[铝合金] ZL104合金变质分析

1、某铸件在加工过程中出现铆裂现象,随后对铸件本体进行取样做力学性能及金相分析,铸件本体的机械性能及金相组织见表1。


   该铸件材料为ZL104,热处理状态T6,采用铝锶中间合金进行变质。从表1及图1可以看出,铸件的抗拉强度及硬度偏高,延伸率偏低,铸件晶粒粗大。同时在破坏铸件时发现断口存在硅亮点。
   经初步分析,出现铆裂现象的原因为ZL104合金中共晶硅变质不足导致铸件晶粒粗大,铸件硬度升高,抗拉强度升高,延伸率偏低。


2、ZL104合金特性
2.1 铝硅合金特性
   常用的铸造铝合金大多数是亚共晶和共晶型的。图2为Al-Si二元系形成共晶型相图,合金的组织由韧性的α(Al)固溶体与硬脆的共晶硅相所构成。为保证有良好的铸造性能,要求合金组织中有相当数量的共晶体,但共晶体量多又会使合金变脆而降低机械性能。[1]
2.2  ZL104合金特性
   该合金成分见表2,经变质和热处理T6后,其组织为初生α和细密的α+Si共晶体。ZL104合金铸造性能优良,充型能力强,线收缩小,无热裂、疏松倾向。


图3  ZL104未变质组织
2.3 铝硅合金共晶体的变质铝硅合金共晶体中的硅相在自发非控制生长条件下会长成片状(图3)。这种形态的脆性相严重的割裂基体,大大降低合金的强度和塑性。为了改变这种状况,对含硅量>6%的铝合金一般都进行变质处理。铝硅共晶合金变质后,由原来粗大片状硅晶体组成的共晶组织变为由树枝状初生α固溶体和(α+Si)共晶体所组成的亚共晶组织。共晶体中的硅相变为细小纤维状。根据铝硅共晶体的变质机理→孪晶凹谷机制,合金被变质后,铝液中变质剂选择性吸附富集在孪晶凹谷处,阻滞了硅原子或硅原子四面体长上去的速度,使孪晶凹谷生长机制受到抑制,导致硅晶体生长形态发生变化。这就促使硅晶体由片状变成具有等轴断面的弯曲纤维状,使晶粒细化。生产中常用的变质剂有以下几种:
(1)钠盐变质剂
   其组成为NaF、NaCl、KCl、Na3AlF6的混合物,主要有二元变质剂、三元变质剂、通用变质剂。其缺点是钠极易烧损,变质剂中的F-、Cl-离子腐蚀铁质坩埚的同时使铝液渗铁,在坩埚上形成一层结合牢固的炉瘤,浇注后很难清除,变质后铝液的流动性能降低,铸件疏松、缩孔倾向加大,常与面层涂料反应形成化学粘砂。
(2)锶变质剂
   锶常以Al-Sr中间合金形式加入。其加入量为0.02%~0.06%,砂型铸造取上限,金属型铸造取下限。锶变质的缺点是锶中存在SrH,除氢不易,常在铸件中形成针孔。
(3)锑变质
   锑的熔点630.5℃,密度6.68g/cm3,常以Al-5~8X10-2Sb中间合金加入。加入量为0.1~0.5X10-2Sb,变质温度720~740℃,存在约15~20min的潜伏期。其优点在于锑是长效变质剂,事实上不衰退;且容易控制锑含量,不易造成变质不足或过变质现象,不增大铝液的吸气与氧化夹杂倾向。缺点是对冷却速度敏感,生产中常用于金属型铸造。
(4)稀土变质
   稀土中Eu的变质能力最强,La次之,Ce、Pr、Nd及RE又次之。高纯合金含稀土0.03~0.05X10-2,即能很好的变质,变质组织类似于钠。生产中以中间合金或纯稀土加入,加入量La为0.2~0.4%,RE应较多甚至可达1%,变质温度720~740℃。稀土元素变质的优点一是长效,二是有微量稀土溶入α(Al)中,起固溶强化作用。缺点是不适用于缓慢冷却的铸件,变质后必须辅以固溶处理。
本文主要针对钠盐变质剂及锶变质剂对ZL104合金进行变质试验,并分析产生不足的原因。


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