ZL104铝合金变质等级与变质效果的热分析研究

ＺＬ１０４铝合金变质等级与变质效果的热分析研究
熊红玲，吴树森，袁文文，毛有武
（华中科技大学材料成形及模具技术国家重点实验室，湖北武汉４３００７４）摘要：利用自主开发的铝合金热分析系统，研究了Ｓｒ加入量、变质后保温时间对ＺＬ１０４合金冷却曲线的影响，建立了变质等级与变质前后共晶温度的降低值!ＴＥＧ之间的对应关系。

结果表明，Ｓｒ加入量从０增加到０．０２２％时，"ＴＥＧ不断增加，变质等级也相应增加；随保温时间延长，#ＴＥＧ不断降低，变质等级也随之降低。

$ＴＥＧ达到８℃以上时，变质等级为最好的６级。

关键词：Ａｌ－Ｓｉ合金；变质；冷却曲线
中图分类号：ＴＧ２４３＋．１文献标识码：Ａ文章编号：１００１－３８１４（２００７）０１－００２８－０３
ＴｈｅｒｍａｌＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＭｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎＬｅｖｅｌＧｒａｄｅａｎｄＥｆｆｌｅｃｔｉｎＺＬ１０４Ａｌｌｏｙ
ＸＩＯＮＧＨｏｎｇ－ｌｉｎｇ，ＷＵＳｈｕ－ｓｅｎ，ＹＵＡＮＷｅｎ－ｗｅｎ，ＭＡＯＹｏｕ－ｗｕ（ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｆＭａｔｅｒｉａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄＤｉｅ＆Ｍｏｕｌｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＨｕａｚｈｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，
Ｗｕｈａｎ４３００７４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｓｔｒｏｎｔｉｕｍｃｏｎｔｅｎｔａｎｄｈｏｌｄｉｎｇｔｉｍｅｏｎｔｈｅｃｏｏｌｉｎｇｃｕｒｖｅｏｆＺＬ１０４ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｗａｓｓｔｕｄｉｅｄｕｓｉｎｇａｓｅｌｆ－ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｒｍａｌａｎａｌｙｓｉｓｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｏｆｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｌｅｖｅｌａｎｄ%ＴＥＧ（ｔｈｅｅｕｔｅｃｔｉｃｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｍｏｄｉｆｉｅｄａｎｄｕｎｍｏｄｉｆｉｅｄａｌｌｏｙ）ｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔ&ＴＥＧｉｎｃｒｅａｓｅｓａｓｔｈｅｓｔｒｏｎｔｉｕｍｃｏｎｔｅｎｔｉｎｃｒｅａｓｅｓｆｒｏｍ０％ｔｏ０．０２２％，ａｎｄｔｈｅｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｌｅｖｅｌｉｎｃｒｅａｓｅｓｔｏｏ．Ｔｈｅ’ＴＥＧｄｅｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｈｅａｔｐｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎｔｉｍｅａｆｔｅｒｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｌｅｖｅｌｄｅｃｒｅａｓｅｓｔｏｏ．Ｗｈｅｎ(ＴＥＧｉｓｏｖｅｒ８℃，ｔｈｅｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｌｅｖｅｌｒｅａｃｈｅｓｂｅｓｔｇｒａｄｅ６．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ａｌ－Ｓｉａｌｌｏｙ；ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｃｏｏｌｉｎｇｃｕｒｖｅ
随着航空、航天及汽车工业的发展，铝合金由于密度小、比强度高，其应用日益广泛，尤其是Ａｌ－Ｓｉ合金。

众所周知，晶粒尺寸、硅相形态对Ａｌ－Ｓｉ合金性能有很大的影响，所以通常在金属熔体中加入变质剂，来改变硅相形态，提高合金性能。

为了使铸件满足各方面的要求，降低废品率，在浇注前需检测熔融合金的质量，尤其是变质效果。

传统检测方法有金相法、断口观察法、电导率法［１］等。

金相法、断口观察法主观随意性大，而电导率法工艺复杂，速度慢，不适宜在线检测［２］。

热分析法由于精度高、稳定性好［３］，适于在线检测，因此在铸造中的应用越来越广泛。

大量研究表明变质剂的加入使Ａｌ－Ｓｉ合金共晶温度降低［４］，变质前后共晶温度的差值)ＴＥＧ可以用来评价变质效果的好坏。

但是目前我国没有变质效果及变质等级的国家标准，大多应用美国铸造学会（ＡＦＳ）的１￣６级变质等级图［５］，１级为未变质。

但是，我们的研究发现，此变质等级图的划分比较粗略，不能很好地与生产实际相对应。

因此，本文提出在ＡＦＳ６级变质等级的基础上插入中间变质级别，即１．５、２．５、３．５、４．５、５．５级别，并着重研究了热分析特征值与变质等级的关系。

１实验方法
１．１实验材料
实验材料采用ＺＬ１０４合金，其成分（质量分数）为：０．２８％Ｆｅ、９．２６％Ｓｉ、＜０．１％Ｃｕ、０．１８％Ｍｇ、０．２０％Ｍｎ、＜０．１％Ｚｎ、＜０．１％Ｔｉ、＜０．１％Ｎｉ、＜０．１％Ｐｂ、＜０．１％Ｓｎ，余量为Ａｌ。

采用高纯Ａｒ气除气精炼，变质剂为Ａｌ－１０Ｓｒ中间合金，金相分析试样使用０．５％ＨＦ作为腐蚀剂。

１．２实验方案
合金在坩锅电阻炉中熔化后，升温至７８０℃左右，加入变质剂，并用高纯Ａｒ气精炼１０ｍｉｎ，保持不同的时间后在７２０～７３０℃下浇注。

第一组
收稿日期：２００６－０９－２２
作者简介：熊红玲（１９８２－），女，湖北麻城人，硕士研究生；
电话：０２７－８７５５６２６２；Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｉｏｎｇｈｏｎｇｌｉｎｇ＠１６３．ｃｏｍ
实验观察变质剂加入量对变质效果的影响，
Ａｌ－１０Ｓｒ加入量（质量分数）为０、０．１０％、０．１２％、０．１５％、０．１８％、０．２０％、０．２２％，保温时间为２５ｍｉｎ。

第二组实验观察保温时间对变质效果的影响，
Ａｌ－１０Ｓｒ都加入０．２０％，保温时间分别为２５、４０、
６０、９０、１２０、１５０、１８０ｍｉｎ。

从试样中部锯开，打磨，用０．５％的ＨＦ腐蚀，观察金相组织。

１．３热分析系统
实验采用自主开发的热分析系统，它主要包括硬件和软件两部分。

硬件系统组成如图１所示。

热分析样杯采用陶瓷型样杯，试样平均直径为３４ｍｍ，高度６０ｍｍ。

实验使用的ＮｉＣｒ－ＮｉＳｉ热电偶为一新型结构热电偶，可重复使用，反应灵敏，节约材料，操作方便。

热分析系统软件部分如图２所示。

２实验结果及讨论
实际生产应用中通常对照ＡＦＳ变质等级图确定合金的变质等级，但是该图变质等级的划分比较粗糙，人为误差大，因此引入中间级别，提高分析精度。

即在ＡＦＳ６级变质等级图的基础上插入中间变质级别１．５、２．５、３．５、４．５、５．５，这样共晶硅的变质等级变为１１级，即１、１．５、２、２．５、３、３．５、４、４．５、５、５．５、６。

插入中间变质级别的另一意义是能够更好地将热分析温度参数与变质等级相对应，即热分析参数的较小变化引起的组织变化都能够被区分出来，容易建立热分析效果的判断标准。

本文经过大量试验发现，判据!ＴＥＧ（变质前后共晶温度的降低值）能够作为变质等级的热分析判据。

通过试验建立了变质等级和热分析参数之间的关系。

２．１Ｓｒ加入量对变质等级的影响
图３为不同Ｓｒ加入量时合金金相组织。

未变质时共晶硅呈大片状，见图３（ａ），当Ｓｒ加入量为
０．００５％时没有明显的变质效果，变质等级仍为１
级；当Ｓｒ加入量增加到０．０１２％时，合金出现部分变质组织，共晶硅转变为小片状，变质等级为３级图３（ｂ）；当Ｓｒ加入量增加到０．０１５％时，共晶硅呈纤维状，变质等级为４级，见图３（ｃ）；当Ｓｒ加入量达到０．０２０％时合金已完全变质，共晶硅转变成颗粒状，变质等级达到６级，见图３（ｅ）；继续增加Ｓｒ量至０．０２２％时，变质等级保持在６级，见图３（ｆ）。

因此，Ｓｒ加入量越高，变质效果越好，Ｓｒ加入量为
０．０２０％时，变质效果已经达到最好的６级。

２．２保温时间对变质等级的影响
Ｓｒ加入量为０．０２０％时，随着保温时间的延
长，共晶硅越来越粗大。

图４是不同保温时间时合金金相组织。

２５ｍｉｎ时共晶硅呈颗粒状，变质等级为６级，见图４（ａ）；４０ｍｉｎ时，变质等级仍保持在６级见，图４（ｂ）；６０ｍｉｎ时，共晶硅变为纤维状，变质等级降低到５级，见图４（ｃ）；而保温９０
ｍｉｎ时变质效果已经衰退，见图４（ｄ）。

有研究认
ＰＣ主机（或单片机）
及外设
数据采集卡系统总线
信号放大
电路样杯
热电偶屏蔽电缆
图１热分析系统硬件组成
主模块
数据采集数据处理绘图特征值识别文件服务
初
始
化
数据传输采样过程一阶微分数字滤波温度处理
曲线平滑
图形输出数学模型人工识别
数据读写预览打印
图２热分析系统软件组成
２０"ｍ２０#ｍ
２０$ｍ２０%ｍ
２０&ｍ
２０’ｍ
（ａ）０
（ｃ）０．０１５％（ｂ）０．０１２％
（ｄ）０．０１８％
（ｅ）０．０２０％（ｆ）０．０２２％
图３不同Ｓｒ加入量时的合金组织
为Ｓｒ是长效变质剂，变质效果长达５ｈ［６］，而文献
［７］作者认为铝合金存在严重的Ｓｒ变质衰退现
象，大约只能延续９０ｍｉｎ。

变质效果衰退现象实质上是变质元素氧化或蒸发的反映，在保温期间变质元素含量减少到一定程度，即出现变质衰退现象。

锶是化学性质活泼的元素，在保温过程中不断氧化，变质作用随之逐渐衰退［８］。

本实验过程
中，由于熔炼合金量较少，单位质量的液面相对更大，Ｓｒ更容易氧化或蒸发，随保温时间延长，Ｓｒ不断氧化烧损，合金中有效Ｓｒ含量不断降低，因此变质更容易衰退，保持时间相对较短。

２．３热分析特征值!ＴＥＧ与变质等级的关系
试验测得的不同工艺条件下热分析特征值及对应的变质等级如表１所示。

其中ＴＥＧ是共晶生长温度，!ＴＥＧ是未变质合金共晶生长温度和变质后共晶生长温度的差值。

由表１可看出，随变质剂加入量的增加，"ＴＥＧ值不断增大，变质剂加入量达到０．０２０％时，#ＴＥＧ达到最大８．７℃；随保温时间的延长，$ＴＥＧ越来越小，保温时间达到９０ｍｉｎ时，
%ＴＥＧ值为４．２℃，再继续延长保温时间，&ＴＥＧ减小
到２℃以下。

图５是’ＴＥＧ和变质等级的对应关系。

变质等级随(ＴＥＧ的增加而增加，)ＴＥＧ值小于
２℃时，无变质效果；*ＴＥＧ在８℃以上时，变质等级
保持在６级。

３结论
（１）当Ｓｒ加入量从０增加到０．０２０％时，随着
变质剂加入量的增加，+ＴＥＧ值不断增大，合金变质效果越来越好。

（２）随保温时间的延长，,ＴＥＧ不断减小，变质
效果逐渐衰退。

本实验保温时间延长到９０ｍｉｎ以后，合金趋于未变质组织。

（３）-ＴＥＧ与变质等级存在良好的对应关系，
.ＴＥＧ值大于８℃时，变质等级最高为６级，/ＴＥＧ值
小于２℃时，变质等级为最低的１级，0ＴＥＧ可以作为Ａｌ－Ｓｉ合金变质的判据．参考文献：
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［２］李大勇，李峰．Ａｌ－Ｓｉ合金变质处理效果炉前快速检测技术研究与应用状况［Ｊ］．中国铸造装备与技术，２００３，６：１３－１５．［３］金传伟，龚著实．热分析法测定铝硅合金的变质效果［Ｊ］．热加工工艺，１９９０，（５）：４３－４４．
［４］
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鲁薇华，王汝耀．
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６５４３２１０
１
２
３
４５
６
７
８
９
变质等级
1ＴＥＧ／℃
图５2ＴＥＧ与变质等级的关系
（ａ）２５ｍｉｎ
（ｂ）４０ｍｉｎ
２０3ｍ
２０4ｍ
（ｃ）６０ｍｉｎ（ｄ）９０ｍｉｎ
２０5ｍ
２０6ｍ
图４Ｓｒ加入量为０．０２０％时不同保温时间的合金组织
变质工艺
ＴＥＧ（℃）7ＴＥＧ（℃）
变质等级
５７５．４
５７４．７５７３．４５６９．５５６８．１５６７．４５６６．７５６７．２５６６．７５６７．５５７１．２５７３．６５７４．４５７５．３
００．７２．０５．９７．３８．０８．７８．２８．７７．９４．２１．８１．００．１
１１１．５３４５．５６６６５２１１１
保温２５
ｍｉｎ
０．２０％Ｓｒ
００．００５％Ｓｒ０．０１０％Ｓｒ０．０１２％Ｓｒ０．０１５％Ｓｒ０．０１８％Ｓｒ０．０２０％Ｓｒ０．０２２％Ｓｒ保温４０ｍｉｎ保温６０ｍｉｎ保温９０ｍｉｎ保温１２０ｍｉｎ保温１５０ｍｉｎ保温１８０ｍｉｎ表１不同工艺条件下热分析特征值和变质等级。