(qiáng)度略微好于0添加比例。

此零件材料的伸長(zhǎng)率下限要求為 6%，三者均合格，但質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.09%與0.3%時(shí)，硬度明顯好于未添加。硬度的下限要求為80HB，無(wú)論哪個(gè)添加比例都遠(yuǎn)高于要求。

綜上所述，鈦硼細(xì)化劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.09%與0.3%時(shí)，對(duì)機(jī)械性能效果基本相同，優(yōu)于0添加比例。

圖1 種類A不同力學(xué)性能的箱線圖Fig.1 Box-plot for mechanical properties of type A

2.2 顯微組織

零件種類 A的晶粒尺寸隨鈦硼添加比例的變化見圖2，其晶粒度合格標(biāo)準(zhǔn)為600 μm?？梢钥闯?，從晶粒尺寸臨界合格降到400 μm左右。當(dāng)鈦硼細(xì)化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于 0.1%時(shí)，晶粒細(xì)化效果明顯，但超過(guò)此閾值后，其對(duì)晶粒尺寸的影響逐步減小。

圖2 晶粒尺寸VS鈦硼細(xì)化劑添加比例散點(diǎn)圖Fig.2 Scatter plot of grain size VS Ti refiner adding ratio

零件A不同添加比例的晶粒組織照片見圖3。隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.01%增加到0.09%，晶粒尺寸有明顯細(xì)化。隨著添加比例繼續(xù)增加，晶粒尺寸的變化不明顯。越細(xì)小的顯微組織尺寸，能得到更優(yōu)的機(jī)械性能結(jié)果，此點(diǎn)可以由2.1章節(jié)中數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。鈦硼細(xì)化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.09%與 0.3%的相似機(jī)械性能結(jié)果也與晶粒尺寸結(jié)果吻合。

3 討論及建議

結(jié)合本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在 0.1%以下時(shí)，鈦硼添加劑對(duì) ZL101鋁硅合金的晶粒尺寸確實(shí)有明顯的細(xì)化效果，從而表現(xiàn)出強(qiáng)度的提升，伸長(zhǎng)率得益于細(xì)小的晶粒尺寸最多。如果添加比例太低會(huì)導(dǎo)致晶粒細(xì)化不足，從而影響零件的抵抗塑性變形的能力，但過(guò)量添加又會(huì)造成成本的浪費(fèi)。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)晶粒尺寸較大會(huì)導(dǎo)致 X射線檢測(cè)的少量誤判，這主要是因?yàn)榫Я３叽缭酱?，尤其是大?50 μm時(shí)，晶界的散射效應(yīng)越明顯，造成在大晶粒區(qū)灰度對(duì)比不同。對(duì)于利用灰度比對(duì)自動(dòng)判斷缺陷而靈敏度又極高的 X射線檢測(cè)設(shè)備，會(huì)有少量大晶粒零件會(huì)誤判為缺陷。

圖3 鈦硼細(xì)化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同時(shí)零件種類A在的晶粒組織Fig.3 Grain structure of Type A parts of different titanium boron refiner adding ratio

4 結(jié)論

1)對(duì)于ZL101鋁硅合金，鈦硼添加劑合適的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%～0.15%左右。

2)晶粒度對(duì) ZL101鋁硅合金伸長(zhǎng)率的影響最大，對(duì)強(qiáng)度的影響不明顯，對(duì)硬度無(wú)影響。

[1]湯皓元. 鋁鈦硼晶粒細(xì)化機(jī)理[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2012,26(19): 133—136.TANG Hao-yuan. Al-Ti-B Grain Size Refining Principle[J].Material Review, 2012, 26(19): 133—136.

[2]陳亞軍. 鋁鈦硼稀土中間合金的微觀組織及其細(xì)化純鋁機(jī)制研究[J]. 中國(guó)稀土學(xué)報(bào), 2007, 25(5): 597—601.CHEN Ya-jun. Al-Ti-B Tombarthite Alloy Microstructure and Refining Principle[J]. Chinese Tombarthite Journal,2007, 25(5): 597—601.

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[6]GB/T 228.1—2010, 金屬材料拉伸實(shí)驗(yàn)第 1部分: 室溫試驗(yàn)方法[S].GB/T 228.1—2010, Metallic Material Tensile Test Part 1:Room Temperature Test Method[S].

[7]GB/T 232.1—2002, 金屬布氏硬度試驗(yàn)第 1部分: 試驗(yàn)方法[S].GB/T 232.1—2002, Metallic Material Brinell Hardness Test Part 1: Test Method[S].

[8]GB/T 6394—2002, 金屬平均晶粒度測(cè)定方法[S].GB/T 6394—2002, Metal Average Grain Size Test Method[S].