魏長傳

(中國鋁業(yè)西北鋁加工分公司，甘肅 隴西748111)

運輸行業(yè)中，為了減輕自重、減少能耗而采用鋁合金代替鋼鐵，已越來越為人們所公認(rèn)。隨著我國鐵路運輸業(yè)的發(fā)展，鋁硅系合金在內(nèi)燃機(jī)車活塞中得到廣泛應(yīng)用。活塞是發(fā)動機(jī)、空壓機(jī)、液壓馬達(dá)中傳遞能量和介質(zhì)的重要部件。對活塞的要求應(yīng)滿足下列條件：密度和熱膨脹系數(shù)小，尺寸穩(wěn)定，抗咬合性和耐磨性能好，并具有滿足使用要求的力學(xué)性能等。目前4032變形鋁合金是制造內(nèi)燃機(jī)車活塞裙鍛件的理想材料。4032合金中Si含量較高，其組織處于初晶硅和共晶硅之間，通過選用不同類型的變質(zhì)劑，查找變質(zhì)劑與初晶硅、共晶硅之間的關(guān)系，從而得到4032合金鑄錠無初晶硅，共晶硅細(xì)小均勻的組織，滿足用戶需求，組織、性能和國外先進(jìn)水平相當(dāng)。

1 4032合金的技術(shù)要求

1.1 4032合金化學(xué)成分見表1所示

表1 4032鋁合金化學(xué)成分

1.2 組織要求

YS/T493-2005《活塞用4A11、4032合金擠壓棒材》標(biāo)準(zhǔn)要求：成品棒材的低倍試片上不允許有偏析聚集、非金屬夾渣、粗晶、裂紋、縮尾等缺陷，晶粒度不大于2級。棒材的顯微組織允許有少量初晶硅存在，但分布應(yīng)均勻，不得成簇分布，初晶硅最大尺寸不大于0.08mm。

2 試驗方法

2.1 熔鑄方法

試驗中采用電阻爐進(jìn)行加熱，按照合金成分，添加純鋁錠、鋁硅中間合金、鋁鐵中間合金、純鎂等元素進(jìn)行熔化。通過精煉、扒渣、變質(zhì)處理后，采用半連續(xù)鑄造方式鑄造成直徑500mm的鑄錠。

2.2 均勻化處理

對鑄錠進(jìn)行均勻化處理，消除晶內(nèi)偏析，同時降低鑄錠因急劇冷卻造成的內(nèi)應(yīng)力，防止機(jī)械加工過程中造成開裂。對均勻化處理后的鑄錠，按照工藝要求切成1000mm定尺，對表面進(jìn)行車皮處理。

2.3 鑄錠低倍檢查

經(jīng)均勻化處理的鑄錠，在鑄錠的兩端切取30mm厚度的低倍試樣，經(jīng)車削加工后，在酸液、堿液中進(jìn)行表面處理，對處理后的鑄錠試片進(jìn)行低倍檢查，檢測其夾渣、疏松、化合物等缺陷，并判斷是否符合鑄錠低倍組織要求。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 變質(zhì)劑的選用

4032合金屬于Al—Si系鋁合金，含Si量為11.0～12.5%，其晶體組織屬于共晶硅和初晶硅共存的狀態(tài)，在鑄態(tài)下未經(jīng)變質(zhì)處理時，合金中共晶硅和初晶硅呈粗大的片狀或針狀，粗大的共晶硅相和初晶硅相硬而脆，容易在變形過程中產(chǎn)生微裂紋，明顯降低了合金的力學(xué)性能，尤其是塑性指標(biāo)下降較多。圖1所示為Al-20%Si鑄錠未經(jīng)過變質(zhì)處理的金相組織。當(dāng)Al—Si系合金中的硅含量超過8%時，必須進(jìn)行變質(zhì)處理，以改變硅相形態(tài)，減小共晶硅和初晶硅的尺寸，從而提高合金性能。

圖1 Al-20%Si 鑄錠未經(jīng)變質(zhì)處理 80×

近幾十年國內(nèi)對Al—Si系鋁合金的研究較少，特別是半連續(xù)鑄造方式生產(chǎn)的鑄錠，沒有成功的變質(zhì)經(jīng)驗。由于硅含量的不同，試驗的方法及工藝條件的不同，選用的變質(zhì)劑取得的效果也不同，目前選用的變質(zhì)劑主要有鈉鹽、磷鹽、Sr變質(zhì)劑、P-Cu、稀土等變質(zhì)劑。鈉鹽變質(zhì)劑在生產(chǎn)中多采用含 NaF的三元或四元鹽類混合物，根據(jù)不同的含量，分為1#鈉鹽、2#鈉鹽、4#鈉鹽、5#鈉鹽。本次試驗選用1#鈉鹽、2#鈉鹽、4#鈉鹽、5#鈉鹽及磷鹽、Sr變質(zhì)劑進(jìn)行對比試驗，通過最終產(chǎn)品的試驗結(jié)果，從中選出效果較好的變質(zhì)劑。

3.2 不同變質(zhì)劑對4032合金φ500mm鑄錠變質(zhì)處理的結(jié)果

采用不同的變質(zhì)劑進(jìn)行變質(zhì)處理，通過切取試片進(jìn)行檢測，其試驗結(jié)果如表2所示。

表2中的數(shù)據(jù)反映出不同的變質(zhì)劑對4032合金有不同的變質(zhì)處理效果。從試驗結(jié)果來看，使用磷鹽變質(zhì)劑的變質(zhì)效果最差，初晶硅和共晶硅的尺寸偏大，Sr變質(zhì)劑的變質(zhì)效果次之，最好的是鈉鹽變質(zhì)劑，主要是不同變質(zhì)劑其變質(zhì)機(jī)理不同，鑄造的方式不同，產(chǎn)生的結(jié)果也不同。磷鹽變質(zhì)機(jī)理一般認(rèn)為是異質(zhì)核心作用。P與Al生成AlP，AlP的熔點在1000℃以上，其晶格常數(shù)為5.45A，Si的晶格常數(shù)為5.42，兩者晶格常數(shù)相近，且都是金剛石型晶格常數(shù)，所以AlP可以起到異質(zhì)晶核作用，由于晶核數(shù)目增加而使初晶硅細(xì)化。鈉鹽變質(zhì)的原理普遍認(rèn)為是加入鈉鹽可降低Al-Si合金的共晶溫度,在過冷的條件下,使形核率升高,共晶組織變細(xì)。鑄錠在過冷的條件下結(jié)晶，有利于鈉鹽變質(zhì)，其晶粒相對細(xì)一些。另外，從鑄錠的低倍組織來看，采用鍶變質(zhì)方式，其鑄錠的低倍組織較差，氣孔、疏松較多，主要是鍶在熔體中具有助長熔體吸氣的作用，合金易產(chǎn)生疏松，使致密性下降。

表2 不同變質(zhì)劑對 4032合金變質(zhì)處理的結(jié)果

對4種鈉鹽的變質(zhì)效果進(jìn)行比較，從表2的數(shù)據(jù)可以看出，采用4#鈉鹽變質(zhì)得到的鑄錠邊部組織和中心部位組織均無初晶硅相，而共晶硅相呈粒狀分布，α枝晶間距小。從圖2、圖3可以看出，鑄錠的邊部枝晶網(wǎng)比鑄錠的1/2半徑部位的枝晶網(wǎng)要細(xì)，主要是鑄錠的邊部由于冷卻速度快，枝晶在鋁液中的生長速度受到限制，枝晶網(wǎng)較細(xì)；在1/2半徑處，由于冷卻速度比邊部要慢，鋁液凝固的時間長，使枝晶獲得較長的生長時間，造成枝晶較發(fā)達(dá)；在鑄錠的中心部位由于冷卻速度最慢，枝晶有充分的時間生長，使枝晶網(wǎng)粗大。鑄錠中心部位共晶硅相對于鑄錠的邊部和1/2半徑處較大，共晶硅在枝晶的周邊分布，共晶硅尺寸由邊部到中心逐漸增大，粗大枝晶網(wǎng)的中部屬于α.Al,會降低材料的最終強(qiáng)度。圖4為鑄錠均勻化后的組織,經(jīng)均勻化后共晶硅變?yōu)閳A形的粒狀，降低了對材料的不利影響。通過均勻化消除了部分晶內(nèi)及枝晶網(wǎng)偏析，枝晶網(wǎng)斷開成為圓形的顆粒狀。

4032合金采用4#鈉鹽變質(zhì)劑進(jìn)行變質(zhì)處理，一般無初晶硅出現(xiàn)，而且共晶硅組織也比較細(xì)，主要是鈉鹽變質(zhì)劑中的NaF與Al反應(yīng)生成Na和AlF3，被還原出來的鈉進(jìn)入鋁熔體中，對共晶硅起到了良好的變質(zhì)作用。但在使用鈉鹽變質(zhì)過程中，合金的粘度加大，流動性下降，使氣體上升的速度降低，極易出現(xiàn)氣孔及少量的夾渣物。其夾渣物來源主要是由變質(zhì)過程中形成的Na的氧化物、C、Ca等組成。4032合金φ500mm鑄錠中心部位由于冷卻強(qiáng)度降低,常形成粗大晶粒及發(fā)達(dá)的樹枝狀晶,α枝晶尺寸較大,形成硅的貧乏區(qū),對材料經(jīng)擠壓、淬火、時效后的機(jī)械性能造成較大影響。

對擠壓后的棒材切取低倍試片進(jìn)行檢測分析，沒有偏析聚集物及非金屬夾渣等缺陷，晶粒度在2級以內(nèi)。從顯微組織中看到，棒材組織均勻，晶粒以彌散狀分布，沒有成簇分布現(xiàn)象，無初晶硅組織。

圖2 4032合金鑄造邊部組織200×

圖3 4032合金鑄造1/2半徑處組織 200×

圖4 4032合金鑄錠均勻化1/2半徑處組織200×

3.3 精煉劑及結(jié)晶器對4032合金組織的影響

在試驗過程中，根據(jù)生產(chǎn)工藝流程，在變質(zhì)前對靜止?fàn)t中的熔體采用高純氮氣、高純氬氣作為精煉氣體進(jìn)行精煉，為保證精煉效果，其精煉時間一般控制在15分鐘以上。同時，在流槽中采用透氣磚和泡沫陶瓷過濾板兩種方式進(jìn)行在線除氣除渣。從鑄錠的低倍組織來看，選用高純氮氣或高純氬氣作為精煉劑，其精煉效果較好，鑄錠中沒有氣孔產(chǎn)生，兩者的效果相當(dāng)。主要是選用的氮氣及氬氣與鋁熔體中的鋁及變質(zhì)劑不發(fā)生反應(yīng)，對變質(zhì)劑的變質(zhì)效果不影響。另外，在流槽中通入高純氮氣或高純氬氣，氣體通過透氣磚后形成微小的氣泡充滿整個流槽，對因變質(zhì)中添加的變質(zhì)劑量較大，熔體中的含渣量較多的問題，能通過氣體上浮帶走部分夾渣，提高了除氣除渣的效果。同時采用泡沫陶瓷過濾板，通過過濾板上的孔洞進(jìn)行過濾，可有效消除夾渣缺陷，提高金屬的純凈度。

鑄造方法采用鋁結(jié)晶器鑄造和帶有隔熱膜的鋁結(jié)晶器鑄造。從鑄造結(jié)果來看，采用鋁結(jié)晶器鑄造的鑄錠組織比帶有隔熱膜的鋁結(jié)晶器鑄造的鑄錠組織粗大，主要是帶有隔熱膜的鋁結(jié)晶器一次冷卻距離較短，鑄造時的冷卻強(qiáng)度大于鋁結(jié)晶器鑄造的冷卻強(qiáng)度所致，在大冷卻強(qiáng)度條件下，初生硅和共晶硅還沒有來得及聚集和長大就已經(jīng)被凝固，從而減小了晶粒的尺寸。因此，在后續(xù)試驗中均采用帶有隔熱膜的鋁結(jié)晶器鑄造。

3.4 變質(zhì)劑用量和氣孔之間的關(guān)系

對鑄錠低倍組織進(jìn)行金相檢驗，從低倍試片上看出，低倍試片上均有不同程度的氣孔，其中使用鍶變質(zhì)劑生產(chǎn)的鑄錠存在有疏松缺陷，其他的鑄錠沒有發(fā)現(xiàn)疏松缺陷。主要是鍶變質(zhì)劑可以使鋁熔體吸氣能力加強(qiáng)，加重了疏松及氣孔缺陷的產(chǎn)生。低倍試片中氣孔較少的是采用2#、4#鈉鹽進(jìn)行變質(zhì)處理的鑄錠。變質(zhì)劑使用量的多少，影響著鑄錠含氣量的多少，選用同一種變質(zhì)劑，調(diào)整不同使用量，其變質(zhì)劑用量和氣孔對應(yīng)趨勢示意圖如圖5所示。

圖5 變質(zhì)劑用量和氣孔的關(guān)系

從圖5中可以看出，隨著變質(zhì)劑加入量的增多，產(chǎn)生氣孔的程度也相應(yīng)的增加，當(dāng)變質(zhì)劑用量超過一定量時，產(chǎn)生氣孔的程度將隨之大幅度上升。所以要減少氣孔的產(chǎn)生，在保證變質(zhì)劑用量的前提下，應(yīng)盡量少加，否則將產(chǎn)生過變質(zhì)，影響到鑄錠質(zhì)量。

4 結(jié)論

經(jīng)過多次變質(zhì)試驗和工藝改進(jìn)， 4032合金的組織和性能完全能滿足客戶需求。

1) 采用帶有隔熱膜的鋁結(jié)晶器進(jìn)行鑄造，可提高鑄錠的冷卻速度，有利于金屬的結(jié)晶及組織細(xì)化；

2) 選用4#鈉鹽作為變質(zhì)劑，其變質(zhì)效果最好，其組織無初晶硅，共晶硅組織較細(xì)??；

3) 變質(zhì)前在靜置爐內(nèi)用純N2氣體精煉15分鐘以上，以提高熔體的純凈度；

4) 流槽內(nèi)采用透氣磚，通入純N2氣體實現(xiàn)在線精煉，有利于減少氣體含量及夾渣。

[1] 肖亞慶，鋁加工技術(shù)實用手冊，北京：冶金工業(yè)出版社，2004

[2]周家榮，鋁合金熔鑄生產(chǎn)技術(shù)問答，北京：冶金工業(yè)出版社，2007

[3] 耿浩然等，Al-Si合金變質(zhì)技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與進(jìn)展，機(jī)械工程材料，1995(5)

[4] 李順樸等，Al-Si合金的共晶共生區(qū)及組織形成規(guī)律，金屬學(xué)報，1995(2)