熔體溫度處理技術(shù)在鑄造鋁合金中的應(yīng)用研究進展

鄧進俊，鐘魯寧，孫 虎，傅小明，張 月，紀偉進

（1.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，蘇州 215000；2.江蘇省宿遷學院材料工程系，宿遷 223800）

0 前言

鑄件的結(jié)晶組織一般由合金的化學成分及鑄件凝固時的冷卻條件決定的，它對鑄件的各項性能，尤其是力學性能會有強烈的影響，因此生產(chǎn)中控制鑄件的性能通常是通過控制鑄件的凝固組織來實現(xiàn)的。結(jié)晶組織的微觀結(jié)構(gòu)對鑄件的質(zhì)量和性能也有強烈的影響。一般來說晶粒越小，鑄件的夾雜和缺陷越分散，致密性就越好，其綜合力學性能越好。因此，合理控制鑄造組織并改進組織微觀結(jié)構(gòu)更有利于鑄件質(zhì)量性能的提高。

對于固態(tài)金屬來說，常規(guī)熱處理不改變合金成分，而是通過控制固態(tài)相變改變組織狀態(tài)，從而實現(xiàn)合金性能的提升。這種工藝方法經(jīng)濟實用、簡便易操作，是常規(guī)金屬采用最廣泛的增強增韌的工藝方法。對于鑄造過程中的液態(tài)金屬，隨著凝固技術(shù)及簇理論的發(fā)展，高溫液體金屬的結(jié)構(gòu)對最終凝固結(jié)構(gòu)的影響引起了越來越多人的注意。熔體溫度處理[1-2]是通過改變?nèi)垠w的過熱溫度、高溫停留時間及快速冷卻速度等控制手段來控制熔體結(jié)構(gòu)及其演變規(guī)律，從而改善最終鑄造組織及提升鑄造合金性能的方法。該技術(shù)工藝簡單，效果較為明顯，成為國內(nèi)外學者研究的熱點[3-5]。

1 熔體溫度處理的機理

在鑄造過程中液態(tài)金屬狀態(tài)起著重要的作用。眾所周知，液態(tài)金屬存在不均勻性，這些不均勻的局部區(qū)域可能會溶解或成長為結(jié)晶的核心，這一特性可用于控制液態(tài)金屬的微觀結(jié)構(gòu)，從而影響鑄件的力學性能[6-7]。對于液態(tài)金屬微觀狀態(tài)的控制一般可分為以下三種基本方法：溫度法（熔體過熱、保溫、變速冷卻等）、機械法（使用機械振動[8]、電磁場[9]、攪拌[10]等）和化學法（加入熔劑，例如變質(zhì)劑[11]、晶粒細化劑[12]）。

在常規(guī)鑄造工藝中，熔體通常在高溫下澆注，該溫度比其熔點高約50~100 ℃。大多數(shù)液體的成核點在這個溫度下消失。溫度越高，液體的活性越低。因此，凝固組織中的樹枝狀晶粒通常較粗，這會損害鑄件的機械性能。通常來說，鑄態(tài)組織細化是通過增加液態(tài)金屬中成核位置來實現(xiàn)的。臨界核直徑與熔體過冷度成反比，隨著過冷度的增加，自由能的降低將更加明顯。因此，由于臨界形核尺寸的減小以及提供更大的結(jié)晶驅(qū)動力，過冷度的增加將有利于形核。在熔體溫度處理期間，往往高溫熔體會因與低溫熔體混合或是采用某些冷卻手段使其急速冷卻，當熔體冷卻至液相線時，其中存在許多原子團簇和高熔點非均勻相（其結(jié)構(gòu)接近于固相），這些原子簇和異質(zhì)相在凝固過程中成為核心，使凝固的微觀結(jié)構(gòu)因此而變得更精細[13]。隨著熔體過熱溫度的進一步升高，合金元素的熱擴散將使合金元素的分布趨于均勻，這將明顯影響后續(xù)的凝固過程。

2 熔體溫度處理的方法

熔體溫度處理技術(shù)通常有以下三種方法：

（1）熔體過熱處理：熔體過熱處理是將熔體加熱到最佳熔煉溫度以上某一溫度，并保溫一段時間后快速冷卻成型，從而改變?nèi)垠w結(jié)構(gòu)，影響形核、生長等過程，最終細化晶粒、提升材料綜合性能的一種處理方法。

（2）熔體熱速處理：熔體熱速處理是將熔體加熱到過熱溫度后，調(diào)整其冷卻速度至澆注溫度進行澆注的一種鑄造工藝。相較于過熱處理，這種工藝更注重熔體冷卻速度，通常采用激冷的方法。

（3）熔體混合處理：熔體混合處理方法是將一爐已加熱到過熱溫度的合金爐料倒入另一爐正常降溫至熔化溫度的合金爐料，然后迅速攪拌直至降至澆注溫度進行澆注。

3 熔體溫度處理對組織及性能影響

回顧近幾年來鋁合金熔體溫度處理技術(shù)在合金凝固組織及性能影響上的研究，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

3.1 熔體溫度處理對基體組織的影響

對于鑄造鋁合金來說，其基體組織通常為α-Al相，未經(jīng)處理的原始組織應(yīng)為樹枝狀晶，這不利于鑄件的力學性能，故通常會加入Ti-B細化劑來改善α-Al相的組織形態(tài)。Ti-B細化劑在鋁合金液中形成TiAl3和TiB2，成為鋁合金α-Al相樹枝晶組織的有效異質(zhì)結(jié)晶核。但這種細化方法的細化效果有限，且會帶入合金元素，因此目前熔體溫度處理技術(shù)在改善基體組織形態(tài)方面也有一定的研究[14-15]。包曉東[16]通過對Al-6 Cu合金、Al-33 Cu合金熔體進行熔體過熱處理試驗，利用金相對比分析發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)過熔體熱處理的合金凝固組織中晶粒尺寸比較粗大，晶粒的形貌很不規(guī)整，晶粒大小分布不均勻，α-Al相呈現(xiàn)層片狀分布。而經(jīng)過熔體過熱處理的合金晶粒尺寸明顯細化， 各種相組織分布比較均勻。孫鈺等[17]對ZL205A合金進行了熔體過熱處理，發(fā)現(xiàn)熔體過熱處理明顯細化了ZL205A合金鑄態(tài)基體組織。熔體過熱溫度由750 ℃升高到900 ℃，砂型試樣晶粒尺寸由152.1 μm 減小至110.7 μm。同時對比了砂型鑄造與金屬型鑄造，發(fā)現(xiàn)熔體過熱處理對砂型鑄造試樣凝固組織的細化效果更為明顯。陳忠偉等[18]通過熔體過熱處理Al-7%Si-0.50%Mg合金，發(fā)現(xiàn)不經(jīng)過Sr變質(zhì)，僅通過熔體過熱處理的Al-7%Si-0.50%Mg合金，其α-Al相及共晶硅相均得到明顯細化。

3.2 熔體溫度處理對第二相的影響

對于鑄造鋁硅合金來說，制約其力學性能的最大因素為粗大的初生硅和共晶硅相。這些粗大的第二相的存在，會割裂基體，誘發(fā)應(yīng)力集中。這不僅嚴重地降低了合金的力學性能，同時對合金的切割性能也有一定的影響，因此國內(nèi)外學者開展了較多的關(guān)于熔體溫度處理對初生硅及共晶硅組織形態(tài)影響的研究。

李艷霞等[19]通過熔體過熱溫度處理Al-25%Si合金，發(fā)現(xiàn)過熱溫度增加至1 000 ℃，初生硅直徑減小至15 μm；而繼續(xù)提升過熱溫度不利于初生硅顆粒的細化，當過熱溫度在 1 000 ℃以上時，初生硅直徑會再次粗化，同時增加冷卻速度有利于硅顆粒尺寸細化。李秋菊等[20]將熔體過熱處理與磷銅變質(zhì)結(jié)合綜合處理Al-20%Si合金，發(fā)現(xiàn)當熔體處理溫度為1 000 ℃時，既細化了初晶硅又細化了共晶硅。初晶硅平均尺寸約為36 μm，減小了62%，且共晶硅為短纖維狀和點狀，并且熔體溫度升高會促進Cu3P與Al的反應(yīng)，進而增加鋁熔體中AlP的數(shù)量以細化初晶硅。梁超[21]將熔體混合處理與Sr變質(zhì)復合起來處理，研究了低溫熔體溫度對初晶硅細化效果的影響，發(fā)現(xiàn)液固溫度區(qū)間制備合適溫度的低溫熔體（640 ℃）可獲得最佳初晶硅細化效果，初晶硅晶粒尺寸可低至10.27 μm，且分布彌散。吳斐斐等[22]將熔體混合技術(shù)與半固態(tài)加熱技術(shù)結(jié)合起來處理Al-18%Si合金，發(fā)現(xiàn)不僅初生硅顆粒平均直徑得到細化，并且其形態(tài)由不規(guī)則的塊狀變成了近球狀。張先鋒等[23]對Al-18%Si合金進行高低溫熔體混合處理時發(fā)現(xiàn)，當熔體混合處理的低溫熔體處于半固態(tài)溫度區(qū)間內(nèi)某一溫度時，比處于液相線以上溫度的低溫熔體可獲得更佳的初生硅細化效果。此外，在高溫熔體與低溫熔體混合比例為0.5:1時，初生硅的細化效果最佳，其平均直徑可由傳統(tǒng)工藝下的33.7 μm以上細化到12 μm以下。

3.3 熔體溫度處理對合金性能的影響

采用熔體溫度處理技術(shù)能夠影響金屬凝固前的液體結(jié)構(gòu)。不同的液體結(jié)構(gòu)對金屬材料的組織、性能也有不同的影響[24]。因此通過運用該處理技術(shù)，合金的力學性能、腐蝕性能、抗拉強度、磨損形貌等性能均能得到一定的提高。王慶磊等[25]研究了不同熔體溫度對Al-15Si-2.7Fe凝固合金性能的影響。研究表明，在930 ℃熔體熱速處理下，由于硅相和鐵相的細化，Al-15Si-2.7Fe合金的力學性能顯著提高。相比于普通工藝，該工藝使合金的抗拉強度、伸長率和硬度分別提高了12.7%、38.5%和10%，合金的磨損量和摩擦系數(shù)分別降低了7%~17%和24%~30%，合金的耐腐蝕性能最好，腐蝕電位最高，腐蝕電流密度也最低。不同熔體溫度熱速處理后合金的鑄造性能都有所提高。李秋菊等[26]研究了熔體溫度處理對變質(zhì)Al-20%Si合金組織和性能的影響。研究表明，經(jīng)變質(zhì)處理與熔體溫度處理后，布氏硬度值顯著増加，且硬度隨著初生硅尺寸的減小而増大，摩擦系數(shù)與磨損量減小。

4 結(jié)論

在過去的三十年中，人們已從各個方面對熔體溫度處理對合金凝固組織的影響進行了廣泛研究，并且某些合金的組織和性能已通過這種方法得到了明顯的提升。通過使用熔體溫度處理技術(shù)，在不添加任何改性元素的前提下，鑄造鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)和力學性能均可得到提升，這對于鑄造行業(yè)是非常有吸引力的。

從目前的研究結(jié)果上看，合金的凝固組織取決于過熱溫度以及凝固過程中的冷卻速度，但晶粒組織細化的機制、熔體溫度對初生相與共晶組織的影響是否一致等問題仍未探明，有待于進一步的研究與探討。