变质温度对ZL114合金铸态显微组织和力学性能的影响

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）
摘要：利用金相显微镜、扫描电镜与拉伸试验机，研究了变质温度对Al-5Ti-1B和Ce细化变质的ZL114合金显微组织和拉伸性能的影响。

结果表明：变质温度升高，α-Al晶粒先减小后增大，共晶硅分布逐渐均匀，团聚程度减弱；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；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176.3MPa和5.76%。

关键词：变质温度；ZL114合金；显微组织；共晶硅
中图分类号:TG146.21文献标志码:A文章编号：1002-2333（2020）11-0030-04 Effects of Modification Temperature on As-Cast Microstructure and Mechanical Properties of ZL114Alloy FU Yuanke,DU Yihan,DUAN Hongyang,HAN Weichao,ZHOU Qiang,LI Ruixue (Department of Materials Science and Engineering,Harbin University of Science and Technology,Harbin150040,China)
Abstract:By the use of metallurgical microscope,scanning electron microscope and tensile testing machine,this paper studies the effects of modification temperature on as-cast microstructure and mechanical properties of ZL114alloy refined by Al-5Ti-1B and Ce.The results show that with the increase of modification temperature,the size ofα-Al decreases at first and then increases,the distribution of eutectic silicon is uniform gradually and the degree of agglomeration is weakened.The number of massive eutectic silicon and tearing edges on the fracture surface decreases at first and then increases and the fracture is always brittle.The tensile strength and elongation increase at first and then decrease.When modification temperature is720℃,the tensile strength and elongation reach the maximum value of176.3MPa and5.76%, respectively.
Keywords:modification temperature;ZL114alloys;microstructure;eutectic silicon
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800g，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24h。

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10min，加入变质剂Al-5Ti-
基金项目：黑龙江省大学生创新创业训练计划省级项目(201810214071)
1B 和Al-20Ce 中间合金，搅拌，保温15min ，用C 2Cl 6（合金质量1%）除气后，保温10min ，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2mm/min ，其拉伸试样符合GB/T 228-2002，尺寸为15mm×10mm×2mm 。

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Al -5Ti -B 作
为晶粒细化剂已得到广泛应用，生成的TiAl 3、TiB 2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TiAl 3位于树枝晶的中心，而TiB 2在晶界上呈细小颗粒弥散分布。

Al-5Ti-B 和少量混合
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TiB 2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/R Si ≈1.65时，即变质剂原子半径约为0.181nm 时，变质能力较强，而稀土Ce 原子半径为0.182nm ，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，TiAl 3、TiB 2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，在图1变质温度对ZL114铸态显微组织的影响
（a ）680℃
（b ）720℃
（c ）760℃
300μm
300μm
300μm
图2变质温度对ZL114铸态SEM 显微组织的影响
（a ）680℃
（b ）720℃
（c ）760℃
减少晶界数量的同时，增加了稀土Ce 的扩散距离，使稀土如图3（c ））。

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176.3MPa 和5.76%。

这主要是因为当变质温度较低时（680℃），扩散能力较差，TiAl 3、TiB 2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。

随着变质温度的增加，扩散能力增大，TiAl 3、TiB 2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℃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176.3MPa 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。

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图3变质温度对Si 分布的影响
（a ）680℃
（b ）720℃
（c ）760℃
300μm
300μm
300μm
图5变质温度对ZL114铸态拉伸断口形貌的影响
（a ）680℃
（b ）720℃（c ）760℃
180
变质温度/℃
抗拉强度延伸率
图4变质温度对ZL114铸态力学性能的影响
170
160
150
680
700
720
740
760
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作者简介:付原科(1979—),男,硕士,讲师,研究方向为铝合金材料制备工艺、热处理工艺及组织和性能分析。

收稿日期:2020-05-07
（上接第29页）
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（责任编辑邵明涛）
作者简介：陶婷婷(1996—)，女，硕士研究生，研究方向为作业车间调度、绿色制造、智能制造及装备；
宋豫川(1973—)，男，教授，主要研究方向为智能制造及装
备、生产管理运作、绿色设计制造。

通信作者：宋豫川，***********.cn。

收稿日期：2020-05-12。