0 引言

近年來汽車核心部件如發(fā)動機(jī)等更新?lián)Q代速度不斷加 快，在越來越重視環(huán)保、節(jié)能減排的今天，要求發(fā)動機(jī)具有更 輕的質(zhì)量且能適應(yīng)更苛刻的使用環(huán)境，具有更好的抗疲勞性 能和耐磨損性能等。由于鋁及鋁合金具有一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣 泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)中，而性能杰出的 A356 系列鋁合金是 亞共晶 Al-Si 系合金中應(yīng)用最廣的合金之一，正可滿足當(dāng)前 汽車向輕量化、節(jié)能化、舒適化和多樣化的發(fā)展需求。近 年來，A356 系列鋁合金在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用突飛猛進(jìn)、與 日俱增，尤其是在力學(xué)性能要求較高的復(fù)雜鑄件上。但 未經(jīng)強(qiáng)化工藝處理的鑄態(tài) A356 鋁合金的力學(xué)性能，尤其是 塑性很低，這是因?yàn)?A356 鋁合金在常規(guī)熔煉工藝和澆注過 程中易產(chǎn)生氣孔、疏松和 Si 偏析等缺陷，對合金的使用性能 產(chǎn)生極為不利的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1．1 試驗(yàn)材料

主要試驗(yàn)材料: A356 鋁合金( w( Si) = 7. 02%，w( Mg) = 0. 30%，w( Fe) = 0. 17%，Al 為余量，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同) ，自制 Al-5Ti-1B-1ＲE 中間合金( ＲE 為富鈰稀土) 、鑄態(tài) Al-10Sr 中 間合金，鋁及鋁合金專用覆蓋劑、除氣劑、精煉劑，高純石墨 棒、上海博迅SX2-2.5-10Z智能一體式箱式電阻爐、ZGXF-0. 0005 型真空感應(yīng)電磁 懸浮熔煉爐設(shè)備等。

1．2 試驗(yàn)方法

1. 2. 1 常規(guī)細(xì)化變質(zhì)處理試驗(yàn)

將一定量鑄態(tài)的 A356 鋁合金、Al-5Ti-1B-1ＲE 中間合金 和 Al-10Sr 中間合金錠進(jìn)行打磨，去除表面的氧化皮，然后在 超聲波震蕩器中進(jìn)行清洗、烘干，配料稱量。同時(shí)將盛有等 質(zhì)量的 A356 鋁合金的石墨坩堝分別置于兩個(gè)條件完全相同 的 KSL-12-JY 型井式電阻爐中加熱，升溫至 750 ℃，待第一個(gè) 石墨坩堝中的 A356 鋁合金熔體完全熔化后，進(jìn)行保溫、精 煉、除氣、扒渣、澆注，制備試樣 a。同時(shí)在第二個(gè) A356 鋁合 金熔體中分別加入為熔體質(zhì)量 0. 80%的自制新型 Al-5Ti-1B1ＲE 中間合金晶粒細(xì)化劑與鑄態(tài)的 0. 30%Al-10Sr 中間合金 變質(zhì)劑，用高純石墨棒進(jìn)行攪拌，然后保溫、精煉、除氣、靜 置、扒渣、澆注，制備試樣 b。

1. 2. 2 真空感應(yīng)電磁懸浮熔煉細(xì)化變質(zhì)處理試驗(yàn)

用丙酮將 ZGXF-0. 0005 型真空感應(yīng)電磁懸浮熔煉爐和 石英玻璃罩清洗干凈，避免雜質(zhì)混入。打開水閥門，接通冷 卻水，確保水壓不超過 0. 3 MPa，水溫不超過 60 ℃。接通電 源，啟動升降機(jī)構(gòu)，下降物架臺，將處理好的 A356 鋁合金、為 合金質(zhì)量 0. 80%的自制 Al-5Ti-1B-1ＲE 和 0. 30%的鑄態(tài) Al10Sr 中間合金分別裝入熔煉爐內(nèi)，然后蓋上石英玻璃罩密 封，擰緊固定螺帽，上升物架臺，使感應(yīng)線固定在合適的熔煉 爐位置上。打開機(jī)械泵，抽真空，使指針指在真空表盤紅色 區(qū)域內(nèi)并保持穩(wěn)定，按加熱按鈕，緩慢調(diào)節(jié)功率旋鈕，輸出電 流為 80 A，工作頻率為 17. 3 kHz，熔煉時(shí)間為 3 min，待合金 熔煉結(jié)束后，旋回功率旋鈕，使合金自然冷卻至室溫。然后 關(guān)掉機(jī)械泵和抽真空旋鈕，打開放氣閥，使真空表盤指針回 到初始位置，下降物架臺，取下石英玻璃罩，取出復(fù)合細(xì)化變 質(zhì)處理后的合金并清理熔煉爐和石英玻璃罩，關(guān)掉電源和冷 卻水，制備試樣 c。

2 結(jié)果與分析

由細(xì)化變質(zhì)處理試驗(yàn)可知，未經(jīng)細(xì)化變質(zhì)處理的 A356 鋁合金試樣 a，其基體 α-Al 相呈無規(guī)則分布，共晶 Si 相形態(tài) 差異較大，呈現(xiàn)細(xì)長的板片狀或長針片狀，分布沒有方向性， 也不規(guī)則，邊緣帶有鋒利的尖角，長度大多在 40 ～ 60 μm，寬 度為 4 ～ 6 μm，長徑比達(dá)到 10 以上，具有明顯的小平面生長 特征，如圖 1a 所示。這樣的組織形態(tài)易造成應(yīng)力集中，顯著 影響基體的連續(xù)性，并割裂基體，故力學(xué)性能較低。將 a 加 工成標(biāo)準(zhǔn)試樣并測試得到其抗拉強(qiáng)度、伸長率、布氏硬度分別為 177. 56 MPa、1. 17%、68. 70HB，如圖 2 中的 a 所示。 常規(guī)復(fù)合細(xì)化變質(zhì)的 A356 鋁合金試樣 b，其基體 α-Al 相 形狀和尺寸變得較均勻細(xì)小，排列緊密，形狀較規(guī)則，晶界清 晰可見，二次枝晶大幅減少，主要為細(xì)小、致密的等軸晶組織。 共晶硅相的形貌也發(fā)生了顯著的變化，片層狀共晶硅幾乎完 全消失，轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆驈浬?、球化充分的顆粒。共晶硅尺寸大多 在 5～ 10 μm 之間，且輪廓清晰，主要集中分布在晶界處，起到 晶界強(qiáng)化作用( 如圖 1b 所示) ，使合金的力學(xué)性能顯著提高， 將 b 加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣并測試得到其抗拉強(qiáng)度、伸長率、布氏硬 度分別為 242. 06 MPa、6. 54%、76. 61HB，如圖 2 中的 b 所示。 經(jīng)真空感應(yīng)電磁懸浮熔煉細(xì)化變質(zhì)處理的 A356 鋁合金 試樣 c，其基體 α-Al 相呈現(xiàn)規(guī)則的圓整等軸晶狀，尺寸大多 在 10 ～ 20 μm，長徑比在 1 ～ 2 之間，如圖 1c 所示。共晶硅形 貌呈現(xiàn)細(xì)密的纖維狀，共晶硅尺寸大多在 1 ～ 2 μm 之間。無 論是在 α-Al 晶粒細(xì)化方面，還是在共晶硅相變質(zhì)方面均比 常規(guī)復(fù)合細(xì)化變質(zhì)的試樣 b 更勝一籌。再由圖 1d 的電鏡顯 微組織圖片可以看到，真空感應(yīng)電磁懸浮熔煉細(xì)化變質(zhì)處理 后的共晶硅相呈現(xiàn)更清晰的形貌，尤其是綠色橢圓區(qū)域中的 圖像，尺寸更均勻、細(xì)小。將其放大后，如圖 1e 所示，可以明顯 看到，共晶硅相很圓整，接近于球形，共晶硅相對基體的切割 作用將明顯變小，其變質(zhì)級別變高。根據(jù)美國鑄造學(xué)會( AFS) 提供的亞共晶 Al-Si 合金變質(zhì)級別圖表作為評定標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng) 評定共晶硅細(xì)化變質(zhì)效果為 5 級，達(dá)到完全變質(zhì)。將試樣 c 加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣并測試得到其抗拉強(qiáng)度、伸長率、布氏硬度 分別為 253. 72 MPa、7. 16%、78. 10HB，如圖 2 中的 c 所示。


3 結(jié)論

( 1) 與常規(guī)復(fù)合細(xì)化變質(zhì) A356 鋁合金相比，在真空感應(yīng) 電磁懸浮熔煉細(xì)化變質(zhì)工藝條件下，A356 鋁合金的抗拉強(qiáng) 度、伸長率及布氏硬度分別提高了 4. 82%、9. 48%、1. 94%，可 見其力學(xué)性能明顯提高，尤其是塑性。
( 2) 當(dāng) ZGXF-0. 0005 型真空感應(yīng)電磁懸浮熔煉爐線圈通 以交變輸出電流 80 A，頻率為 17. 3 kHz 時(shí)，線圈周圍空間產(chǎn) 生的懸浮力恰與合金的自重平衡，使合金懸浮。
( 3) 在真空感應(yīng)電磁懸浮熔煉細(xì)化變質(zhì)處理過程中，熔 體的對流運(yùn)動比常規(guī)熔煉細(xì)化變質(zhì)工藝劇烈得多，晶粒之間 的互相碰撞、相對運(yùn)動更強(qiáng)烈，致使枝晶臂被剪切而折斷、破 碎與增殖的現(xiàn)象更明顯，形核率 I 更大，并遺傳到凝固組織 中，因此其細(xì)化變質(zhì)效果及力學(xué)性能更佳。