改进A356延展性的研究


亚 共晶铝合金,如A356.0(Al-7Si-0.3Mg)为了得到改性的共晶形态通常添加Sr。改性的共晶硅结构从尖锐的针片状到纤维结构,通常可以提高合金的韧性。然而,添加Sr比较昂贵,降低生产成本的替代品正在研制中。
有一种添加剂,Ca-Si-Ba,传统上用来作为炼钢的脱氧剂,是本文研究的重点。通过研究Ca-Si-Ba添加剂中改性元素组合Ca和Ba的影响,发现可以得到一个完全改性的微观结构。经过Ca-Si-Ba改性过的A356.0合金的延伸率与传统的添加Sr的相当。

此外,已经观察到Ba和Ca添加剂抗衰退能力较好,甚至能保持到合金保温24小时后以及多次重熔。

以Sr作为亚共晶铝合金的改性剂,要求P元素的含量非常低。与之相反,Ca-Si-Ba改性剂似乎对P的存在不敏感。如果在合金中同时发现Ca-Si-Ba和Sr,则该合金仍可改性。

研究背景
A356铝合金中的Si含量为7%, Mg含量为0.3%。在凝固过程中,Al相首先形成,Si在液相前枝晶凝固前沿。在枝晶间区域组成,然后接近共晶成分和所得到的共晶显微组织。当凝固速度比较慢,共晶硅具有粗大的针状形态。当冷却速度更快的实现,共晶硅具有纤维状结构,针状形态更少且结构更小。

针状形态对力学性能有负面影响。Si的细长和尖角形状可能引起裂纹,这相应的降低了铸件的延伸率和极限强度。纤维形态可以提高铸造零件的延展性和强度。为了获得改性后的结构,而不影响凝固速率,可以添加少量的合金元素。这种化学改性剂用于亚共晶铝硅合金。磷存在于熔炼合金中使改性反应无效, Sr和Na形成磷酸盐。因此改性元素对共晶硅的变化无效。

Sr是最常用的变质处理元素。通常添加80至200 ppm用来获得改性的共晶硅结构。尽管使用Sr的衰退现象不像使用Na那么严重,但是随着时间的推移以及重熔,因氧化造成浓度降低,变质效果将消失。

工艺
最佳的Ba和Ca的含量,P对这种添加剂的影响,在熔炼后高温保温或再次熔炼状态对改性衰退的影响都在这项研究中都进行了评估。合金的化学成分见表1,Sr的添加采用Al-10%Sr中间合金。

Ca-Si-Ba改性剂增加Ba和Ca含量,其化学成分见表2。通过添加Ca和Ba达到改性的目的,需要计算Ba特定的含量。

这项研究的第一步是求得Ba和Ca的最佳含量,以达到完全的改性和最佳的力学性能。使用Ba和Ca改性的P含量的影响也进行了评价。第二步,比较使用A356.2合金,Sr改性的铸造零件的性能。最后,添加了Ba和Ca的A356.2合金重新熔化后添加Sr,评价相互作用。

本组实验中,使用容量为187.4磅(85 kg)的电阻炉熔化,保温温度是1391F(755℃)

熔炼除气使用干燥的氩气和旋转叶轮法。减压试验,以验证脱气的有效性。结果满足要求,开始添加Ca-Si-Ba改性剂,P或Sr。

铸件使用的改进的ASTM B108模具。这种改进的模具设计可以减少操作者的影响(图1)。

每种成分铸造20个ASTM B108的试棒。要测定Ca和Ba的含量,光谱仪所需的试样在第一根、第五根和最后一根试棒浇注前浇注。金相试样从第一、第五和第十根拉伸试样上切割。

拉伸试样进行热处理的温度是1004 F(540℃),采用T61固溶热处理工艺,时间4小时,然后在122-140 F(50-60℃)水淬。试样在室温下保持24小时,然后在320 F(160℃)时效6小时。在20根铸造试棒中随机抽取10根用ASTM E8标准测试。

第二个实验是测试衰退。A356.2合金添加Ca-Si-Ba, 200 ppm Ba( 224 ppm的Ca),在1391 F(755℃)保温24小时。光谱仪和金相的试样,使用改进过的B108模具,分别在0分钟, 30分钟,1小时、1.5小时、2小时、3小时、4小时、6小时、8小时
10小时和24小时取样浇注。使用改进的B108模具,分别在2小时,6小时和24小时浇注5 套试样,测试力学性能的变化。

最后的实验是测试重熔的实验。264.6磅(120 kg)的A356.2合金,添加200ppm Ba(224ppm Ca)的制备好(熔炼样本1)。从熔炼样本1取样,用ASTM B108模具铸造10个试样。剩余的熔炼样本1浇注为铸锭后再次熔化(重熔样本1)。从重熔样本1取样,用ASTM B108模具铸造10个试样。剩余的重熔样本1浇注为铸锭后再次熔化(重熔样本2)。从重熔样本2取样,用ASTM模具铸造10个试样。除气和铸造工艺与上面提到的相同,除了没有等待时间用于重熔样本1和重熔样本2。

结果与结论
未使用任何添加剂的纯A356.2合金的完全无改性的微观组织结构(从AFS评分1修饰水平),可以看到粗的尖角共晶硅,图2。

在添加Ba和Ca时也添加P,对改性的污染的影响非常小的可以忽略不计。例如添加50ppm Ba(56ppm Ca)同时添加30ppm P,得到完全改性的微观结构(4级)。相同的,可以看到添加更多的Ba和Ca添加P(图3 -4)。这表明,通过添加Ca-Si-Ba 变质剂增加Ba和Ca含量, 不容易受到P污染,因此,Ca-Si-Ba 变质剂可以作为Sr可行的替代品。

虽然屈服强度和极限拉伸强度的数值没有很大的变化,但是延伸率的测量值变化显着。正如预期的那样,纯A356.2合金的延伸率比较低,平均为3.85%。这表明受到尖角且粗大的共晶硅的影响。实验中,随着添加50ppm Ba,延伸率为6.34%,添加Ca-Si-Ba 变质剂在较高浓度的类似或更大。然而,当添加30 ppm 的P,延伸率下降到4.93%。这表明,即使得到完全改性的微观结构,P仍然对力学性能产生负面影响。然而,当添加100ppm或更多的Ba,这种影响消失。当添加超过100 ppm的 Ba和112 ppm的Ca,不同实验之间延伸率没有差异。

用方差分析测试比较了只添加150 ppm的Sr,不添加Ba/Ca;和Ca和Ba含量高于100 ppm并且不添加磷两种实验的结果。结果并无明显差异(方差分析(F(6,64)= 1.36,P = 0.24))。这意味着,当添加100ppm Ba和112ppm Ca或添加更多,在合金中含P的情况下改性不敏感。

熔融的合金中已经含有100ppm的 Ba和157ppm的 Ca,当添加150ppm 的Sr时,观察到延伸率显著下降(4.5%)。即使是得到充分改性的微观组织并且没有观察到第二相粒子,复合添加Sr和Ca-Ba,延伸率趋于更低。进一步的研究Sr-Ca-Ba的相互作用是必要的。

对于A356.2合金添加 Sr 和A356.2合金添加高于100ppm 的 Ba(112 ppm 的Ca),实验中没有得到可辨识的显著差异(方差分析(F(7,82)= 1.11,P = 0.36))。
这项工作的主要结论可以概括如下:
• 添加Ca-Si-Ba有效地改进A356.2合金共晶硅的形态。
• 单独添加Ca-Si-Ba,最低含量达到50 ppm的Ba和56 ppm 的Ca,可获得完全改进的组织结构。
• 当Ba的含量大于等于100 ppm(Ca的含量大于等于112 ppm),P没有任何负面影响。
• 尽管组织结构已经完全改进,当熔融合金中Ba的含量低于100 ppm(Ca的含量低于112 ppm),P的含量达到30 ppm,对铸件的延伸率有负面影响。
• Ba的含量在100 ppm到200 ppm 之间(Ca的含量在112 ppm至224 ppm中间),力学性能和质量指标没有显著的差异,即使考虑到添加P的情况。
• Ca-Si-Ba的溶解时间很长,充分溶解到Ba 200 ppm和Ca 224 ppm可能超过6小时。
• 当合金溶液需要保温较长时间,Ba随之衰退,保温时间在10到24小时之间,Ba的浓度从180 ppm降到140 ppm。在这个时间框架内,Ca没有明显的衰退。此外,在保温24小时后,微观结构仍然完全改性。
• 初始浓度Ba200 ppm,Ca224 ppm,衰退伴随重新熔化出现。
• 经过两次重新熔化,Ba的浓度从200 ppm降至120 ppm,Ca的浓度从233 ppm降至187 ppm,微观结构仍然完全改性。此外,在力学性能和质量指标无名显著差异。
本文是基于论文(16-076),在明尼阿波利斯的2016 castexpo展会上发表。