低凝固速率条件下Sb对ZL114A合金组织的影响

李大奎 刘闪光 郝慧林 刘建军

摘要：本文通过浇注壁厚为30 mm与10mm的梯形试样，研究了不同凝固速率条件下Sb对ZL114A合金组织性能的影响。结果表明，Sb元素可增加α（Al）固液界面前沿的成分过冷，抑制共晶Si形核。因此Sb变质后，共晶团尺寸增大，共晶Si尺寸减小。

关键词：冷却速率;Sb变质;Al-Si合金;共晶组织;力学性能

在工业生产中，通常采用变质处理的方式来细化和改变Si相形貌达到提升塑性的目的。常用的变质剂有Na、Sr、Sb、稀土等单元或多元符合变质剂[1]。采用Na、Sr变质时，增加熔体的吸气倾向，合金组织中气孔数量增多[2]。稀土元素为长效变质剂，其变质效果对冷速敏感，易形成化合物，且成本较高[3，4]。Sb元素也是一种长效变质剂，一般认为其变质效果受冷速影响大，在高凝固速率条件（一般情况下≥5K/s，如金属型铸造工艺）下，Sb与稀土的变质效果接近，因Sb的成本低，因此，在金属型薄壁件生产中有着广泛地应用。但在低凝固速率如砂型铸造或熔模铸造工艺条件下，Sb元素的应用较少。

然而，现阶段在实际铸造生产中存在大量大型复杂结构件，尤其在航空、航天领域。此类铸件具有冶金质量要求高、力学性能要求高、尺寸结构复杂且精度要求高等特点，尤其是多品种小批量的生产特点，要求铸件对采用砂型铸造或熔模精密铸造等工艺方式。若铸件各部位尺寸壁厚差异较大，这时如果采用Sb变质Al-Si亚共晶合金，则铸件整体组织的不均匀程度、性能差异程度能否在可接受的范围内，是需要科研、技术人员重点关注的问题。由于在低凝固速率条件下Sb的变质效果及其对合金力学性能的影响尚未见报道。本文以ZL114A合金为研究对象，添加Sb元素进行变质处理，浇注了壁厚为30 mm与10mm的梯形试样，分析变质前后不同凝固速率条件下的组织变化规律，为ZL114A合金大型复杂结构件变质处理技术提供理论指导。

1试验材料与方法

合金所用原料为精纯铝锭（99.999%）（质量分数，下同）、高纯镁锭（99.99%）、Al-12Si中间合金、Al-4Ti-B中间合金、Al-2Sb中间合金。采用380kg电阻炉熔炼，熔炼工艺为：Al-12Si中间合金、精铝装炉，熔化后升温至750±10℃，保温10～15min，充分搅拌后加入Al-4Ti-B中间合金，降温至710±10℃加入纯镁锭与Al-2Sb中间合金（Sb加入量为0.19%），搅拌后采用旋转喷吹方式精炼15～20min，静置15～20min后浇注如图1所示的砂型梯形试样。制备的合金成分如表1所示。采用K型热电偶测量铸件本体及单铸试样的凝固速度。在热电偶探头处切取10x10x10mm的试块制备金相试样。利用光学显微镜OM对合金组织进行表征。砂型梯形试样经T6热处理后，取内部位置分别精加工成?10mm的标准拉伸试棒，在WDW-100KN试验机上完成拉伸性能测试，夹头的移动速度为2 mm/min。

2 试验结果及讨论

2.1低凝固速率条件下Sb对初生α（Al）的影响

梯形试样的凝固速率可用α（Al）结晶区间的平均速率表示，获得的壁厚30mm处与壁厚10mm处的凝固速率分别为0.16K/s和1.46K/s。

图2是Sb变质ZL114A合金前后试样壁厚30 mm处与壁厚10 mm处的铸态显微组织，其中（a）、（b）分别为Sb变质ZL114A合金前后壁厚30 mm处试样中心位置显微组织。从图中可看出，虽然Sb变质前与变质后的组织中均有大量α（Al）枝晶，但从图2（a）中可看到，Sb变质前部分α（Al）枝晶混杂在一起，不易区分其所属晶粒;而Sb变质后α（Al）枝晶排列相对规律，枝晶所属晶粒容易区分，即变质后枝晶生长更为发达。图2（c）、（d）分别为Sb变质ZL114A合金前后试样壁厚10 mm处的试样中心位置铸态显微组织。同样可看出，Sb变质后合金中α（Al）枝晶生长的形貌显示更为发达，导致二次枝晶呈现变窄趋势。

分析可知，在ZL114A合金的凝固过程中初生α（Al）首先结晶生长，而后在凝固后期共晶组织于初生α（Al）枝晶间隙中形核生长。目前学者普遍认为Sb变质亚共晶Al-Si合金中的机理是Sb元素形成AlSb和Mg3Sb2相，抑制共晶Si的形核和生长。因此，在添加Sb元素后，ZL114A中初生α（Al）枝晶凝固前沿Sb、Si、Mg原子富集程度增加，成分过冷程度增加，导致初生α（Al）枝晶生长更为发达，继而。研究表明Si、Sr 、Sb、 Eu等元素均增加α（Al）凝固前沿成分过冷，促进枝晶生长。

2.2 低凝固速率条件下Sb对共晶组织的影响

由图2可知，在梯形试样中无论是壁厚30mm（凝固速率0.16K/s）或壁厚10mm（凝固速率1.46K/s）在添加Sb元素进行变质处理后，共晶组织区域面积明显增大，其原因为Sb元素抑制共晶Si形核：Si原子在凝固前沿富集程度增加，无法形核结晶，而是随着固液界面推进而不断聚集，最终形成尺寸更大的共晶组织。

图3是Sb变质ZL114A合金前后试样壁厚30 mm处与壁厚10 mm处的共晶Si形貌照片。从图中可以看出，在不添加Sb元素时，随着凝固速率的加快（由0.16K/s提高至1.46K/s），共晶Si出现细化效果，共晶Si尺寸明显减小，平均尺寸由1000μm减小至700μm（如图3（a）和（c）所示）;添加Sb元素进行变质处理后，共晶Si细化效果更加显著：即使在较低的凝固速率下（0.16K/s），Sb元素仍然具有良好的变质效果，共晶Si平均尺寸约为300μm左右，见图3（b）;在凝固速率1.46K/s条件下，共晶Si尺寸约为300μm左右，与凝固速率0.16K/s条件结果尺寸接近。图4是Sb变质ZL114A合金前后试样经热处理后共晶Si的形貌。从图中照片可看出热处理后共晶Si趨于球化，共晶Si形貌变化规律与铸态组织一致。

3 结论

（1）在ZL114A合金中，加入Sb元素可使枝晶凝固前沿Sb、Si、Mg等原子富集程度增加，提高成分过冷度，使初生α（Al）枝晶生长更为发达，同时二次枝晶呈现出变窄趋势。

（2）在低凝固速率条件下，Sb元素加入会引起ZL114A合金中共晶组织尺寸增大，同时也会大大减小共晶Si尺寸，起到变质细化共晶Si的作用。这为砂型铸造大型厚壁ZL114A铸件采用Sb变质起到借鉴意义。

参考文献：

[1]A Pacz. U.S. Patent， No. 1387900[P]. 1921.

[2]李华基， 杜祥清. 富镧混合稀土对ZL101A合金组织和机械性能的影响[J].中国稀土学报，1996，14（4）：321-324.

[3]廖恒成， 丁毅， 孙国雄. Sr对近共晶Al-Si合金中α枝晶生长行为的影响[J].金属学报，2002，38（3）：245–249.

[4]H. Liao， Y. Sun， G. Sun. Effect of Al-5Ti-1B on the microstructure of neareutectic Al-13.0%Si alloys modified with Sr[J].J. Mater. Sci. 37 （2002） 3489–3495.

作者简介：李大奎（1987-），男，山东泰安人，硕士，主要研究方向：铸造铝合金。