变质温度对ZL114合金铸态显微组织和力学性能的影响

付原科， 杜义涵， 段红阳， 韩维超， 周强， 李瑞雪

（哈尔滨理工大学材料科学与工程学院，哈尔滨150040）

0 引 言

ZL114合金是含镁的亚共晶铝硅合金，具有良好的铸造性能和优异的力学性能，在航空、汽车等领域得到广泛应用[1-4]。ZL114合金主要由初生α-Al相和共晶硅相组成。未变质的共晶硅为粗大的针片状，严重割裂α-Al基体，显著影响合金的力学性能[5]。变质处理能显著改善共晶硅形貌，是提高合金力学性能的有效手段。目前对铝硅合金的变质处理主要从两个方面着手：一是改善共晶硅的形貌，如添加Na、Sr、RE等；二是细化α-Al，如添加Zr、Y、Al-5Ti-1B等[6-8]。Al-5Ti-1B、稀土Ce由于具有良好的细化变质效果而受到广泛关注，秦晓雄[9]发现在A356合金中添加Al-5Ti-1B可以显著改善其微观组织，使α-Al晶粒得到细化，由粗大树枝晶变为细小的等轴晶，当Al-5Ti-1B的加入量为1%wt.时的细化效果最佳；胡勇[10]在ZL107合金中添加Ce（0.03%，质量分数）可以显著改善共晶硅形貌，使其由针片状转变为短棒状，力学性能得到大幅度提升。虽然Al-5Ti-1B和稀土Ce在细化变质铝合金方面取得了许多成果，但有关Al-5Ti-1B和稀土Ce复合变质的研究却少见报道。变质温度是影响变质效果的重要因素，张秀梅[11]在ZL101中添加稀土Ce，研究了变质温度（690 ℃、750 ℃）对细化变质效果的影响，发现在两种变质温度690 ℃和750 ℃下, 合金的显微组织和力学性能都取得明显改善，但在690 ℃下变质效果更佳；冯绍棠[12]研究了细化温度对Al-5Ti-1B细化铝合金的细化效果，发现Al-5Ti-1B对A356 铝合金有细化效果，随着细化温度的升高，细化效果先变好再变差，且在780～820 ℃时细化效果最佳。综上所述，本课题采用Al-5Ti-1B（1%，质量分数）和稀土Ce（0.03%，质量分数）复合变质处理ZL114，探索变质温度对显微组织和拉伸性能的影响。

1 试验方法

本试验以自制的ZL114合金为研究对象，所用原材料为纯铝、纯镁和Al-20Si中间合金、Al-20Ce中间合金和Al-5Ti-B中间合金，每炉合金质量为800 g，其中Al-5Ti-B的量固定为1%（质量分数），Ce含量固定为0.03%（质量分数）。熔炼在电阻炉中进行，选用石墨坩埚熔化。首先将模具和石墨坩埚预热，预热温度为250 ℃，预热时间24 h。当炉温为500 ℃时，将Al和Al-20Si合金加入石墨坩埚中，随后将炉温升至680 ℃（720 ℃、760 ℃），待合金全部熔化后，加入Mg，搅拌均匀，保温10 min，加入变质剂Al-5Ti-1B和Al-20Ce中间合金，搅拌，保温15 min，用C2Cl6（合金质量1%）除气后，保温10 min，浇注至金属型模具中。

采用OLYMPUS-GX71光学显微镜观察试样的显微组织形貌，腐蚀剂为体积分数为0.5%的HF溶液；采用扫描电镜（SEM）观察试样的显微组织和断口形貌；采用万能试验机测试力学性能，拉伸速度为2 mm/min，其拉伸试样符合GB/T 228-2002，尺寸为15 mm×10 mm×2 mm。

2 试验结果与分析

2.1 变质温度对ZL114铸态显微组织形貌的影响

变质温度对ZL114铸态显微组织形貌的影响如图1所示。从图中可以看出，当变质温度为680 ℃时（如图1（a）），组织由不规则的α-Al和其周围的共晶硅组成，α-Al分布杂乱，树枝晶较多，尺寸差别较大，共晶硅出现严重的团聚现象，因此当合金受力时，会产生应力集中，严重降低合金的力学性能[13]。随着变质温度的增加，α-Al 分布情况有所改善，尺寸变得相对均匀，树枝晶数量减少，等轴晶数量增多，共晶硅虽然依然有团聚现象，但团聚程度减弱（如图1（b））。随着温度的进一步增加，α-Al晶粒尺寸明显增大，晶粒分布变得不均匀，共晶硅分布不均匀，团聚程度增大（如图1（c））。

细化变质温度对ZL114 铸态SEM显微组织的影响如图2所示。从图中可以看出，当变质温度为680 ℃时（如图2（a）），共晶硅分布十分不均匀，团聚现象严重。随着变质温度的增加，共晶硅分布变得均匀，团聚现象整体有所减弱（如图2（b））。当变质温度增加到760 ℃时（如图2（c）），共晶硅分布变化不大，依然存在团聚现象。

细化变质温度对ZL114中Si元素分布的影响如图3所示。从图中可以看出，当变质温度为680 ℃时（如图3（a）），Si元素分布不均匀，团聚现象严重。随着变质温度的增加，Si元素分布变得比较均匀，但团聚现象依然存在（如图3（b））。当变质温度增加到760 ℃时（如图3（c）），共晶硅团聚现象依然存在。

图1 变质温度对ZL114 铸态显微组织的影响

Al-5Ti-B 作为晶粒细化剂已得到广泛应用，生成 的TiAl3、TiB2可作为有效的形核质点，其大小、形态和分布情况直接决定了细化效果[14]。在显微组织中TiAl3位于树枝晶的中心，而TiB2在晶界上呈细小颗粒弥散分布。Al-5Ti-B和少量混合稀土的复合变质，能够延长变质时间，这是由于稀土增强了铝液对硼化物的润湿性，提高了有效的TiB2数量[15]。稀土元素是表面活性元素，稀土原子半径大于铝，不能进入α-Al晶格，但它能在晶界上偏聚或吸附在固液界面上，形成成分过冷，促使枝晶熔断机会增大，从而细化了晶粒，也改变了共晶Si的形貌。另外，稀土元素与合金元素也能形成金属间化合物，可以充当形核核心，从而细化组织[16]。变质剂原子半径大小是衡量变质能力的第一要素，当R变质剂/RSi≈1.65时，即变质剂原子半径约为0.181 nm时，变质能力较强，而稀土Ce原子半径为0.182 nm，所以稀土Ce对Si具有较明显的变质效果[10]。

随着温度的升高，扩散能力越来越强，但是过热度越来越大，凝固时间变长[17]。680 ℃时，由于扩散能力较差，TiAl3、TiB2等形核颗粒和稀土Ce在熔体中分布很不均匀，导致α-Al形核很不均匀，而稀土Ce不能融入α-Al，只能在晶界上偏聚或吸附在固液界面上[18]，这一方面限制了α-Al晶粒的长大，造成了α-Al晶粒的不均匀性，另一方面也影响了共晶硅在晶界上的析出，导致共晶硅团聚的产生（如图1（a））。随着温度的升高，扩散能力增强，α-Al得到进一步细化，均匀性有所增强，共晶硅虽然仍存在团聚现象，但分布有很大改善（如图2（b））。当温度继续升高到760 ℃时，虽然扩散能力大大增强，但是过热度增加，一方面延长了熔体凝固时间，增大了α-Al晶粒和共晶硅的生长速度[19]，导致α-Al晶粒尺寸变大（如图1（c））。另一方面，增加了稀土Ce的烧损，导致氧化夹渣增多，它们聚集在晶界处，成为共晶硅的形核位置，促进了共晶硅的析出[20]，造成了共晶硅的团聚（如图2（c））。α-Al晶粒尺寸变大，在减少晶界数量的同时，增加了稀土Ce的扩散距离，使稀土Ce分布不均匀，导致共晶硅分布不均匀（如图3（c））。

图2 变质温度对ZL114 铸态SEM 显微组织的影响

2.2 变质温度对ZL114铸态力学性能的影响

变质温度对ZL114合金铸态力学性能的影响如图4所示。从图中可以看出，随着变质温度的升高，抗拉强度和延伸率都是先增加后降低，变质温度为720 ℃时，抗拉强度和延伸率达到极大值，分别为176.3 MPa和5.76%。这主要是因为当变质温度较低时（680℃），扩散能力较差，TiAl3、TiB2等形核颗粒和稀土Ce在熔体中分布很不均匀，导致α-Al形核不均匀，而稀土Ce不能融入α-Al，只能在晶界上偏聚[18]，导致α-Al晶粒尺寸不均匀，共晶硅团聚，因此力学性能较差。

图3 变质温度对Si 分布的影响

图4 变质温度对ZL114 铸态力学性能的影响

随着变质温度的增加，扩散能力增大，TiAl3、TiB2等形核颗粒和稀土Ce在熔体中分布逐渐变得均匀，导致α-Al形核质点分布均匀，尺寸趋于均匀，共晶硅团聚程度减弱，力学性能提高，720 ℃时达到极大值。随着变质温度的进一步增加，扩散能力进一步增大，虽然α-Al形核均匀，但是温度升高，过热度增大，导致晶粒尺寸增大（如图1（c）），根据Hall-Petch公式，晶粒尺寸越大，抗拉强度越低，晶界减少，对位错阻碍能力降低[21-22]，协调变形能力越差，延伸率降低。

变质温度对ZL114铸态拉伸断口的影响如图5所示。从整体上说断裂方式为脆性断裂，当变质温度较低时，断裂面附近存在大量撕裂的巨大层片状共晶硅，且分布很不均匀（如图5（a））；当变质温度达到720 ℃时，断裂表面得到一定程度细化，虽然仍有大块共晶硅存在，但是数量较少，可见撕裂的细小共晶硅，撕裂棱数量增多，撕裂棱间距变深（如图5（b））；随着变质温度的进一步增加，断裂面附近出现大量撕裂的巨大层片状共晶硅，撕裂棱减少，棱间变宽、变浅（如图5（c））。这是因为变质温度影响扩散速度[23]，温度越低扩散速度越慢，共晶硅团聚现象严重（如图1（a））；温度升高到720 ℃时，扩散能力增强，共晶硅分布均匀，团聚现象减弱（如图1（b）），随着温度进一步增加，虽然扩散速度进一步增加，但由于过热度增加，共晶硅长大速度增加[24]，导致共晶硅团聚现象增大，共晶硅尺寸增大（如图1（c））。

3 结 论

1）变质温度对Al-5Ti-1B和稀土Ce复合细化变质ZL114有显著影响。随着变质温度的升高，α-Al晶粒先变小后变大，共晶硅分布逐渐均匀，团聚程度先减小后增大。

2）随着变质温度的升高，抗拉强度和延伸率先增加后降低，变质温度为720 ℃时，抗拉强度和延伸率达到最大值，分别为176.3 MPa和5.76%。

3）随着变质温度的升高，断口表面块状共晶硅和撕裂棱数量先减少后增多，断裂方式始终为脆性断裂。

图5 变质温度对ZL114 铸态拉伸断口形貌的影响