ZL101铝合金熔体旋转磁...-3B细化处理效果比较研究_王晓彤.pdf

有色合金2022年第12期/第71卷1519ZL101 铝合金熔体旋转磁场及 Al-3B细化处理效果比较研究王晓彤,王傲,肖世林,李大勇（哈尔滨理工大学材料科学与化学工程学院，黑龙江哈尔滨 150080）摘要：采用智能温度记录仪、金相显微镜、拉伸试验机，分别研究了旋转磁场和Al-3B细化剂处理对ZL101铝合金熔体凝固过程、显微组织及力学性能的影响。对比结果显示，在ZL101铝合金中添加Al-3B细化剂，随细化剂中B含量增大，（Al）的平均晶粒尺寸先减小后增大，抗拉强度和伸长率先增大后减小，当Al-3B细化剂B含量达到0.06%时细化效果最优，抗拉强度和伸长率分别提高9.4%和34.9%。用旋转磁场细化ZL101铝合金熔体时，随旋转磁场电流参数增大，（Al）的平均晶粒尺寸先减小后增大，抗拉强度和伸长率先增大后减小，最优参数电流为80A、频率为8 Hz，抗拉强度和伸长率分别提高10.5%和37.2%。采用最佳含量Al-3B细化剂和最优参数旋转磁场对同一成分的ZL101铝合金熔体进行细化处理效果对比表明，旋转磁场处理效果优于细化剂细化效果。关键词：ZL101铝合金；旋转磁场；Al-3B细化剂；显微组织；力学性能作者简介：王 晓 彤（1998-），女，硕 士，主 要 研 究 方 向 为铝 合 金 晶 粒 细 化 和 力学 性 能 影 响。E-mail：通讯作者：李 大 勇，男，教 授，博士，博士生导师。电话：13339315500，E-mail： 中图分类号：TG146.21文献标识码：A 文章编号：1001-4977（2022）12-1519-06收稿日期：2022-05-07 收到初稿，2022-06-17 收到修订稿。ZL101铝合金的铸造性能优良、流动性好、气密性高、耐蚀性强、焊接性好，能热处理强化，但是抗拉强度和伸长率较低1-4。Al-Si合金的抗拉强度和伸长率通常仅为锻造铝合金的60%90%，难以满足制造业对铸造合金越来越高的性能要求5-7。必须对其进行细化处理，以获得更优的力学性能。晶粒细化是通过控制晶粒形核和长大来实现的8，ZL101铝合金细化处理主要分为物理细化和化学细化9。常州大学李宏宝在700 时对Al-12.6Si合金进行0.4%Al-3B变质处理后合金的综合力学性能得到明显提高10。西安工业大学刘志学等人，发现了以硼盐作为细化剂，细化铸态铸造铝硅合金相和共晶组织11。郑婷发现熔体内部温度在电磁搅拌作用下降低较快，使凝固速度加快12。Reza Haghayeghi发现了RMF和USF结合起来，电磁搅拌能有效地均匀化温度场，有利于原子核和碎片的生长13。本文主要研究Al-3B细化剂和旋转磁场处理对ZL101铝合金凝固冷却曲线、显微组织和力学性能的影响，得到Al-3B和旋转磁场细化ZL101铝合金的最优参数，并进一步分析Al-3B和旋转磁场细化ZL101铝合金的细化效果和细化机制，旨在寻求化学与物理复合细化处理结合点，为优化设计复合细化处理工艺奠定基础。1试验材料与方法本试验以ZL101铝合金为研究对象，合金化学成分如表1所示。细化剂细化ZL101铝合金试验步骤：2.5 kg的ZL101铝合金材料在电阻炉中750 表1ZL101合金化学成分Table 1 Chemical composition of the ZL101 alloy wB/%Mg0.325 6Ti0.150 8Fe0.156 2Sn0.013 2Si7.114Zn0.018 9Ni0.054 8Mn0.010 8Pb0.009Vol.71 No.12 20221520有色合金图2ZL101加入不同B含量Al-3B的凝固冷却曲线Fig.2 The solidification and cooling curves of the ZL101 added with different B contents 图3ZL101施加不同参数旋转磁场的凝固冷却曲线Fig.3 Solidification cooling curves of the ZL101 appliedrotating magnetic field with different parameters图1拉伸试样形状及尺寸示意图Fig.1 Diagram of shape and size of the tensile specimen表2ZL101加入不同B含量细化剂的热分析特征值Table 2 Thermal analysis characteristic values of the ZL101 with different B content refinersAl-3B的B含量无添加0.03%B0.04%B0.06%B0.08%BTG/614.35615.32615.66615.80614.89T1/1.30.870.690.450.72表3ZL101施加不同参数旋转磁场的热分析特征值Table 3 Thermal analysis characteristic values of the ZL101 applied rotating magnetic fields with different parameters旋转磁场参数无磁场50 A/8 Hz80 A/8 Hz120 A/8 HzTG/614.35612.9610.8613.3T1/1.32.563.102.87熔化，保温510 min后，炉温升至780，保温15 min后加入Al-3B细化剂，含量分别为0.03%B、0.04%B、0.06%B、0.08%B，用无毒精炼剂精炼，保温5 min并降温至720 浇入86 mm150 mm的金属型中，用MR-T8型智能温度记录仪记录试样凝固冷却曲线。旋转磁场处理ZL101铝合金试验步骤：2.5 kg的ZL101铝合金材料在电阻炉中750 熔化，保温510 min后，用无毒精炼剂进行精炼，保温5 min并降温至720，浇入放在电磁搅拌器中尺寸为86 mm150 mm的金属型中，通入旋转磁场电流参数为50 A、80 A、120 A，频率为8 Hz。在凝固过程中进行电磁搅拌，用MR-T8型智能温度记录仪记录试样凝固冷却曲线。在凝固试样中部截取拉伸试样和金相试样用料，经切片、磨样、抛光的金相试样，采用光学显微镜进行显微组织观察，用Nano Measurer软件测量（Al）晶粒的平均直径。拉伸试样形状及尺寸如图1所示，采用MTS-E44304拉伸试验机测定抗拉强度和伸长率，每组试样拉伸四次取平均值作为测试结果。2试验结果及分析2.1冷却曲线对比分析图2所示为在ZL101铝合金中加入不同B含量Al-3B细化剂的凝固冷却曲线变化。图中五条曲线分别为未添加细化剂、添加0.03%B、0.04%B、0.06%B、0.08%B的Al-3B。用TG（）表示初晶生长温度，T1（）表示初晶过冷度9。不同B含量细化剂作用下，凝固冷却曲线特征值见表2。由表2可知，在ZL101铝合金中随着Al-3B的B含量增大，初晶生长温度TG升高，T1逐渐变小后再增大，在添加含0.06%B的Al-3B时，过冷度达到最小。随着Al-3B加入量增加，熔体中出现大量晶核，促进了（Al）的形核和生长，不需要过高的过冷度形核，使得过冷度降低，T1随着晶粒的细化而减小10。由凝固冷却曲线可以看出，冷却速度没有明显变化，共晶生长温度也没有显著变化，（Al）的形核率增大。图3所示为向ZL101铝合金施加不同参数旋转磁场的凝固冷却曲线变化。图中四条曲线分别为不同磁场、磁场电流参数为50 A/8 Hz、80 A/8 Hz、120 A/8 Hz时的凝固冷却曲线。四条冷却曲线上的特征值见表3。有色合金2022年第12期/第71卷1521由表3可知，向ZL101铝合金施加旋转磁场，在频率恒定条件下，随着磁场电流逐渐增大，初晶生长温度TG降低，T1逐渐增大后再减小，在旋转磁场电流为50 A频率为8 Hz时，过冷度达到最大。在电磁搅拌过程中，产生电磁力推动熔体运动，使树枝晶端部产生剪切，造成枝晶碎断，增加形核核心。此外，电磁力还可以加速传质，使凝固界面前沿扩散边界层减薄而浓度梯度增大，过冷度T1增大，从而增加形核率13-14。从凝固冷却曲线变化可以看出，旋转磁场作用下的熔体冷却速度明显比无磁场作用时冷却速度快，熔体内产生对流，加快熔体内热量的散失，从而使冷却速度变快，共晶生长温度变化幅度较小，过冷度增大，（Al）形核率增大。从凝固冷却曲线可以看出，细化剂细化ZL101铝合金冷却速度基本不变，过冷度减小，初晶生长温度升高。而旋转磁场细化ZL101铝合金冷却速度增大，过冷度增大，初晶生长温度降低。两者共晶生长温度变化幅度都较小。细化剂细化ZL101铝合金的细化机制为增加异质形核，（Al）形核率增大，形核不需要过高过冷度。而旋转磁场细化ZL101铝合金的细化机制为，在磁场作用下加快熔体散热，加快冷却速度，电磁力推动熔体运动，使树枝晶端部产生剪切造成枝晶碎断，形成晶核，使（Al）形核率增大，过冷度增大，单位时间内形成的晶核数量增加。2.2微观组织对比分析图4所示为ZL101铝合金添加Al-3B细化剂细化的金相组织。由图4a可以看出，存在少量的（Al），黑色放射状共晶硅密集分布在（Al）之间，共晶硅面积分数为13.627%。将图4b-e与图4a对比，可以发现，（Al）数量明显增多，（Al）由大块状变为小块状，放射状共晶硅的长度变短，分布变得稀疏，部分变成细小纤维或层片状。共晶硅面积分数先减小后增大，在0.06%B时，共晶硅面积分数由13.627%减少为8.281%，达到最小。由于Al-3B的异质形核作用，促进了（Al）的形核和生长，抑制了共晶组织生长，在随后的生长过程中相互碰撞而形成细小的颗粒状，从而改善合金力学性能15。（a）无添加（b）0.03%B（c）0.04%B（d）0.06%B（e）0.08%B图4ZL101铝合金添加不同B含量Al-3B金相组织Fig.4 Metallographic microstructures of the ZL101 aluminum alloys added Al-3B with different B contents 由图5可知，无添加细化剂ZL101铝合金的（Al）平均粒径为157.86 m，图4b-e的（Al）平均粒径分别为145.35 m、130.39 m、122.45 m、147.56 m。由（Al）平均粒径大小可以看出，添加不同B含量细化剂都可以不同程度细化ZL101铝合金，但并非B含量越高细化效果越好，这与李宏宝等10研究一致。当添加0.08%Al-3B细化ZL101铝合金时，过量的B原子只会以溶质原子的形式或以AlB2相的形式存在于熔体中，（Al）平均粒径增大是由于过量的细化剂会发生团聚并未发挥有效的异质形核作用，从而使形核率下降。因此，0.06%Al-3B为细化ZL101铝合金的最优添加量。图6所示为不同参数旋转磁场作用下的ZL101铝合金金相组织。由图6b-d可以看出，共晶硅在（Al）基体上分布更加均匀，（Al）数量增多，共晶硅分布不Vol.71 No.12 20221522有色合金再绵密，尺寸变细小。共晶硅面积分数先减小后增大，在旋转磁场电流参数为80 A、8 Hz时，面积分数达到最小为10.427%。随着电流增大，增加了共晶反应过程中先析出 Si相的形核数量，从而使放射状共晶硅的长度变短，分布变得稀疏，部分变成细小纤维10。由于旋转磁场在金属液中产生感应电流，产生电磁力推动熔体运动，当电磁力超过枝晶自身的强度时，造成枝晶破碎，形成游离晶体，从而促使（Al）形核率增大16-18。图6b-d的（Al）平均粒径分别为132.07 m、118.73 m、138.66 m。旋转磁场电流强度与（Al）平均粒径尺寸的关系如图7所示，其中80 A、8 Hz旋转磁场作用下（Al）平均粒径达到最小118.73 m。但并非磁图5细化剂B含量与合金平均晶粒尺寸关系Fig.5 Relationship between