高强ZL101A复杂承载铸件变质与性能优化研究

王晓明 刘鹏 孙厚礼

摘 要：针对ZL101A合金以及铸件的结构特点及性能要求，开展了ZL101A合金的综合性能优化。本文从变质工艺、熔体处理、晶粒细化等3个方面进行了研究。结果表明：采用Sr变质，结合六氯乙烷与氩气旋转喷吹复合精炼，可有效提升ZL101A合金的综合力学性能，生产的铸件本体切取力学性能最高可达σb≥320MPa，σp0.2≥270MPa，δ5≥10%。

关键词：ZL101A合金；变质处理；晶粒细化

中图分类号：TB     文献标识码：A      doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.10.080

1 概述

铝合金铸件由于质量轻，比强度高，使得铝合金铸件在航空、航天、兵器及高铁等行业的需求量越来越大。随着高速磁浮交通的发展，铸铝件的需求量将逐渐扩大，时速600km/h的运营时速对铸铝件的综合服役表现也提出了更高的要求。高速磁浮铸铝件具有结构复杂、薄壁异形的特点，传统铸造工艺难以满足其内部质量和本体性能要求。而铝硅系铸造铝合金的变质处理效果直接关系铸铝件内部质量和本体性能。

工程上采用Sr、Na/K等碱土金属对亚共晶硅铸造铝合金变质已有近50年，国外在相关方面的研究较国内早，也更全面。Na（K）元素的有效变质时间较短，一般不超过30分钟，且钠、钾盐对坩埚、天车等金属制件腐蚀明显，因不适用于工业生产现已慢慢淘汰。Sr元素的有效变质时间可达到6小时，在20世纪80-90年代被广泛采纳，但由于其吸H（氢）倾向大且回炉料无法重复利用，国外工业体系已逐渐淘汰Sr元素变质。目前，关于Sr造成熔体吸氢的原因暂未达成共识，部分学者认为Al-Sr中间合金存在Sr-H化合物，在后续熔炼造成析氢；也有学者认为Sr元素易吸水氧化，造成熔体吸氢。

本文以高速磁浮关键承载复杂铸件托臂为对象，针对传统的Sb（锑）、Na（钠）、Sr（锶）三种有代表性的变质效果进行研究，通过优化Sr（锶）变质工艺提升铸件内部组织及本体性能。

2 Sb（锑）变质铸件

图1为经Sb（锑）变质的金相组织。依据前期生产经验，当Sb（锑）元素添加量为0.1%时，共晶硅变质效果最好，当Sb（锑）超过0.12%时，共晶硅开始粗化长大。可以看出，微观组织由性质不同的α-Al相和共晶Si相组成，α-Al相有较好的塑性，Si相属脆性相，为典型的两相合金。

经Sb（锑）变质的共晶硅呈针状和板片状，因其受冷却速度的影响较大，采用砂铸生产的铸件变质效果一般，局部仍存在较粗大的片状共晶硅组织。经对比JB/T 7946.1-2017标准，Sb（锑）变质组织属于变质不充分级别。

经铸件本体取样检测，Sb（锑）变质后铸件的力学性能波动较小，抗拉强度为267-287MPa，屈服强度为235-247MPa，延伸率为2.0-3.5%。强度指标较高，延伸率较低。

图2为Sb（锑）变质铸件的本体拉伸断口。可以看出，该视场区域未见疏松、针孔或夹杂类缺陷。拉伸断口呈现较多撕裂棱，大部为准解理台阶，少数表现出拉长的韧窝，但韧窝尺寸较小且较浅，合金具有一定的塑性。

3 Na（钠）变质铸件

图3为采用Na（钠）变质的ZL101A合金微观组织。可以看出，试样中存在明顯的发气引起的疏松（孔洞）缺陷。局部放大可以看出，有效变质区域共晶硅均呈现细小的球化共晶硅颗粒，这是由于在铝液温度降低到液相线附近时，微溶于Al中的Na（钠）元素开始析出，形成高度弥散的Na（钠）胶状质点，它们可吸附于硅的晶核表面，形成一层Na（钠）的薄膜，阻碍硅晶体长大，使硅结果过冷度增加。

图4为采用Na变质的ZL101A合金断口组织。可以看出，试棒断口整体疏松较多，分布在试棒外部和内部；同时，可观察到未熔的Na盐存在，这对试棒的力学性能和疲劳性能有较大影响。

4 Sr（锶）变质

图5为常规工艺采用Sr（锶）变质工艺的铸件微观组织，Sr添加量为0.04%。可以看出，铸件晶粒尺寸约150μm，与Sb（锑）变质的晶粒尺寸接近。

此外，可以看到铸件中存在粗大的枝晶组织和大量的孔洞、疏松，Sr（锶）变质易造成熔体吸气，导致铸件内部出现超标针孔和疏松缺陷。此外，可以看到，经Sr（锶）变质后，共晶硅的尺寸明显细化，由Sb（锑）变质的针孔（或板状）改善为球状或短棒状。不论是针孔或是疏松，均会在孔洞的表面形成氧化膜，氧化膜充当一种杂质，与基体结合往往不紧密，在外应力存在条件下，这些缺陷（气孔、氧化物等）起到了缺口作用，会在周围引起应力集中，严重影响疲劳性能。

因Sr变质有效周期长，共晶硅球化效果好，Sr变质铸件组织更均匀，综合考虑工程化应用便捷性，本项目选择以Sr变质为研究对象，在此基础上对熔体处理和铸件内部质量提升进行研究。

5 低发气量Sr（锶）变质与性能优化

在ZL101A合金中加入微量Sr（锶）变质，无论是Sr（锶）以破坏表层氧化膜或是以易吸附[H]原子造成熔体吸气机理为主导，这都会导致铸件中针孔、气孔和疏松等内部缺陷的增加。因此，研究Sr（锶）变质的去气化十分重要。

对于铝合金熔体净化，最常见、有效的工艺是采用C2Cl6精炼，其精炼作用是氯化铝气泡吸附熔液中的气体和悬浮在熔液中的固态夹杂物。图6为在熔炼工艺改善前、后的试块断口情况。图6a为经质量分数为0.6%精炼剂（C2Cl6）精炼后的断口，可以看出精炼后的熔体断口呈灰色，且断面存在明显的大尺寸白点（针孔）和少量黑色夹杂。图6b为增加30%精炼剂（质量分数为0.78%），然后采用高纯氩气喷吹处理（喷吹20min）后，然后进行真空抽气的断口。可以看出，加强精炼后，断面白点（针孔）数量明显减少且白点尺寸明显变小，熔体冶金质量提升明显。

图7为采用熔体优化处理工艺后Sr（锶）变质的铸件本体金相组织。可以看出，相对于Sb（锑）变质而言，采用Sr（锶）变质可以有效球化、细化共晶硅组织，共晶硅多呈短棒状和球状，晶粒尺寸约70μm。此外，经熔体优化工艺处理、热处理调控工艺处理（后面详细阐述）后，基体中的针孔、疏松缺陷明显减少。

经测试，优化工艺后铸件本体拉伸力学性能达到σb≥320MPa，σp0.2≥270MPa，δ5≥10%。

6 结语

（1）针对传统铸造工艺，Sb变质、Na变质不适用于大型复杂承载结构件，Sb变质铸件存在组织变质不足问题，Na变质有效期短、铸件组织不均匀，以上对铸件性能均有不利影响；（2）相比Sb变质，Na变质、Sr变质后的共晶硅变质效果最好，添加一定量的Sr后，共晶硅组织呈细小、短棒状，但容易造成熔体吸气，基体中存在明显针孔和疏松；（3）Sr变质更适用于高强ZL101A复杂承载铸件研制与生产，采用六氯乙烷+旋转喷吹可有效减少熔体中的氢含量，减少铸件吸氢，可大幅提升铸件内部质量和力学性能。

参考文献

［1］严陆光，徐善纲，孙广生，等.高速磁悬浮列车的战略进展与我国的发展战略[J].电工电能新技术，2002，21（4）：18.

[2]郑来苏.铸造合金及其熔炼[M].西安：西北工业大学出版社，1994.

[3]何毅，楊湘杰，方立高，等.A356合金半固态挤压铸造数值模拟及模具优化[J].特种铸造及有色合金，2017，（2）：160162.

[4]陈宇强，张文涛，张浩，等.T6I6处理对AlSiMgCu铸铝时效析出及疲劳行为的影响[J].材料导报，2020，（7）：1412212128.

[5]Tan L J，Zabaras N.A thermomechanial study of the effects of mold topography on the solidification of Aluminum alloys [J].Materials Science and Engineering A，2005，（404）：197207.