0 引言

近年來汽車核心部件如發動機等更新換代速度不斷加 快，在越來越重視環保、節能減排的今天，要求發動機具有更 輕的質量且能適應更苛刻的使用環境，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點，被廣 泛應用于汽車制造業中，而性能杰出的 A356 系列鋁合金是 亞共晶 Al-Si 系合金中應用最廣的合金之一，正可滿足當前 汽車向輕量化、節能化、舒適化和多樣化的發展需求。近 年來，A356 系列鋁合金在汽車制造業中的應用突飛猛進、與 日俱增，尤其是在力學性能要求較高的復雜鑄件上。但 未經強化工藝處理的鑄態 A356 鋁合金的力學性能，尤其是 塑性很低，這是因為 A356 鋁合金在常規熔煉工藝和澆注過 程中易產生氣孔、疏松和 Si 偏析等缺陷，對合金的使用性能 產生極為不利的影響。

1 實驗

1．1 試驗材料

主要試驗材料: A356 鋁合金( w( Si) = 7. 02%，w( Mg) = 0. 30%，w( Fe) = 0. 17%，Al 為余量，質量分數，下同) ，自制 Al-5Ti-1B-1ＲE 中間合金( ＲE 為富鈰稀土) 、鑄態 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 型真空感應電磁 懸浮熔煉爐設備等。

1．2 試驗方法

1. 2. 1 常規細化變質處理試驗

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

1. 2. 2 真空感應電磁懸浮熔煉細化變質處理試驗

用丙酮將 ZGXF-0. 0005 型真空感應電磁懸浮熔煉爐和 石英玻璃罩清洗干凈，避免雜質混入。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，啟動升降機構，下降物架臺，將處理好的 A356 鋁合金、為 合金質量 0. 80%的自制 Al-5Ti-1B-1ＲE 和 0. 30%的鑄態 Al10Sr 中間合金分別裝入熔煉爐內，然后蓋上石英玻璃罩密 封，擰緊固定螺帽，上升物架臺，使感應線固定在合適的熔煉 爐位置上。打開機械泵，抽真空，使指針指在真空表盤紅色 區域內并保持穩定，按加熱按鈕，緩慢調節功率旋鈕，輸出電 流為 80 A，工作頻率為 17. 3 kHz，熔煉時間為 3 min，待合金 熔煉結束后，旋回功率旋鈕，使合金自然冷卻至室溫。然后 關掉機械泵和抽真空旋鈕，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，取出復合細化變 質處理后的合金并清理熔煉爐和石英玻璃罩，關掉電源和冷 卻水，制備試樣 c。

2 結果與分析

由細化變質處理試驗可知，未經細化變質處理的 A356 鋁合金試樣 a，其基體 α-Al 相呈無規則分布，共晶 Si 相形態 差異較大，呈現細長的板片狀或長針片狀，分布沒有方向性， 也不規則，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。這樣的組織形態易造成應力集中，顯著 影響基體的連續性，并割裂基體，故力學性能較低。將 a 加 工成標準試樣并測試得到其抗拉強度、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。 常規復合細化變質的 A356 鋁合金試樣 b，其基體 α-Al 相 形狀和尺寸變得較均勻細小，排列緊密，形狀較規則，晶界清 晰可見，二次枝晶大幅減少，主要為細小、致密的等軸晶組織。 共晶硅相的形貌也發生了顯著的變化，片層狀共晶硅幾乎完 全消失，轉變為均勻彌散、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 晶界強化作用( 如圖 1b 所示) ，使合金的力學性能顯著提高， 將 b 加工成標準試樣并測試得到其抗拉強度、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。 經真空感應電磁懸浮熔煉細化變質處理的 A356 鋁合金 試樣 c，其基體 α-Al 相呈現規則的圓整等軸晶狀，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 貌呈現細密的纖維狀，共晶硅尺寸大多在 1 ～ 2 μm 之間。無 論是在 α-Al 晶粒細化方面，還是在共晶硅相變質方面均比 常規復合細化變質的試樣 b 更勝一籌。再由圖 1d 的電鏡顯 微組織圖片可以看到，真空感應電磁懸浮熔煉細化變質處理 后的共晶硅相呈現更清晰的形貌，尤其是綠色橢圓區域中的 圖像，尺寸更均勻、細小。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，其變質級別變高。根據美國鑄造學會( AFS) 提供的亞共晶 Al-Si 合金變質級別圖表作為評定標準，經 評定共晶硅細化變質效果為 5 級，達到完全變質。將試樣 c 加工成標準試樣并測試得到其抗拉強度、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 結論

( 1) 與常規復合細化變質 A356 鋁合金相比，在真空感應 電磁懸浮熔煉細化變質工藝條件下，A356 鋁合金的抗拉強 度、伸長率及布氏硬度分別提高了 4. 82%、9. 48%、1. 94%，可 見其力學性能明顯提高，尤其是塑性。
( 2) 當 ZGXF-0. 0005 型真空感應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，線圈周圍空間產 生的懸浮力恰與合金的自重平衡，使合金懸浮。
( 3) 在真空感應電磁懸浮熔煉細化變質處理過程中，熔 體的對流運動比常規熔煉細化變質工藝劇烈得多，晶粒之間 的互相碰撞、相對運動更強烈，致使枝晶臂被剪切而折斷、破 碎與增殖的現象更明顯，形核率 I 更大，并遺傳到凝固組織 中，因此其細化變質效果及力學性能更佳。