ZL101铝硅合金中钛硼细化剂添加比例的影响
2018-03-21黄长虹秦华叶锦华
黄长虹,秦华,叶锦华
(苏州安路特汽车部件有限公司,江苏 苏州 215000)
ZL101A和ZL201等是铸造铝合金中经常添加的含钛细化剂,当其加入到铝熔体后,细化剂中的三铝化钛、二硼化铝和二硼化钛弥散在铝熔体中,通过这些金属化合物影响α-Al形核和生长,从而实现细化晶粒[1—3]。晶粒细化可以给铝合金铸件带来一系列的好处,如改善机械性能、改善凝固时的补缩能力、提高铸件致密度、减少铸造疏松和裂纹、改善内部冶金质量等[4—5]。添加比例对铝硅合金细化效果的影响以及性价比最高的目标添加比例需要进一步研究。
文中设计了一组实验,目的是比较不同钛硼细化剂添加比例对硬度、强度、伸长率及晶粒度的影响,从而得出 ZL101铝硅合金中钛硼细化剂的最优添加比例,以指导实际生产过程。
1 实验
1.1 实验设计
力学性能测试:分别取钛硼细化剂质量分数为0%, 0.09%, 0.3%的ZL101铝液,精炼合格后,经过相同铸造机压铸成种类A零件,每种比例各13件样品,X射线检测合格后进行热处理,在同一位置进行锯切和车削,制成拉伸试棒,在拉伸试验机进行室温拉伸测试,并由布氏硬度计压点测试硬度。
显微组织测试:按照钛硼细化剂添加质量分数分别为 0.01%, 0.03%, 0.06%, 0.09%, 0.15%, 0.22%,0.30%配制精炼ZL101铝液,将其分别压铸成7种添加比例的种类A零件共7件。将此7件样品从同一位置锯切样块粗磨、细磨和抛光后,在金相显微镜下30倍数测量显微组织的晶粒尺寸。
1.2 性能测试方法
采用 DIN 50125标准,将试棒制备成直径为8 mm、标距为40 mm的规格,按照GB/T 228.1[6]测试屈服强度、抗拉强度和伸长率。在指定位置打磨后,按照GB/T 232.1[7]进行硬度测试。晶粒尺寸检测是将磨抛到位的金相样品用氯化铜溶液腐蚀,再用氢氟酸和硝酸混合液清洗干燥后,将样品按照GB/T 6394[8]进行抓图和分析。
2 结果与分析
2.1 力学性能
钛硼细化剂的质量分数分别为0%, 0.09%, 0.3%时,种类 A样品测试的屈服强度、抗拉强度结果见图 1a,伸长率、硬度测试结果见图 1b,显示的数字为各组平均值。此零件材料的屈服强度下限要求为210 MPa,三者均远高于要求,质量分数为0.09%与0.3%时测得的屈服和抗拉强度略微好于0添加比例。
此零件材料的伸长率下限要求为 6%,三者均合格,但质量分数为0.09%与0.3%时,硬度明显好于未添加。硬度的下限要求为80HB,无论哪个添加比例都远高于要求。
综上所述,钛硼细化剂的质量分数为 0.09%与0.3%时,对机械性能效果基本相同,优于0添加比例。
图1 种类A不同力学性能的箱线图Fig.1 Box-plot for mechanical properties of type A
2.2 显微组织
零件种类 A的晶粒尺寸随钛硼添加比例的变化见图2,其晶粒度合格标准为600 µm。可以看出,从晶粒尺寸临界合格降到400 µm左右。当钛硼细化剂质量分数小于 0.1%时,晶粒细化效果明显,但超过此阈值后,其对晶粒尺寸的影响逐步减小。
图2 晶粒尺寸VS钛硼细化剂添加比例散点图Fig.2 Scatter plot of grain size VS Ti refiner adding ratio
零件A不同添加比例的晶粒组织照片见图3。随着质量分数从0.01%增加到0.09%,晶粒尺寸有明显细化。随着添加比例继续增加,晶粒尺寸的变化不明显。越细小的显微组织尺寸,能得到更优的机械性能结果,此点可以由2.1章节中数据结果进行验证。钛硼细化剂质量分数为 0.09%与 0.3%的相似机械性能结果也与晶粒尺寸结果吻合。
3 讨论及建议
结合本次实验结果来看,质量分数在 0.1%以下时,钛硼添加剂对 ZL101铝硅合金的晶粒尺寸确实有明显的细化效果,从而表现出强度的提升,伸长率得益于细小的晶粒尺寸最多。如果添加比例太低会导致晶粒细化不足,从而影响零件的抵抗塑性变形的能力,但过量添加又会造成成本的浪费。
在实验过程中,发现晶粒尺寸较大会导致 X射线检测的少量误判,这主要是因为晶粒尺寸越大,尤其是大于550 µm时,晶界的散射效应越明显,造成在大晶粒区灰度对比不同。对于利用灰度比对自动判断缺陷而灵敏度又极高的 X射线检测设备,会有少量大晶粒零件会误判为缺陷。
图3 钛硼细化剂质量分数不同时零件种类A在的晶粒组织Fig.3 Grain structure of Type A parts of different titanium boron refiner adding ratio
4 结论
1)对于ZL101铝硅合金,钛硼添加剂合适的质量分数为0.1%~0.15%左右。
2)晶粒度对 ZL101铝硅合金伸长率的影响最大,对强度的影响不明显,对硬度无影响。
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