摘 要 通過(guò)分析ZL104和ZL108合金鑄件，找到了Al-Si鋁硅合金鑄件表面出現(xiàn)“雪花斑”的原因。發(fā)現(xiàn)宏觀晶粒尺寸大的合金易于出現(xiàn)“雪花斑”；微觀上，一次晶軸和二次枝晶間距大的合金由于硬的共晶組織和軟的α(Al)分布不均而易于產(chǎn)生“雪花斑”。對(duì)ZL104合金加快冷卻速度或添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的Al5TiB細(xì)化劑能有效防止“雪花斑”的產(chǎn)生。
關(guān)鍵詞：Al-Si合金 “雪花斑” 宏觀晶粒尺寸 Al5TilB細(xì)化劑
1 試驗(yàn)過(guò)程
首先對(duì)有“雪花斑”的ZL104鑄件取樣，分別在α(Al)上及共晶區(qū)測(cè)量顯微硬度；然后用5 kW井式坩堝電阻爐將ZL104熔化后在740 ℃分別澆入三種不同冷卻條件的鑄型中，試樣編號(hào)分別為01#、02#和03#，最后將有“雪花斑”的ZL104活塞料在760 ℃熔化，并加入1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的Al5Sr變質(zhì)劑及不同量的Al5TilB，試樣均在740 ℃澆入KBI環(huán)模［1］(預(yù)熱到500 ℃)+耐火磚，試樣冷卻速度為1 ℃/s，試樣編號(hào)分別為000#，001#，002#和003#。所澆試樣均距底面車削3 mm，然后觀察其加工面。
2 試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1 “雪花斑”出現(xiàn)范圍的確定
通過(guò)圖1并結(jié)合實(shí)際情況，可以發(fā)現(xiàn)“雪花斑”的產(chǎn)生與晶粒尺寸有關(guān)，宏觀晶粒尺寸大的亞共晶及共晶合金鑄件易于產(chǎn)生“雪花斑”，其典型牌號(hào)為ZL104、ZL108；而宏觀晶粒尺寸細(xì)小的亞共晶及過(guò)共晶合金鑄件車加工后，則觀察不到“雪花斑”。
由表1及圖2可斷定：“雪花斑”是分布著少量共晶組織的α(Al)區(qū)域，發(fā)亮區(qū)則是共晶組織或分布著α(Al)較少的共晶組織區(qū)域。以下將針對(duì)ZL104進(jìn)行分析。
由于 “雪花斑” 區(qū)域內(nèi)硬度值差別較大， 車削加工時(shí)， 在車刀切應(yīng)力的作用下， 切應(yīng)力切削平面由于硬度不一，軟的α(Al)區(qū)域由于塑韌性好被切削擠壓，部分被撕裂形成凹坑，形成微觀上的表層凹凸區(qū)；而分布著α(Al)較少的共晶組織或共晶組織區(qū)域，硬度大而均一，加工面光亮平整。由于鋁易與氧結(jié)合生成致密的Al2O3薄膜，這樣便在組織單一的共晶區(qū)或共晶組織占絕大多數(shù)的區(qū)域形成宏觀上的亮基底，而微觀上的表層凹凸區(qū)氧化后則由于對(duì)光線反射、散射方向的不同而形成宏觀上的白色“雪花斑”。
對(duì)于亞共晶成分的ZL104合金，α(Al)為先析出相。在α(Al)長(zhǎng)大時(shí)由于溶質(zhì)再分配，枝晶間的合金液能較快地達(dá)到共晶成分，這樣枝晶間的合金液在適宜的過(guò)冷度下便依附在α(Al)樹(shù)枝晶上，兩相相互促進(jìn)“合作長(zhǎng)大”［2，3］，凝固終了時(shí)便形成了α(Al)樹(shù)枝晶枝間及樹(shù)枝晶周圍分布著共晶組織的微觀結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2b.)。由于α(Al)樹(shù)枝晶一次晶軸和二次枝晶間距較大，共晶組織在α(Al)二次枝晶間的分布是不均的，當(dāng)加工截面的枝晶間含有共晶組織較少時(shí)，便會(huì)形成宏觀上的以α(Al)樹(shù)枝晶為輪廓的“雪花斑”，并且樹(shù)枝晶越大，“雪花斑”越大。而樹(shù)枝晶晶粒之間的硬度大而均一的共晶組織區(qū)，加工時(shí)則成為亮基底，將“雪花斑”分離開(kāi)來(lái)。
2.3 消除“雪花斑”的措施
2.3.1 加快凝固速度
通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同的冷卻速度對(duì)“雪花斑”的產(chǎn)生至關(guān)重要。01#、02#和03試樣的冷卻速度分別為10 ℃/s，6 ℃/s，1 ℃/s，車削加工后發(fā)現(xiàn)03#試樣加工表面有“雪花斑”，而其余兩個(gè)試樣則沒(méi)有，這是因?yàn)槔鋮s速度愈快，α(Al)樹(shù)枝晶二次枝晶間距愈小，各枝晶間分布的共晶組織相對(duì)較少，從而使分布于枝晶間的共晶組織均勻、彌散，使其表面硬度趨于一致，車削加工時(shí)不能形成顯微凹凸不平區(qū)與致密區(qū)的分割，因此加工后也就不會(huì)出現(xiàn)“雪花斑”，其01#試樣微觀組織見(jiàn)圖4。
對(duì)于Al-Si合金， 隨Si含量提高。由于Si對(duì)晶粒細(xì)化劑有毒化作用， 加入量應(yīng)相應(yīng)提高， Al5TilB細(xì)化劑能有效細(xì)化α(Al)樹(shù)枝晶一次晶軸，使α(Al)樹(shù)枝晶變得很細(xì)小，分布彌散，從而分布于枝晶間的共晶組織分布更加均勻彌散，減小局部區(qū)域硬度的差，車削加工時(shí)不會(huì)形成宏觀上的“雪花斑”。由表2可見(jiàn)，對(duì)ZL104合金在變質(zhì)的同時(shí)加入2%以上的Al5Ti1B細(xì)化劑能有效防止“雪花斑”的產(chǎn)生。并且，這種方法可以提高鑄件的力學(xué)性能。
3 結(jié)論
(1) “雪花斑”的產(chǎn)生與合金宏觀晶粒尺寸有關(guān)，含Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%～13%的合金因宏觀晶粒粗大而易產(chǎn)生“雪花斑”，其典型牌號(hào)為ZL104、ZL108合金。
(2) “雪花斑”的出現(xiàn)，微觀上取決于合金中硬的共晶組織和軟的α(Al)的分布情況。變質(zhì)后的共晶、亞共晶Al-Si合金由于α(Al)一次晶軸和二次枝晶間距大，枝晶間分布的共晶組織較少且不均勻，加工后形成的以α(Al)樹(shù)枝晶為輪廓的顯微凹凸不平區(qū)因?qū)饩€反射、散射作用不同而形成宏觀上的“雪花斑”。
(3) 對(duì)ZL104合金通過(guò)加快冷卻速度減小二次枝晶間距以均勻共晶組織的分布，減小局部區(qū)域硬度差，可以防止產(chǎn)生“雪花斑”。變質(zhì)同時(shí)加入2%的Al5TilB細(xì)化α(Al)樹(shù)枝晶一次晶軸，可以有效防止“雪花斑”的產(chǎn)生。
作者簡(jiǎn)介；齊廣慧，男，1976年出生，碩士生，山東工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院液態(tài)金屬及遺傳工程研究所，濟(jì)南（250061）
作者單位：山東工業(yè)大學(xué)
關(guān)鍵詞：Al-Si合金 “雪花斑” 宏觀晶粒尺寸 Al5TilB細(xì)化劑
1 試驗(yàn)過(guò)程
首先對(duì)有“雪花斑”的ZL104鑄件取樣，分別在α(Al)上及共晶區(qū)測(cè)量顯微硬度；然后用5 kW井式坩堝電阻爐將ZL104熔化后在740 ℃分別澆入三種不同冷卻條件的鑄型中，試樣編號(hào)分別為01#、02#和03#，最后將有“雪花斑”的ZL104活塞料在760 ℃熔化，并加入1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的Al5Sr變質(zhì)劑及不同量的Al5TilB，試樣均在740 ℃澆入KBI環(huán)模［1］(預(yù)熱到500 ℃)+耐火磚，試樣冷卻速度為1 ℃/s，試樣編號(hào)分別為000#，001#，002#和003#。所澆試樣均距底面車削3 mm，然后觀察其加工面。
2 試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1 “雪花斑”出現(xiàn)范圍的確定
通過(guò)圖1并結(jié)合實(shí)際情況，可以發(fā)現(xiàn)“雪花斑”的產(chǎn)生與晶粒尺寸有關(guān)，宏觀晶粒尺寸大的亞共晶及共晶合金鑄件易于產(chǎn)生“雪花斑”，其典型牌號(hào)為ZL104、ZL108；而宏觀晶粒尺寸細(xì)小的亞共晶及過(guò)共晶合金鑄件車加工后，則觀察不到“雪花斑”。
圖1 二元Al-Si合金含Si量與宏觀晶粒尺寸的關(guān)系
由表1及圖2可斷定：“雪花斑”是分布著少量共晶組織的α(Al)區(qū)域，發(fā)亮區(qū)則是共晶組織或分布著α(Al)較少的共晶組織區(qū)域。以下將針對(duì)ZL104進(jìn)行分析。
表1 顯微硬度的測(cè)量結(jié)果
| 區(qū)域 | 點(diǎn)數(shù) | 硬度值(HV) | 平均硬度值(HV均) |
| 共 | 1 | 175.3 | |
| 晶 | 2 | 148.4 | 162.7 |
| 區(qū) | 3 | 163.7 | |
| α(Al) | 1 | 130.1 | |
| 區(qū) | 2 | 120.8 | 125.1 |
| 3 | 124.3 |
對(duì)于亞共晶成分的ZL104合金，α(Al)為先析出相。在α(Al)長(zhǎng)大時(shí)由于溶質(zhì)再分配，枝晶間的合金液能較快地達(dá)到共晶成分，這樣枝晶間的合金液在適宜的過(guò)冷度下便依附在α(Al)樹(shù)枝晶上，兩相相互促進(jìn)“合作長(zhǎng)大”［2，3］，凝固終了時(shí)便形成了α(Al)樹(shù)枝晶枝間及樹(shù)枝晶周圍分布著共晶組織的微觀結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2b.)。由于α(Al)樹(shù)枝晶一次晶軸和二次枝晶間距較大，共晶組織在α(Al)二次枝晶間的分布是不均的，當(dāng)加工截面的枝晶間含有共晶組織較少時(shí)，便會(huì)形成宏觀上的以α(Al)樹(shù)枝晶為輪廓的“雪花斑”，并且樹(shù)枝晶越大，“雪花斑”越大。而樹(shù)枝晶晶粒之間的硬度大而均一的共晶組織區(qū)，加工時(shí)則成為亮基底，將“雪花斑”分離開(kāi)來(lái)。
a.宏觀照片 b.微觀照片 ×100
圖2 ZL104宏觀照片及微觀照片
a.為“雪花斑”區(qū) b.“雪花斑”間亮區(qū)
圖3 ZL104鑄件“雪花斑”顯微照片 ×100
2.3 消除“雪花斑”的措施
2.3.1 加快凝固速度
通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同的冷卻速度對(duì)“雪花斑”的產(chǎn)生至關(guān)重要。01#、02#和03試樣的冷卻速度分別為10 ℃/s，6 ℃/s，1 ℃/s，車削加工后發(fā)現(xiàn)03#試樣加工表面有“雪花斑”，而其余兩個(gè)試樣則沒(méi)有，這是因?yàn)槔鋮s速度愈快，α(Al)樹(shù)枝晶二次枝晶間距愈小，各枝晶間分布的共晶組織相對(duì)較少，從而使分布于枝晶間的共晶組織均勻、彌散，使其表面硬度趨于一致，車削加工時(shí)不能形成顯微凹凸不平區(qū)與致密區(qū)的分割，因此加工后也就不會(huì)出現(xiàn)“雪花斑”，其01#試樣微觀組織見(jiàn)圖4。
圖4 ZL104無(wú)“雪花斑”件的顯微組織(金屬型澆注) ×100
對(duì)于Al-Si合金， 隨Si含量提高。由于Si對(duì)晶粒細(xì)化劑有毒化作用， 加入量應(yīng)相應(yīng)提高， Al5TilB細(xì)化劑能有效細(xì)化α(Al)樹(shù)枝晶一次晶軸，使α(Al)樹(shù)枝晶變得很細(xì)小，分布彌散，從而分布于枝晶間的共晶組織分布更加均勻彌散，減小局部區(qū)域硬度的差，車削加工時(shí)不會(huì)形成宏觀上的“雪花斑”。由表2可見(jiàn)，對(duì)ZL104合金在變質(zhì)的同時(shí)加入2%以上的Al5Ti1B細(xì)化劑能有效防止“雪花斑”的產(chǎn)生。并且，這種方法可以提高鑄件的力學(xué)性能。
表2 不同量細(xì)化劑對(duì)ZL104“雪花斑”出現(xiàn)情況的影響
| 試樣 編號(hào) |
變質(zhì) 溫度 |
變質(zhì) 時(shí)間 |
澆注溫度 | w(Al5TilB) | 細(xì)化時(shí)間 | 車加工 后有無(wú) “雪花” |
| ℃ | min | ℃ | % | min | ||
| 000 | 760 | 40 | 740 | 0 | 10 | 有 |
| 001 | 760 | 40 | 740 | 1 | 10 | 有 |
| 002 | 760 | 40 | 740 | 2 | 10 | 無(wú) |
| 003 | 760 | 40 | 740 | 3 | 10 | 無(wú) |
(1) “雪花斑”的產(chǎn)生與合金宏觀晶粒尺寸有關(guān)，含Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%～13%的合金因宏觀晶粒粗大而易產(chǎn)生“雪花斑”，其典型牌號(hào)為ZL104、ZL108合金。
(2) “雪花斑”的出現(xiàn)，微觀上取決于合金中硬的共晶組織和軟的α(Al)的分布情況。變質(zhì)后的共晶、亞共晶Al-Si合金由于α(Al)一次晶軸和二次枝晶間距大，枝晶間分布的共晶組織較少且不均勻，加工后形成的以α(Al)樹(shù)枝晶為輪廓的顯微凹凸不平區(qū)因?qū)饩€反射、散射作用不同而形成宏觀上的“雪花斑”。
(3) 對(duì)ZL104合金通過(guò)加快冷卻速度減小二次枝晶間距以均勻共晶組織的分布，減小局部區(qū)域硬度差，可以防止產(chǎn)生“雪花斑”。變質(zhì)同時(shí)加入2%的Al5TilB細(xì)化α(Al)樹(shù)枝晶一次晶軸，可以有效防止“雪花斑”的產(chǎn)生。
作者簡(jiǎn)介；齊廣慧，男，1976年出生，碩士生，山東工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院液態(tài)金屬及遺傳工程研究所，濟(jì)南（250061）
作者單位：山東工業(yè)大學(xué)