A356 铝合金组织和性能分析-博迅电阻炉的使用！

0 引言

近年来汽车核心部件如发动机等更新换代速度不断加 快，在越来越重视环保、节能减排的今天，要求发动机具有更 轻的质量且能适应更苛刻的使用环境，具有更好的抗疲劳性 能和耐磨损性能等。由于铝及铝合金具有一系列优点，被广 泛应用于汽车制造业中，而性能杰出的 A356 系列铝合金是 亚共晶 Al-Si 系合金中应用最广的合金之一，正可满足当前 汽车向轻量化、节能化、舒适化和多样化的发展需求。近 年来，A356 系列铝合金在汽车制造业中的应用突飞猛进、与 日俱增，尤其是在力学性能要求较高的复杂铸件上。但 未经强化工艺处理的铸态 A356 铝合金的力学性能，尤其是 塑性很低，这是因为 A356 铝合金在常规熔炼工艺和浇注过 程中易产生气孔、疏松和 Si 偏析等缺陷，对合金的使用性能 产生极为不利的影响。

1 实验

1．1 试验材料

主要试验材料: A356 铝合金( w( Si) = 7. 02%，w( Mg) = 0. 30%，w( Fe) = 0. 17%，Al 为余量，质量分数，下同) ，自制 Al-5Ti-1B-1ＲE 中间合金( ＲE 为富铈稀土) 、铸态 Al-10Sr 中 间合金，铝及铝合金专用覆盖剂、除气剂、精炼剂，高纯石墨 棒、上海博迅SX2-2.5-10Z智能一体式箱式电阻炉、ZGXF-0. 0005 型真空感应电磁 悬浮熔炼炉设备等。

1．2 试验方法

1. 2. 1 常规细化变质处理试验

将一定量铸态的 A356 铝合金、Al-5Ti-1B-1ＲE 中间合金 和 Al-10Sr 中间合金锭进行打磨，去除表面的氧化皮，然后在 超声波震荡器中进行清洗、烘干，配料称量。同时将盛有等 质量的 A356 铝合金的石墨坩埚分别置于两个条件完全相同 的 KSL-12-JY 型井式电阻炉中加热，升温至 750 ℃，待第一个 石墨坩埚中的 A356 铝合金熔体完全熔化后，进行保温、精 炼、除气、扒渣、浇注，制备试样 a。同时在第二个 A356 铝合 金熔体中分别加入为熔体质量 0. 80%的自制新型 Al-5Ti-1B1ＲE 中间合金晶粒细化剂与铸态的 0. 30%Al-10Sr 中间合金 变质剂，用高纯石墨棒进行搅拌，然后保温、精炼、除气、静 置、扒渣、浇注，制备试样 b。

1. 2. 2 真空感应电磁悬浮熔炼细化变质处理试验

用丙酮将 ZGXF-0. 0005 型真空感应电磁悬浮熔炼炉和 石英玻璃罩清洗干净，避免杂质混入。打开水阀门，接通冷 却水，确保水压不超过 0. 3 MPa，水温不超过 60 ℃。接通电 源，启动升降机构，下降物架台，将处理好的 A356 铝合金、为 合金质量 0. 80%的自制 Al-5Ti-1B-1ＲE 和 0. 30%的铸态 Al10Sr 中间合金分别装入熔炼炉内，然后盖上石英玻璃罩密 封，拧紧固定螺帽，上升物架台，使感应线固定在合适的熔炼 炉位置上。打开机械泵，抽真空，使指针指在真空表盘红色 区域内并保持稳定，按加热按钮，缓慢调节功率旋钮，输出电 流为 80 A，工作频率为 17. 3 kHz，熔炼时间为 3 min，待合金 熔炼结束后，旋回功率旋钮，使合金自然冷却至室温。然后 关掉机械泵和抽真空旋钮，打开放气阀，使真空表盘指针回 到初始位置，下降物架台，取下石英玻璃罩，取出复合细化变 质处理后的合金并清理熔炼炉和石英玻璃罩，关掉电源和冷 却水，制备试样 c。

2 结果与分析

由细化变质处理试验可知，未经细化变质处理的 A356 铝合金试样 a，其基体 α-Al 相呈无规则分布，共晶 Si 相形态 差异较大，呈现细长的板片状或长针片状，分布没有方向性， 也不规则，边缘带有锋利的尖角，长度大多在 40 ～ 60 μm，宽 度为 4 ～ 6 μm，长径比达到 10 以上，具有明显的小平面生长 特征，如图 1a 所示。这样的组织形态易造成应力集中，显著 影响基体的连续性，并割裂基体，故力学性能较低。将 a 加 工成标准试样并测试得到其抗拉强度、伸长率、布氏硬度分别为 177. 56 MPa、1. 17%、68. 70HB，如图 2 中的 a 所示。 常规复合细化变质的 A356 铝合金试样 b，其基体 α-Al 相 形状和尺寸变得较均匀细小，排列紧密，形状较规则，晶界清 晰可见，二次枝晶大幅减少，主要为细小、致密的等轴晶组织。 共晶硅相的形貌也发生了显著的变化，片层状共晶硅几乎完 全消失，转变为均匀弥散、球化充分的颗粒。共晶硅尺寸大多 在 5～ 10 μm 之间，且轮廓清晰，主要集中分布在晶界处，起到 晶界强化作用( 如图 1b 所示) ，使合金的力学性能显著提高， 将 b 加工成标准试样并测试得到其抗拉强度、伸长率、布氏硬 度分别为 242. 06 MPa、6. 54%、76. 61HB，如图 2 中的 b 所示。 经真空感应电磁悬浮熔炼细化变质处理的 A356 铝合金 试样 c，其基体 α-Al 相呈现规则的圆整等轴晶状，尺寸大多 在 10 ～ 20 μm，长径比在 1 ～ 2 之间，如图 1c 所示。共晶硅形 貌呈现细密的纤维状，共晶硅尺寸大多在 1 ～ 2 μm 之间。无 论是在 α-Al 晶粒细化方面，还是在共晶硅相变质方面均比 常规复合细化变质的试样 b 更胜一筹。再由图 1d 的电镜显 微组织图片可以看到，真空感应电磁悬浮熔炼细化变质处理 后的共晶硅相呈现更清晰的形貌，尤其是绿色椭圆区域中的 图像，尺寸更均匀、细小。将其放大后，如图 1e 所示，可以明显 看到，共晶硅相很圆整，接近于球形，共晶硅相对基体的切割 作用将明显变小，其变质级别变高。根据美国铸造学会( AFS) 提供的亚共晶 Al-Si 合金变质级别图表作为评定标准，经 评定共晶硅细化变质效果为 5 级，达到完全变质。将试样 c 加工成标准试样并测试得到其抗拉强度、伸长率、布氏硬度 分别为 253. 72 MPa、7. 16%、78. 10HB，如图 2 中的 c 所示。


3 结论

( 1) 与常规复合细化变质 A356 铝合金相比，在真空感应 电磁悬浮熔炼细化变质工艺条件下，A356 铝合金的抗拉强 度、伸长率及布氏硬度分别提高了 4. 82%、9. 48%、1. 94%，可 见其力学性能明显提高，尤其是塑性。
( 2) 当 ZGXF-0. 0005 型真空感应电磁悬浮熔炼炉线圈通 以交变输出电流 80 A，频率为 17. 3 kHz 时，线圈周围空间产 生的悬浮力恰与合金的自重平衡，使合金悬浮。
( 3) 在真空感应电磁悬浮熔炼细化变质处理过程中，熔 体的对流运动比常规熔炼细化变质工艺剧烈得多，晶粒之间 的互相碰撞、相对运动更强烈，致使枝晶臂被剪切而折断、破 碎与增殖的现象更明显，形核率 I 更大，并遗传到凝固组织 中，因此其细化变质效果及力学性能更佳。