铸造铝合金若干问题思考

左李庆

摘 要：介绍了铸造铝合金热分析原理， 主要研究了铸造铝合金晶粒度和共晶组织变质的热分析特征，选择和测定了冷却曲线上的 ΔTl ， t R和 ΔTE ， te 两组特征点， 提出了铸造铝合金晶粒细化和共晶硅变质程度的判据，为热分析法铸造鋁合金质量控制提供了依据。

关键词：铸造铝合金；热分析；冷却曲线

一、试验原理

铸造铝合金热分析是测定某种合金在一标定状态下的冷却曲线，将此曲线作为标准确定能够反映合金质量的特征点，然后在铸造现场测量工作合金的冷却曲线，对应标准曲线计算特征点的变化差值，从而反映测量合金与标定合金的质量差别，判断被测量合金的质量，力求通过对一个试样的测量，在计算机数据库的辅助下，利用传统差热分析的原理，进行铸造铝合金的在线质量检测，进而实现铸造铝合金的在线质量控制。

二、试验材料及试验方法

1.合金熔炼

试验合金在75kg坑式电阻炉中熔化，合金采用旋转叶轮混合气体（Cl2+N2）法在730～740℃精炼15～20min，浇注温度710～720℃。使用AlTi3B中间合金在740～750℃进行晶粒细化处理，中间合金加入量根据试验需要按硼元素占试验合金质量分数分多次加入，每次加入中间合金后搅拌10min，精炼处理后重复进行热分析试验，进行对比分析；共晶硅变质处理采用AlSr10中间合金和钠盐进行对比试验，锶元素加入量占合金重量的0.06%，三元钠盐变质剂的加入量占合金重量的2.5%，加入变质剂后保温一定时间，定时进行合金变质效果的热分析测量，检测锶元素的长效变质作用和钠元素的变质衰退特征。

2.热分析设备

试验采用DTA-QⅣ型微分-潜热热分析仪。采用专用模具制造的砂型样杯，保证样杯的热物理参数稳定一致，样杯中热电偶的设置如，为热电偶设计了保护套管，主要目的是重复使用热电偶，保证重复试验的一致性。热电偶采用高精密度的偶丝制成，并在400～700℃试验温度范围内准确标定，整个热分析系统的测量误差小于±0.4℃。

三、试验结果及分析

1.合金的热分析曲线

试验测定的ZL101A合金典型热分析曲线和组织特征，对应的特征。

2.晶粒细化的热分析结果

试验表明，不添加晶粒细化剂的合金晶粒粗大，在冷却曲线的初晶部分出现较大的初晶过冷度ΔTl和较长的初晶过冷期tR。合金中添加晶粒细化剂后，合金晶粒变细，冷却曲线的ΔTl和tR变小，甚至为零，合金的初晶温度Tl稍微提高。在匀质结晶过程中，合金结晶晶核由合金液中的晶胚发展而成，此时必须有一定过冷度ΔT才能促成合金液中的晶胚发展成为晶核，进而结晶凝固。当大量同质晶核形成时结晶潜热释放，使合金液温度回升，温度的升高阻止新晶核形成，合金液只能由相对少量的晶核长大结晶，此时合晶粒粗大。当在合金液中加入足够的晶粒细化剂，即在金属开始结晶时，介稳定的合金液中存在着大量固相质点，当这些质点与合金液完全浸润时，合金液中的晶胚可以依附在这些固相质点上长大，此时不需要很大的过冷度ΔT合金液就可以结晶，在冷却曲线上表现为（ΔT1※0tR※0），最终形成由相对大量的晶核长大的细晶粒，大量异质晶核同时长大释放的结晶潜热促使合金液的初晶温度稍有提高。试验表明，铝合金中加入钛元素和硼元素产生与铝合金良好浸润的质点，是很好的铝合金晶粒细化剂。试验过程中对应合金的热分析参数进行了合金晶粒尺寸的测量，并与美国铸造协会（AFS）有关标准进行了对应分析。

3.共晶硅变质的热分析结果

试验表明，锶元素和钠元素对铝硅合金的变质效果相当，锶元素良好变质作用的孕育期为30min，变质持续时间超过6h，钠元素的变质衰退期小于1h。铸造铝硅合金加变质剂后，共晶组织由不规则的针块状变为规则的层片状，冷却曲线的共晶平台有一定幅度的降低，出现由变质引起的共晶温度降低ΔTE和共晶平台的长度即共晶期te延长。铝硅共晶体生长时，Al界面前沿过冷度（0.02℃）远低于Si界面前沿（1～2℃），故共晶铝硅共晶体生长时，Al界面前沿过冷度（0.02℃）远低于Si界面前沿（1～2℃），故共晶体两相生长速度差异较大，生成不规则的形状。合金中加入锶（Sr）或钠（Na）等变质剂后，一方面消除了合金中存在的使硅形核的元素（如磷）的作用，另一方面使合金的结晶潜热由95cal/g升高到100～103cal/g，这样就改变了共晶Al-Si的生长方式。合金结晶潜热的升高使共晶生长前沿温度升高，抑制了生长前沿硅的生长，使铝硅共晶组织形成较规则层片状；由于共晶生长需要一定的过冷度，所以只有更低的共晶温度才可以抵消共晶生长前沿的温度回升，导致共晶温度降低ΔTE的出现，结晶潜热的升高使得在相同散热条件下的结晶时间，即共晶期te延长。铸造铝合金共晶硅变质的热分析特征参数。

四、结论

（1）铸造铝合金热分析曲线上的初晶过冷度ΔTl和初晶过冷期tR可用来评定合金晶粒细化程度。

（2）铸造铝合金热分析曲线上的共晶温度降低ΔTE和共晶期te可用来评定合金共晶硅变质程度。

（3）铸造铝合金的热分析特征值可以用于铸造铝合金质量评定依据，铸造铝合金热分析法质量检测具有快速准确的特点。