變質(zhì)工藝對(duì)復(fù)合鋁合金釬焊層Si的形貌及尺寸的影響

曹琦　劉智雄　趙娜　劉二磊　嚴(yán)安

摘要：4045鋁合金鑄造過(guò)程中分別采用Na鹽、Al-Sr中間合金、Al-P中間合金等不同的變質(zhì)劑進(jìn)行變質(zhì)處理，檢測(cè)并分析了鑄造組織中的初晶Si、共晶Si以及復(fù)合鋁合金釬焊層Si的形貌與尺寸。結(jié)果顯示，經(jīng)Al-Sr中間合金變質(zhì)處理的鑄造組織中沒有塊狀初晶Si，且共晶Si為球化的短棒狀。對(duì)復(fù)合鋁合金釬焊層的形貌進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)變質(zhì)處理的試樣中Si顆粒發(fā)生球化且呈短棒狀，未發(fā)現(xiàn)大的塊狀Si顆粒；而未經(jīng)變質(zhì)處理的試樣中有明顯的呈長(zhǎng)條狀的Si顆粒，且平均最大Feret直徑、平均最小Feret直徑、平均顆粒面積、顆粒總面積、顆粒面積分?jǐn)?shù)等較大。表明Al-Sr中間合金變質(zhì)劑對(duì)高硅鋁合金鑄造組織中的Si相以及復(fù)合鋁合金釬焊層Si顆粒的形貌與尺寸有明顯改善作用。

關(guān)鍵詞：鋁合金；復(fù)合；變質(zhì)；釬焊層；Si顆粒

中圖分類號(hào)：TG 292; TG 339 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Al-Si合金具有強(qiáng)度高、密度低、鑄造性能優(yōu)良、焊接性能好、熱膨脹系數(shù)小和資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車制造、航空航天、電子電力及交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域[1-2]。Al-Si合金因Si含量較高，鑄造過(guò)程中Si相以粗大的針狀或塊狀結(jié)晶的方式存在，將嚴(yán)重影響其性能。通常認(rèn)為，當(dāng)Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)6%時(shí)就需要進(jìn)行變質(zhì)處理[3]，4045鋁合金就是其中一種。該合金被廣泛應(yīng)用于熱傳輸領(lǐng)域中鋁基復(fù)合材料的釬焊層，在釬焊過(guò)程中熔化充當(dāng)釬料從而實(shí)現(xiàn)板、管、翅片的焊接。4045鋁合金若在鑄造時(shí)不進(jìn)行變質(zhì)處理，鑄造組織中粗大的初晶硅會(huì)遺傳到鋁基復(fù)合材料的釬焊層中，造成流動(dòng)性差，一些大尺寸塊狀Si顆粒在釬焊過(guò)程中會(huì)阻礙釬焊層的流動(dòng)，易引起局部熔蝕，存在造成熱交換器管壁穿孔的風(fēng)險(xiǎn)。

1 變質(zhì)方法及機(jī)制

目前Al-Si合金變質(zhì)處理的方法主要有變質(zhì)劑法、快速凝固法、振動(dòng)變質(zhì)法和超聲處理法等[4-6]。本研究將采用變質(zhì)劑法，通過(guò)對(duì)比Na鹽變質(zhì)、Al-Sr中間合金變質(zhì)、Al-P中間合金變質(zhì)等幾種不同的變質(zhì)處理方法，以獲得最佳的工業(yè)生產(chǎn)變質(zhì)方式。

Na鹽變質(zhì)熔煉過(guò)程中Na呈薄膜狀并吸附在初晶硅相的表面，抑制Si晶胚在熔液中的生長(zhǎng)速度，促使Si相改變生長(zhǎng)方向，從而引起合金中Si相的細(xì)化和球化[7]。Sr變質(zhì)機(jī)制為雜質(zhì)誘導(dǎo)孿晶理論。該理論認(rèn)為：游離的Sr以雜質(zhì)的形式吸附在Si相的優(yōu)先生長(zhǎng)面上，從而抑制了Si相的小平面生長(zhǎng)，促使其生長(zhǎng)方式轉(zhuǎn)變?yōu)閷\晶生長(zhǎng)，使Si相的尺寸變小，但Sr基本不影響初生Si的孿晶凝固形核[8]。關(guān)于P細(xì)化初晶硅和共晶硅的機(jī)制，研究學(xué)者看法基本一致[9]：Al與P在高溫下能形成金屬化合物AIP，AIP熔點(diǎn)較高，可以作為結(jié)晶核心，提高形核率，增加晶核數(shù)量。

2 試驗(yàn)

熔煉時(shí)合金成分配料按表1進(jìn)行，裝爐量約30 t，熔煉及添加合金元素添加劑的鋁液溫度為760℃，經(jīng)攪拌、扒渣、成分檢測(cè)合格后，將鋁液倒入靜置爐后加入變質(zhì)劑，經(jīng)攪拌、精煉、扒渣、成分檢測(cè)合格后，靜置30 min開始鑄造，鑄造溫度為（690±5）℃，鑄錠厚度為490 mm，寬度為1 050 mm，長(zhǎng)度為5 800 mm，鑄造速度為50 mm/min。

本研究將從鑄造組織和成品釬焊層Si顆粒兩個(gè)方面進(jìn)行檢測(cè)分析：（l）鑄造組織檢測(cè)分析。在相同鑄造工藝參數(shù)情況下，對(duì)未變質(zhì)、Na鹽變質(zhì)、Al-Sr中間合金（Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.00%）變質(zhì)、Al-P中間合金（P質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.50%）變質(zhì)4種變質(zhì)T藝的效果進(jìn)行比對(duì)，找出效果最好的變質(zhì)劑。4種方案詳見表2。（2）成品釬焊層Si顆粒形貌與尺寸檢測(cè)分析。將變質(zhì)效果最好的4045鋁合金鑄錠熱軋成一定厚度的釬焊層，與3003改性鋁合金（簡(jiǎn)寫為3003MOD）復(fù)合后制備成厚度為0.2～0.5 mm的成品，與未進(jìn)行變質(zhì)的4045鋁合金鑄錠做釬焊層制備的同厚度的復(fù)合鋁合金成品進(jìn)行釬焊層Si顆粒形貌與尺寸的對(duì)比分析。化學(xué)成分檢測(cè)采用ThermoFisher America ARL3460光電直讀光譜儀，金相檢測(cè)采用ZEISS Germany AxioImager.A2m型金相顯微鏡，形貌檢測(cè)采用Zeiss Sigma熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（ scanning electron mlcroscope，SEM），尺寸分析采用ImageJ軟件。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 合金化學(xué)成分

4種方案變質(zhì)處理后，4045鋁合金實(shí)測(cè)化學(xué)成分值見表3。

由表3可知，除因不同變質(zhì)劑帶入的Sr、P等合金元素之外，其余Si、Fe、Mn、Mg、Zn、Ti等合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)無(wú)明顯差異。

3.2 鑄造組織檢測(cè)分析

4045鋁合金鑄錠尾部缺陷部分鋸切后，再鋸切厚度為15 mm的整寬樣片，從邊部、1/4處、中心處分別取20 mmx20 mm樣片，鑲樣、打磨、拋光后進(jìn)行組織檢測(cè)，取樣位置如圖1所示。4045鋁合金4種變質(zhì)方式的鑄錠樣片邊部、1/4處、中心處的鑄造組織檢測(cè)結(jié)果分別見圖2～5。

從圖2可以看出，未經(jīng)變質(zhì)處理的4045鋁合金鑄造組織中邊部、1/4處、中心處沒有明顯的cc枝晶，但均存在塊狀初晶硅，尺寸約20-- 80 μm，共晶硅為長(zhǎng)針狀。

從圖3可以看出，經(jīng)Na鹽變質(zhì)處理的4045鋁合金鑄造組織中，中心處有少量a枝晶，1/4處、中心處存在小塊狀初晶硅，尺寸約20-- 60 μm，3個(gè)部位的共晶硅已經(jīng)明顯向短棒狀發(fā)展，局部還存在針狀的共晶硅，分布不均勻，表明Na鹽變質(zhì)起到了一定的效果，但變質(zhì)效果不足?？赡荑T造時(shí)間太長(zhǎng)，變質(zhì)效果已經(jīng)變差。

從圖4可以看出，經(jīng)Al-Sr中間合金變質(zhì)處理的4045鋁合金鑄造組織中，邊部、1/4處、中心處沒有發(fā)現(xiàn)塊狀初晶硅，且已沒有針狀共晶硅，均發(fā)展成為短棒狀，明顯球化，中心處可能有少量較小的cc枝晶，其余部位基本沒有cc枝晶，表明Al-Sr中間合金變質(zhì)效果比較明顯。

從圖5可以看出，經(jīng)Al-P中間合金變質(zhì)后的4045鋁合金鑄造組織中，1/4處、中心處仍然存在較小的塊狀初晶硅，尺寸約10-- 30 μm，3個(gè)部位均存在明顯的長(zhǎng)針狀共晶硅，表明Al-P中間合金變質(zhì)有輕微的效果。這與武宏發(fā)等[10]得出的少量P可顯著細(xì)化高Al-Si合金的初生Si相的結(jié)論不一致，可能主要是因?yàn)樘砑覣l-P變質(zhì)劑的溫度不同造成的，本研究溫度為760℃，而武宏發(fā)等[10]的研究里溫度為800℃。曹國(guó)劍等[11]指出含P的中間合金熔點(diǎn)高，且容易沉淀偏析。這表明，溫度不高時(shí)，P的變質(zhì)效果可能不佳。在工業(yè)生產(chǎn)中，鋁液溫度過(guò)高時(shí)．燒損加大，通常將鋁合金熔煉溫度控制在730-- 760℃。

從變質(zhì)效果來(lái)說(shuō)，采用Al-Sr中間合金進(jìn)行變質(zhì)處理的效果最佳，其次是Na鹽變質(zhì)，然后是Al-P中間合金變質(zhì)，采用以上3種變質(zhì)劑處理的效果均優(yōu)于未變質(zhì)處理的。詳見表4。

3.3 釬焊層Si顆粒形貌與尺寸

采用Al-Sr中間合金作為變質(zhì)劑的工藝有明顯的變質(zhì)效果，將該方案鑄造的4045鋁合金鑄錠作為釬焊層。將變質(zhì)后的4045鋁合金鑄錠熱軋至一定厚度，與作為芯材的3003MOD鋁合金復(fù)合，熱軋至5.5 mm，經(jīng)5道次冷軋軋制成厚度為0.4 mm的4045/3003MOD/4045雙面復(fù)合鋁合金，經(jīng)不完全退火至H24狀態(tài)后，取樣片檢測(cè)釬焊層Si顆粒形貌，如圖6虛線框所示。同時(shí)將未經(jīng)變質(zhì)的4045鋁合金鑄錠，按同樣方法軋制成0.4 mm成品，經(jīng)不完全退火至H24狀態(tài)后，取樣片檢測(cè)釬焊層Si顆粒形貌，如圖7虛線框所示。兩試樣釬焊層SEM形貌如圖8所示。

由圖6可以看出，經(jīng)Al-Sr中間合金變質(zhì)的4045鋁合金制備的4045/3003MOD/4045復(fù)合鋁合金，釬焊層Si顆粒為粗短棒狀，未發(fā)現(xiàn)大的塊狀Si顆粒；由圖7可以看出，未經(jīng)變質(zhì)的4045鋁合金制備的4045/3003MOD/4045復(fù)合鋁合金，釬焊層Si顆粒為粗棒狀，部分為粗的長(zhǎng)棒狀，且發(fā)現(xiàn)了明顯的大的塊狀Si顆粒，尺寸20—60 μm，其中兩個(gè)大顆粒尺寸通過(guò)顯微鏡粗測(cè)為25.7 μm和45.7 μm，通過(guò)ImageJ軟件測(cè)量Feret直徑dF分別為42.3 μm和53.2 μm。由圖8可以看出，經(jīng)Al-Sr中間合金變質(zhì)的4045鋁合金釬焊層Si顆粒尺寸明顯小，且有球化現(xiàn)象，呈粗短棒狀，而未變質(zhì)的4045鋁合金釬焊層Si顆粒尺寸大，呈長(zhǎng)條狀，部分截面呈近似規(guī)整的矩形。

將圖6、圖7釬焊層形貌圖用ImageJ軟件進(jìn)行處理，得到釬焊層Si顆粒分布圖以及顆粒尺寸，Si顆粒分布詳見圖9，顆粒尺寸詳見表5。

其中：0為Feret直徑角度，F(xiàn)eret直徑dF與水平面的夾角。

由表5可以看出，序號(hào)A經(jīng)Al-Sr中間合金變質(zhì)的釬焊層Si顆粒平均最大dF為2.99 μm，平均最小dF為1.76 μm，序號(hào)B未經(jīng)變質(zhì)的釬焊層Si顆粒平均最大dF為5.45 μm，比經(jīng)Al-Sr變質(zhì)的大82.3%，平均最小dF為2.55μm，比經(jīng)Al-Sr中間合金變質(zhì)的大44.g%，序號(hào)C若將圖9（b）未變質(zhì)中2個(gè)dF分別為42.3 μm、53.2 μm的Si顆粒不統(tǒng)計(jì)在內(nèi)，平均最大dF為4.83 μm，仍比經(jīng)Al-Sr變質(zhì)的大61.5%，平均最小dF為2.21 μm，仍比經(jīng)Al-Sr變質(zhì)的大25.6%。經(jīng)Al-Sr中間合金變質(zhì)的釬焊層Si顆粒數(shù)量254個(gè)，顆粒面積占比僅有12.5%，而未經(jīng)變質(zhì)的釬焊層Si顆粒數(shù)量139個(gè)，顆粒面積占比25.g%，其數(shù)量遠(yuǎn)小于經(jīng)Al-Sr中間合金變質(zhì)的，但顆粒面積卻遠(yuǎn)大于經(jīng)Al-Sr中間合金變質(zhì)的，也證明了其釬焊層Si顆粒尺寸較大。研究表明，高硅鋁合金在焊接過(guò)程中Si顆粒的粒徑越大，或者含量越多，釬焊越困難，所獲得的接頭連接強(qiáng)度越低[12-13]。顯然，經(jīng)Al-Sr中間合金變質(zhì)的釬焊層Si顆粒dF明顯小，面積也小，釬焊效果將會(huì)明顯優(yōu)于未變質(zhì)的。

4 結(jié) 論

（1）從鑄造組織可以得出，4045鋁合金經(jīng)Al—Sr中間合金變質(zhì)的效果最佳，其次是Na鹽變質(zhì)的，然后是Al-P中間合金變質(zhì)的，采用以上3種變質(zhì)劑處理的效果均優(yōu)于未變質(zhì)處理的。

（2）4045鋁合金經(jīng)Al-P中間合金變質(zhì)僅有輕微效果，主要因?yàn)楹琍的中間合金熔點(diǎn)高，且容易沉淀偏析，通常需要800℃以上，在此溫度下鋁液燒損較高，將損失一定的成材率，兼顧合金元素吸收與鋁液燒損，工業(yè)生產(chǎn)時(shí)鋁合金熔煉溫度通常在730～760℃，故不考慮Al-P中間合金的變質(zhì)方式。

（3）未經(jīng)變質(zhì)的4045鋁合金鑄錠制備的4045/3003MOD/4045的復(fù)合鋁合金，其釬焊層有20-- 60 μm的塊狀Si顆粒，而經(jīng)Al-Sr中間合金變質(zhì)的4045鋁合金鑄錠制備的4045/3003MOD/4045復(fù)合鋁合金，其釬焊層無(wú)大的塊狀Si顆粒。

（4）未經(jīng)變質(zhì)的釬焊層Si顆粒平均最大dF為5.45μm，比經(jīng) Al-Sr 變質(zhì)的 2.99μm 大 82.3%，且在平均最小 dF、平均顆粒面積、顆?？偯娣e、顆粒面積百分比等均遠(yuǎn)大于經(jīng) Al-Sr 中間合金變質(zhì)的，經(jīng) Al-Sr 中間合金變質(zhì)的釬焊層釬焊效果將會(huì)明顯優(yōu)于未變質(zhì)的。

（5）采用 Al-Sr 中間合金變質(zhì)的 4045 鋁合金，無(wú)論鑄造組織還是復(fù)合鋁合金釬焊層 Si 顆粒形貌與尺寸，均為最優(yōu)，故該方式為最有效的變質(zhì)處理方式。

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