摘 要 通過分析ZL104和ZL108合金鑄件，找到了Al-Si鋁硅合金鑄件表面出現“雪花斑”的原因。發現宏觀晶粒尺寸大的合金易于出現“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)分布不均而易于產生“雪花斑”。對ZL104合金加快冷卻速度或添加質量分數為2%的Al5TiB細化劑能有效防止“雪花斑”的產生。
關鍵詞：Al-Si合金 “雪花斑” 宏觀晶粒尺寸 Al5TilB細化劑
1 試驗過程
首先對有“雪花斑”的ZL104鑄件取樣，分別在α(Al)上及共晶區測量顯微硬度；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%(質量分數，下同)的Al5Sr變質劑及不同量的Al5TilB，試樣均在740 ℃澆入KBI環模［1］(預熱到500 ℃)+耐火磚，試樣冷卻速度為1 ℃/s，試樣編號分別為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 試驗結果及分析
2.1 “雪花斑”出現范圍的確定
通過圖1并結合實際情況，可以發現“雪花斑”的產生與晶粒尺寸有關，宏觀晶粒尺寸大的亞共晶及共晶合金鑄件易于產生“雪花斑”，其典型牌號為ZL104、ZL108；而宏觀晶粒尺寸細小的亞共晶及過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)區域，發亮區則是共晶組織或分布著α(Al)較少的共晶組織區域。以下將針對ZL104進行分析。
由于 “雪花斑” 區域內硬度值差別較大， 車削加工時， 在車刀切應力的作用下， 切應力切削平面由于硬度不一，軟的α(Al)區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；而分布著α(Al)較少的共晶組織或共晶組織區域，硬度大而均一，加工面光亮平整。由于鋁易與氧結合生成致密的Al2O3薄膜，這樣便在組織單一的共晶區或共晶組織占絕大多數的區域形成宏觀上的亮基底，而微觀上的表層凹凸區氧化后則由于對光線反射、散射方向的不同而形成宏觀上的白色“雪花斑”。
對于亞共晶成分的ZL104合金，α(Al)為先析出相。在α(Al)長大時由于溶質再分配，枝晶間的合金液能較快地達到共晶成分，這樣枝晶間的合金液在適宜的過冷度下便依附在α(Al)樹枝晶上，兩相相互促進“合作長大”［2，3］，凝固終了時便形成了α(Al)樹枝晶枝間及樹枝晶周圍分布著共晶組織的微觀結構(見圖2b.)。由于α(Al)樹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，當加工截面的枝晶間含有共晶組織較少時，便會形成宏觀上的以α(Al)樹枝晶為輪廓的“雪花斑”，并且樹枝晶越大，“雪花斑”越大。而樹枝晶晶粒之間的硬度大而均一的共晶組織區，加工時則成為亮基底，將“雪花斑”分離開來。
2.3 消除“雪花斑”的措施
2.3.1 加快凝固速度
通過對比試驗發現不同的冷卻速度對“雪花斑”的產生至關重要。01#、02#和03試樣的冷卻速度分別為10 ℃/s，6 ℃/s，1 ℃/s，車削加工后發現03#試樣加工表面有“雪花斑”，而其余兩個試樣則沒有，這是因為冷卻速度愈快，α(Al)樹枝晶二次枝晶間距愈小，各枝晶間分布的共晶組織相對較少，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，車削加工時不能形成顯微凹凸不平區與致密區的分割，因此加工后也就不會出現“雪花斑”，其01#試樣微觀組織見圖4。
對于Al-Si合金， 隨Si含量提高。由于Si對晶粒細化劑有毒化作用， 加入量應相應提高， Al5TilB細化劑能有效細化α(Al)樹枝晶一次晶軸，使α(Al)樹枝晶變得很細小，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，減小局部區域硬度的差，車削加工時不會形成宏觀上的“雪花斑”。由表2可見，對ZL104合金在變質的同時加入2%以上的Al5Ti1B細化劑能有效防止“雪花斑”的產生。并且，這種方法可以提高鑄件的力學性能。
3 結論
(1) “雪花斑”的產生與合金宏觀晶粒尺寸有關，含Si的質量分數為8%～13%的合金因宏觀晶粒粗大而易產生“雪花斑”，其典型牌號為ZL104、ZL108合金。
(2) “雪花斑”的出現，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)樹枝晶為輪廓的顯微凹凸不平區因對光線反射、散射作用不同而形成宏觀上的“雪花斑”。
(3) 對ZL104合金通過加快冷卻速度減小二次枝晶間距以均勻共晶組織的分布，減小局部區域硬度差，可以防止產生“雪花斑”。變質同時加入2%的Al5TilB細化α(Al)樹枝晶一次晶軸，可以有效防止“雪花斑”的產生。
作者簡介；齊廣慧，男，1976年出生，碩士生，山東工業大學材料學院液態金屬及遺傳工程研究所，濟南（250061）
作者單位：山東工業大學
關鍵詞：Al-Si合金 “雪花斑” 宏觀晶粒尺寸 Al5TilB細化劑
1 試驗過程
首先對有“雪花斑”的ZL104鑄件取樣，分別在α(Al)上及共晶區測量顯微硬度；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%(質量分數，下同)的Al5Sr變質劑及不同量的Al5TilB，試樣均在740 ℃澆入KBI環模［1］(預熱到500 ℃)+耐火磚，試樣冷卻速度為1 ℃/s，試樣編號分別為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 試驗結果及分析
2.1 “雪花斑”出現范圍的確定
通過圖1并結合實際情況，可以發現“雪花斑”的產生與晶粒尺寸有關，宏觀晶粒尺寸大的亞共晶及共晶合金鑄件易于產生“雪花斑”，其典型牌號為ZL104、ZL108；而宏觀晶粒尺寸細小的亞共晶及過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)區域，發亮區則是共晶組織或分布著α(Al)較少的共晶組織區域。以下將針對ZL104進行分析。
表1 顯微硬度的測量結果
| 區域 | 點數 | 硬度值(HV) | 平均硬度值(HV均) |
| 共 | 1 | 175.3 | |
| 晶 | 2 | 148.4 | 162.7 |
| 區 | 3 | 163.7 | |
| α(Al) | 1 | 130.1 | |
| 區 | 2 | 120.8 | 125.1 |
| 3 | 124.3 |
對于亞共晶成分的ZL104合金，α(Al)為先析出相。在α(Al)長大時由于溶質再分配，枝晶間的合金液能較快地達到共晶成分，這樣枝晶間的合金液在適宜的過冷度下便依附在α(Al)樹枝晶上，兩相相互促進“合作長大”［2，3］，凝固終了時便形成了α(Al)樹枝晶枝間及樹枝晶周圍分布著共晶組織的微觀結構(見圖2b.)。由于α(Al)樹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，當加工截面的枝晶間含有共晶組織較少時，便會形成宏觀上的以α(Al)樹枝晶為輪廓的“雪花斑”，并且樹枝晶越大，“雪花斑”越大。而樹枝晶晶粒之間的硬度大而均一的共晶組織區，加工時則成為亮基底，將“雪花斑”分離開來。
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 b.“雪花斑”間亮區
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
通過對比試驗發現不同的冷卻速度對“雪花斑”的產生至關重要。01#、02#和03試樣的冷卻速度分別為10 ℃/s，6 ℃/s，1 ℃/s，車削加工后發現03#試樣加工表面有“雪花斑”，而其余兩個試樣則沒有，這是因為冷卻速度愈快，α(Al)樹枝晶二次枝晶間距愈小，各枝晶間分布的共晶組織相對較少，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，車削加工時不能形成顯微凹凸不平區與致密區的分割，因此加工后也就不會出現“雪花斑”，其01#試樣微觀組織見圖4。
圖4 ZL104無“雪花斑”件的顯微組織(金屬型澆注) ×100
對于Al-Si合金， 隨Si含量提高。由于Si對晶粒細化劑有毒化作用， 加入量應相應提高， Al5TilB細化劑能有效細化α(Al)樹枝晶一次晶軸，使α(Al)樹枝晶變得很細小，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，減小局部區域硬度的差，車削加工時不會形成宏觀上的“雪花斑”。由表2可見，對ZL104合金在變質的同時加入2%以上的Al5Ti1B細化劑能有效防止“雪花斑”的產生。并且，這種方法可以提高鑄件的力學性能。
表2 不同量細化劑對ZL104“雪花斑”出現情況的影響
| 試樣 編號 |
變質 溫度 |
變質 時間 |
澆注溫度 | w(Al5TilB) | 細化時間 | 車加工 后有無 “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 |
| 003 | 760 | 40 | 740 | 3 | 10 | 無 |
(1) “雪花斑”的產生與合金宏觀晶粒尺寸有關，含Si的質量分數為8%～13%的合金因宏觀晶粒粗大而易產生“雪花斑”，其典型牌號為ZL104、ZL108合金。
(2) “雪花斑”的出現，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)樹枝晶為輪廓的顯微凹凸不平區因對光線反射、散射作用不同而形成宏觀上的“雪花斑”。
(3) 對ZL104合金通過加快冷卻速度減小二次枝晶間距以均勻共晶組織的分布，減小局部區域硬度差，可以防止產生“雪花斑”。變質同時加入2%的Al5TilB細化α(Al)樹枝晶一次晶軸，可以有效防止“雪花斑”的產生。
作者簡介；齊廣慧，男，1976年出生，碩士生，山東工業大學材料學院液態金屬及遺傳工程研究所，濟南（250061）
作者單位：山東工業大學