Sb变质剂对ZL101合金组织和力学性能的影响

胡中潮，崔元胜，王振玲，于玉城

(1. 天津那诺机械制造有限公司 天津300457；2. 空军驻山东地区军事代表室 山东济南250023；3. 黑龙江科技大学材料科学与工程学院 黑龙江哈尔滨150022)

Sb变质剂对ZL101合金组织和力学性能的影响

胡中潮1，崔元胜2，王振玲3，于玉城3

(1. 天津那诺机械制造有限公司 天津300457；2. 空军驻山东地区军事代表室 山东济南250023；3. 黑龙江科技大学材料科学与工程学院 黑龙江哈尔滨150022)

采用金相显微镜、布氏硬度计和万能拉伸试验机对不同加入量Sb变质的ZL101合金显微组织和力学性能进行了研究。结果表明：随着Sb加入量的增加，粗大针片状的共晶硅逐渐变成小尺寸针状，(α＋Si)共晶数量增多，并且Sb加入0.1%,和0.2%,时，铸态共晶硅相相互之间的排布出现“集束”形貌。T6热处理后，针状共晶硅棱角钝化，且随着Sb的增加，共晶硅逐渐粒化。加入0.1%,和0.2% Sb时铸态组织中出现的“集束”形貌消失。随着Sb加入量的增加，ZL101合金硬度值增加；抗拉强度和屈服强度均显著增加，当加入0.2%, Sb时抗拉强度最大可达259.4 MPa，伸长率下降至4%,左右。

ZL101合金 Sb变质剂 显微组织 力学性能

ZL101合金具有较低的密度，优良的铸造性能、气密性和可焊性等优点，广泛应用于机械、汽车和航空航天等领域。但是常规铸造铝硅镁合金的显微组织中存在粗大的针状共晶硅，严重影响了合金的力学性能。合金的变质处理是改善粗大针状共晶硅形貌的一种有效手段，加入变质剂后针状硅相变成有利于提高性能的小尺寸粒状或纤维状。迄今为止，铝硅系合金的变质剂种类繁多，各有特点，适用于不同的合金类型和生产条件，其中生产中最常用的变质剂有钠盐、锶和稀土等。但是钠盐腐蚀坩埚和熔炼工具，有效变质时间短；锶变质效果好，具有长效、用量小、重熔性等诸多优点，但是锶在熔炼过程中容易吸气，影响合金的致密性，且锶价格昂贵；稀土金属也是铸造铝硅合金的优良变质剂，长效无污染，且能减少合金中的针孔，具有固溶强化作用。锑(Sb)对铝硅系合金的变质处理已有一定研究，发现Sb具有长效、可反复使用、不腐蚀坩埚、资源丰富、价格便宜、使用方便等特点，且具有脱气和细化晶粒作用。[1]本文主要研究Sb加入量对铸态和热处理态ZL101合金显微组织的影响，以及对热处理态力学性能的影响，揭示Sb加入量对ZL101合金组织和力学性能的影响规律，为Sb变质剂在铝硅系合金中的应用提供试验探索，具有重要的理论与实践意义。

1 实验材料与方法

实验所用ZL101合金成分自行配制，其中Si占7.5%,，Mg占0.3%,。采用Sb对共晶硅进行变质处理，加入量分别为0、0.05%,、0.1%,和0.2%,。熔炼在电阻炉中进行，采用砂型铸造浇注试样和拉伸试棒，拉伸试棒尺寸如图1所示。合金的热处理采用T6工艺，固溶处理工艺为500,℃保温2,h，用60,℃左右的热水进行淬火处理；时效处理在180,℃保温3,h，然后空冷。显微组织观察采用XJP-3A光学金相显微镜，布氏硬度在HB-3000B布氏硬度计上进行测试，拉伸试验在CTMS5305型万能拉伸试验机上进行。

图1 拉伸试样尺寸Fig.1 Size of the tensile sample

2 实验结果与分析

2.1 Sb加入量对ZL101合金铸态显微组织的影响

图2是加入不同量Sb变质剂后铸态ZL101合金的宏观组织形貌，图中初生α-Al相长成树枝晶，枝晶间为(α＋Si)共晶组织。随着Sb变质剂加入量的增加，枝晶间的共晶组织数量增加。图3为加入不同量Sb变质剂后铸态ZL101合金的共晶组织，未加Sb变质时，大部分共晶硅形态仍然主要呈粗大的针片状，如图3(a)所示，随着Sb加入量的逐步增加，Si相由长针形态逐渐变成小尺寸的短针形貌；并且共晶组织中，α-Al相和Si相的间距逐渐减小。此外，针状共晶硅的排列方向也发生了变化，当Sb加入量为0.05%,时，针状Si相排布方向杂乱，相互之间无明显的关联。当Sb加入量增加到0.1%,和0.2%,时，共晶组织中局部区域Si相之间呈平行排布或呈一定的小角度，即所谓的“集束”形貌，共晶硅集束形貌被认为是一个形核质点形核后长大形成的。Sb使共晶Si由长针变成短针，其机理是加入Sb后，在合金中形成了AlSb相，AlSb在合金中的固溶度很低，其在共晶硅生长界面前沿富集，影响共晶硅生长方向的同时抑制低指数面的长大，从而导致共晶硅尺寸的减小。[2]本研究中，Sb的变质机理还有待于深入研究。

图2 Sb对ZL101合金显微组织的影响Fig.2 Effect of Sb on the microstructure of ZL101 alloy

图3 Sb对ZL101合金共晶组织的影响Fig.3 Effect of Sb on the eutectic structure of ZL101 alloy

为进一步提高ZL101合金的力学性能，需对其进行热处理。Sb变质的ZL101合金进行T6热处理后的显微组织如图4所示。从图中可以发现，热处理后，无论是长针形态还是短针形态的Si相，其棱角均变得钝化。与铸态组织相比，未加入Sb变质剂的ZL101合金中，Si相仍存在较大的块状共晶硅(图4(a))。随着Sb加入量的增加，共晶硅相逐渐粒化，如图4(b)、(c)和(d)所示。此外，从图4(c)和图4(d)中还可以发现，铸态组织中共晶硅的“集束”形貌消失。

图4 热处理后加入不同量Sb变质剂后ZL101合金的共晶组织Fig.4 The eutectic structures of ZL101 alloy with different Sb additions after heat treatment

2.2 Sb对ZL101合金力学性能的影响

表1为加入不同量Sb变质处理的ZL101合金铸态和热处理的布氏硬度值。从表中可以看出，铸态时，随着Sb加入量的增加，合金的硬度略有增加。与铸态相比，合金热处理后硬度增加更加明显，增加幅度可达10%,以上。

表1 铸态和热处理态加不同量Sb变质剂时ZL101合金的布氏硬度Tab.1 Brinell hardness of ZL101 alloy with different Sb additions under as-cast condition and heat treatment condition

表2为热处理态ZL101合金的拉伸性能，从表中可以发现，加入0.1%,和0.2% Sb时合金的抗拉强度值较高，分别为252.53,MPa和259.40,MPa，Sb加入量在0.1%～0.2%,之间时，屈服强度在211～216之间。加入0.1% Sb的合金的伸长率为7.2%,，Sb继续增加后，伸长率明显下降，为4%,左右。

由此可见，ZL101合金采用Sb做变质剂热处理后，当加入量为0.1%,和0.2%时，可显著提高合金的强度，但是加入0.2%时塑性明显下降。这可能是加入Sb较多时产生的AlSb相积聚长大，导致塑性降低，该现象有待于更进一步的研究。

表2 热处理态加不同量Sb变质剂时ZL101合金的拉伸性能Tab.2Tensile property of ZL101 alloy with different additions of Sb under heat treatment condition

2.3 断口形貌分析

图5是没有加入变质剂Sb的试样拉伸断口形貌。图5(b)是图5(a)的放大的断口形貌。图5(a)的冰糖形状形貌是典型的脆性断裂，在图5(b)的放大图中基本上看不到韧窝的存在，而是存在较多的解理面，说明此时的断裂为脆性断裂。

图5 未加入变质剂Sb时ZL101合金的拉伸断口形貌Fig.5The fracture morphology of ZL101 alloy without Sb addition

图6是变质剂Sb含量为0.05%的试样拉伸断口形貌。图6(a)中断口形貌存在明显的孔洞缺陷，四周能看到少量的韧窝。图6(b)为图6(a)的放大图，从图中可以看出，断口中有少量的韧窝存在，韧窝小且浅，有明显的解理刻面，无明显的塑形变形，呈现出穿晶断裂，说明加入0.05%,Sb后ZL101合金的韧性不好。

图6 变质剂Sb含量为0.05%的拉伸断口形貌Fig.6The fracture morphology of ZL101 alloy adding 0.05% Sb

图7是变质剂Sb含量为0.1%的试样拉伸断口形貌。图7(a)、(b)是典型的韧性断裂断口形貌。从图7(b)的微观图可以看到，韧窝又深又大，说明加入0.1%的Sb变质后材料的韧性较好。

图7 变质剂Sb含量为0.1%的拉伸断口形貌Fig.7 The fracture morphology of ZL101 alloy adding 0.1% Sb

图8是变质剂Sb含量为0.2%的试样拉伸断口形貌。图8(a)中可以看到有韧窝存在，韧窝的密集程度适中，图8(b)是图8(a)中A区域的放大区域形貌，是明显的共晶Si脱落形貌，说明加入0.2%,Sb后ZL101合金的韧性有所下降。

图8 变质剂Sb含量为0.4%的拉伸断口形貌Fig.8 The fracture morphology of ZL101 alloy adding 0.4% Sb

以上的几组拉伸断口形貌表明：变质剂Sb含量为0.1%的拉伸试样断口形貌为纯韧性断裂，韧性很好，未加入变质剂Sb的拉伸试样的断口形貌为脆性断裂，韧性不好，变质剂Sb含量为0.2%和变质剂Sb含量为0.05%的试样韧性介于两者之间，且变质剂含量为0.2%的韧性比0.05%的韧性稍好一些。

3 结 论

将Sb变质剂加入到ZL101合金中，能减小铸态共晶Si相的尺寸；当Sb的加入量为0.1%和0.2%时，在铸态组织中，共晶硅相相互之间的排布有“集束”形貌出现；热处理后，Sb变质的ZL101合金中的短针状共晶硅相棱角钝化，随着Sb加入量的增加，共晶硅相逐渐粒化；变质剂Sb的加入能使ZL101合金的共晶数量增加，且随着Sb加入量的增加，共晶组织数量逐渐增多。

随着Sb加入量的增加，硬度值增加；抗拉强度和屈服强度均显著增加，当Sb加入量超过0.1%时，伸长率明显下降。■

［1］ 曹国剑，左锋，李艳春，等. 铝硅合金变质的研究进展[J]. 材料导报A，2012，26(9)：112-115.

［2］ 李豹. AlSi7Mg合金共晶硅变质规律及其微观机制[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011：36-38.

［3］ 陈体军，马颖，郝远，等. 凝固条件和熔体处理对ZL101合金组织和力学性能的影响[J]. 热加工工艺，2001(1)：9-11.

Effect of Sb Modifier on Microstructure and Mechanical Property of ZL101 Alloy

HU Zhongchao1，CUI Yuansheng2，WANG Zhenling3，YU Yucheng3
(1．LIZHONG GROUP Tianjin Nanuo Machinery Manufacturing Co., Ltd.，Tianjin 300457，China；2．Military Representative Office of Air Force in Shandong，Ji’nan 250023，Shandong Province，China；3．College of Materials Science and Engineering，Heilongjiang University of Science and Technology，Harbin 150022，Heilongjiang Province，China)

The microstructure and mechanical property of ZL101 alloy with different amount of Sb modifier additions were studied using optical microscope，Brinell hardness tester and universal tensile testing machine．The results showed that the coarse acicular eutectic Si phases changed into those of small size with the increasing of Sb addition，and the amount of (α＋Si)eutectic structure increased．Besides，bunched morphology appeared for the eutectic Si as Sb added 0.1%,and 0.2%,．After T6 heat treatment，the angular Si phase became blunt，and the Si phases became graininess with Sb content increasing．Moreover，the bunched morphology of Si phases in ZL101 alloy adding 0.1%, and 0.2%, Sb also disappeared．With the increase of Sb additions，the hardness of ZL101 alloy raised，the tensile strength and yield strength had a significant increase，the maximum value of the tensile strength can reach 259.4,MPa when added 0.2%, Sb，and the elongation rate decreased to 4%, or so.

ZL101 alloy；Sb modifier；microstructure；mechanical property

TG146.2

A

1006-8945(2016)08-0025-04

2016-08-02