摘 要 通过分析ZL104和ZL108合金铸件，找到了Al-Si合金铸件表面出现“雪花斑”的原因。发现宏观晶粒尺寸大的合金易于出现“雪花斑”；微观上，一次晶轴和二次枝晶间距大的合金由于硬的共晶组织和软的α(Al)分布不均而易于产生“雪花斑”。对ZL104合金加快冷却速度或添加质量分数为2%的Al5TiB细化剂能有效防止“雪花斑”的产生。
关键词：Al-Si合金 “雪花斑” 宏观晶粒尺寸 Al5TilB细化剂
1 试验过程
首先对有“雪花斑”的ZL104铸件取样，分别在α(Al)上及共晶区测量显微硬度；然后用5 kW井式坩埚电阻炉将ZL104熔化后在740 ℃分别浇入三种不同冷却条件的铸型中，试样编号分别为01#、02#和03#，最后将有“雪花斑”的ZL104活塞料在760 ℃熔化，并加入1%(质量分数，下同)的Al5Sr变质剂及不同量的Al5TilB，试样均在740 ℃浇入KBI环模［1］(预热到500 ℃)+耐火砖，试样冷却速度为1 ℃/s，试样编号分别为000#，001#，002#和003#。所浇试样均距底面车削3 mm，然后观察其加工面。
2 试验结果及分析
2.1 “雪花斑”出现范围的确定
通过图1并结合实际情况，可以发现“雪花斑”的产生与晶粒尺寸有关，宏观晶粒尺寸大的亚共晶及共晶合金铸件易于产生“雪花斑”，其典型牌号为ZL104、ZL108；而宏观晶粒尺寸细小的亚共晶及过共晶合金铸件车加工后，则观察不到“雪花斑”。
图1 二元Al-Si合金含Si量与宏观晶粒尺寸的关系
2.2 显微硬度的测量结果及雪花斑成因分析
由表1及图2可断定：“雪花斑”是分布着少量共晶组织的α(Al)区域，发亮区则是共晶组织或分布着α(Al)较少的共晶组织区域。以下将针对ZL104进行分析。表1 显微硬度的测量结果
| 区域 | 点数 | 硬度值(HV) | 平均硬度值(HV均) | | 共 | 1 | 175.3 | | | 晶 | 2 | 148.4 | 162.7 | | 区 | 3 | 163.7 | | | α(Al) | 1 | 130.1 | | | 区 | 2 | 120.8 | 125.1 | | | 3 | 124.3 | |
由于 “雪花斑” 区域内硬度值差别较大， 车削加工时， 在车刀切应力的作用下， 切应力切削平面由于硬度不一，软的α(Al)区域由于塑韧性好被切削挤压，部分被撕裂形成凹坑，形成微观上的表层凹凸区；而分布着α(Al)较少的共晶组织或共晶组织区域，硬度大而均一，加工面光亮平整。由于铝易与氧结合生成致密的Al2O3薄膜，这样便在组织单一的共晶区或共晶组织占绝大多数的区域形成宏观上的亮基底，而微观上的表层凹凸区氧化后则由于对光线反射、散射方向的不同而形成宏观上的白色“雪花斑”。
对于亚共晶成分的ZL104合金，α(Al)为先析出相。在α(Al)长大时由于溶质再分配，枝晶间的合金液能较快地达到共晶成分，这样枝晶间的合金液在适宜的过冷度下便依附在α(Al)树枝晶上，两相相互促进“合作长大”［2，3］，凝固终了时便形成了α(Al)树枝晶枝间及树枝晶周围分布着共晶组织的微观结构(见图2b.)。由于α(Al)树枝晶一次晶轴和二次枝晶间距较大，共晶组织在α(Al)二次枝晶间的分布是不均的，当加工截面的枝晶间含有共晶组织较少时，便会形成宏观上的以α(Al)树枝晶为轮廓的“雪花斑”，并且树枝晶越大，“雪花斑”越大。而树枝晶晶粒之间的硬度大而均一的共晶组织区，加工时则成为亮基底，将“雪花斑”分离开来。 
a.宏观照片 b.微观照片 ×100
图2 ZL104宏观照片及微观照片
图3中的铸件为熔模铸造件，凝固速度相当慢，边缘区域由于壁薄及铸型激冷作用，冷却速度较快，α(Al)树枝晶晶粒细小，二次枝晶间距小，分布于枝晶间的共晶组织能够较均匀的分布，其表面硬度趋于一致，所以，表面经加工后“雪花斑”不明显，而越靠近中心，铸件厚度越大，凝固速度越慢，晶粒越能充分长大，形成的以α(Al)树枝晶为轮廓的“雪花斑”越大。 
a.为“雪花斑”区 b.“雪花斑”间亮区
图3 ZL104铸件“雪花斑”显微照片 ×100
ZL108属共晶成分合金，但由于Al-Si合金共晶区偏向于高熔点的Si以及变质作用，在相应的过冷度下，仍有小部分二次枝晶间距大的α(Al)树枝晶析出，造成树枝间分布的共晶组织不均匀，形成的以α(Al)树枝晶为轮廓的“雪花斑”相对较少且斑点面积较小。
2.3 消除“雪花斑”的措施
2.3.1 加快凝固速度
通过对比试验发现不同的冷却速度对“雪花斑”的产生至关重要。01#、02#和03试样的冷却速度分别为10 ℃/s，6 ℃/s，1 ℃/s，车削加工后发现03#试样加工表面有“雪花斑”，而其余两个试样则没有，这是因为冷却速度愈快，α(Al)树枝晶二次枝晶间距愈小，各枝晶间分布的共晶组织相对较少，从而使分布于枝晶间的共晶组织均匀、弥散，使其表面硬度趋于一致，车削加工时不能形成显微凹凸不平区与致密区的分割，因此加工后也就不会出现“雪花斑”，其01#试样微观组织见图4。
图4 ZL104无“雪花斑”件的显微组织(金属型浇注) ×100
2.3.2 变质、细化复合处理
对于Al-Si合金， 随Si含量提高。由于Si对晶粒细化剂有毒化作用， 加入量应相应提高， Al5TilB细化剂能有效细化α(Al)树枝晶一次晶轴，使α(Al)树枝晶变得很细小，分布弥散，从而分布于枝晶间的共晶组织分布更加均匀弥散，减小局部区域硬度的差，车削加工时不会形成宏观上的“雪花斑”。由表2可见，对ZL104合金在变质的同时加入2%以上的Al5Ti1B细化剂能有效防止“雪花斑”的产生。并且，这种方法可以提高铸件的力学性能。表2 不同量细化剂对ZL104“雪花斑”出现情况的影响
试样
编号 | 变质
温度 | 变质
时间 | 浇注温度 | w(Al5TilB) | 细化时间 | 车加工
后有无
“雪花” | | ℃ | min | ℃ | % | min | | 000 | 760 | 40 | 740 | 0 | 10 | 有 | | 001 | 760 | 40 | 740 | 1 | 10 | 有 | | 002 | 760 | 40 | 740 | 2 | 10 | 无 | | 003 | 760 | 40 | 740 | 3 | 10 | 无 |
3 结论
(1) “雪花斑”的产生与合金宏观晶粒尺寸有关，含Si的质量分数为8%～13%的合金因宏观晶粒粗大而易产生“雪花斑”，其典型牌号为ZL104、ZL108合金。
(2) “雪花斑”的出现，微观上取决于合金中硬的共晶组织和软的α(Al)的分布情况。变质后的共晶、亚共晶Al-Si合金由于α(Al)一次晶轴和二次枝晶间距大，枝晶间分布的共晶组织较少且不均匀，加工后形成的以α(Al)树枝晶为轮廓的显微凹凸不平区因对光线反射、散射作用不同而形成宏观上的“雪花斑”。
(3) 对ZL104合金通过加快冷却速度减小二次枝晶间距以均匀共晶组织的分布，减小局部区域硬度差，可以防止产生“雪花斑”。变质同时加入2%的Al5TilB细化α(Al)树枝晶一次晶轴，可以有效防止“雪花斑”的产生。
作者简介；齐广慧，男，1976年出生，硕士生，山东工业大学材料学院液态金属及遗传工程研究所，济南（250061）
作者单位：山东工业大学
参考文献
1 孝云祯，马宏声，李体彬等.Al-Ti-B细化效果的试验研究.轻合金加工技术，1998(4):8～14
2 胡汉起.金属凝固原理.北京：冶金工业出版社，1991.
3 安阁英.铸件形成理论，北京：机械工业出版社，1989.(end)
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