2023, Vol. 44
2. 中南大学 材料科学与工程学院，长沙 410083;
3. 湖南有色金属职业技术学院 冶金材料系，湖南 株洲 412006
2. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;
3. Department of Metallurgical Materials, Hunan Nonferrous Metals Vocational and Technical College, Zhuzhou 412006, China
Al-Si合金具有强度高、密度低、铸造性能优良、焊接性能好、热膨胀系数小和资源丰富等优点，广泛应用于汽车制造、航空航天、电子电力及交通运输等领域[1-2]。Al-Si合金因Si含量较高，铸造过程中Si相以粗大的针状或块状结晶的方式存在，将严重影响其性能。通常认为，当Si质量分数超过6%时就需要进行变质处理[3]，4045铝合金就是其中一种。该合金被广泛应用于热传输领域中铝基复合材料的钎焊层，在钎焊过程中熔化充当钎料从而实现板、管、翅片的焊接。4045铝合金若在铸造时不进行变质处理，铸造组织中粗大的初晶硅会遗传到铝基复合材料的钎焊层中，造成流动性差，一些大尺寸块状Si颗粒在钎焊过程中会阻碍钎焊层的流动，易引起局部熔蚀，存在造成热交换器管壁穿孔的风险。
1 变质方法及机制目前Al-Si合金变质处理的方法主要有变质剂法、快速凝固法、振动变质法和超声处理法等[4-6]。本研究将采用变质剂法，通过对比Na盐变质、Al-Sr中间合金变质、Al-P中间合金变质等几种不同的变质处理方法，以获得最佳的工业生产变质方式。
Na盐变质熔炼过程中Na呈薄膜状并吸附在初晶硅相的表面，抑制Si晶胚在熔液中的生长速度，促使Si相改变生长方向，从而引起合金中Si相的细化和球化[7]。Sr变质机制为杂质诱导孪晶理论。该理论认为：游离的Sr以杂质的形式吸附在Si相的优先生长面上，从而抑制了Si相的小平面生长，促使其生长方式转变为孪晶生长，使Si相的尺寸变小，但Sr基本不影响初生Si的孪晶凝固形核[8]。关于P细化初晶硅和共晶硅的机制，研究学者看法基本一致[9]：Al与P在高温下能形成金属化合物AlP，AlP熔点较高，可以作为结晶核心，提高形核率，增加晶核数量。
2 试 验熔炼时合金成分配料按表1进行，装炉量约30 t，熔炼及添加合金元素添加剂的铝液温度为760 ℃，经搅拌、扒渣、成分检测合格后，将铝液倒入静置炉后加入变质剂，经搅拌、精炼、扒渣、成分检测合格后，静置30 min开始铸造，铸造温度为（690±5） ℃，铸锭厚度为490 mm，宽度为1 050 mm，长度为5 800 mm，铸造速度为50 mm/min。
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表 1 4045铝合金化学成分（质量分数/%） Tab. 1 Chemical composition of 4045 Al alloy （ mass fraction/% ） |
本研究将从铸造组织和成品钎焊层Si颗粒两个方面进行检测分析：（1）铸造组织检测分析。在相同铸造工艺参数情况下，对未变质、Na盐变质、Al-Sr中间合金（Sr质量分数为10.00%）变质、Al-P中间合金（P质量分数为4.50%）变质4种变质工艺的效果进行比对，找出效果最好的变质剂。4种方案详见表2。（2）成品钎焊层Si颗粒形貌与尺寸检测分析。将变质效果最好的4045铝合金铸锭热轧成一定厚度的钎焊层，与3003改性铝合金（简写为3003MOD）复合后制备成厚度为0.2～0.5 mm的成品，与未进行变质的4045铝合金铸锭做钎焊层制备的同厚度的复合铝合金成品进行钎焊层Si颗粒形貌与尺寸的对比分析。化学成分检测采用Thermo Fisher America ARL3460光电直读光谱仪，金相检测采用 ZEISS Germany AxioImager.A2m型金相显微镜，形貌检测采用Zeiss Sigma 热场发射扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM），尺寸分析采用ImageJ软件。
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表 2 4种变质方案汇总表 Tab. 2 Summary of the four modification schemes |
4种方案变质处理后，4045铝合金实测化学成分值见表3。
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表 3 4种变质方案处理后合金化学成分实测值（质量分数/%） Tab. 3 Measured chemical composition values of alloy treated by 4 modification schemes （mass fraction/%） |
由表3可知，除因不同变质剂带入的Sr、P等合金元素之外，其余Si、Fe、Mn、Mg、Zn、Ti等合金元素质量分数无明显差异。
3.2 铸造组织检测分析4045铝合金铸锭尾部缺陷部分锯切后，再锯切厚度为15 mm的整宽样片，从边部、1/4处、中心处分别取20 mm×20 mm样片，镶样、打磨、抛光后进行组织检测，取样位置如图1所示。4045铝合金4种变质方式的铸锭样片边部、1/4处、中心处的铸造组织检测结果分别见图2～5。
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图 1 取样位置示意图 Fig. 1 Schematic diagram of sampling location |
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图 2 未变质的4045铝合金铸造组织 Fig. 2 Casting microstructure the 4045 Al alloy without modification |
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图 3 Na盐变质的4045铝合金铸造组织 Fig. 3 Casting microstructures of the 4045 Al alloy modificed by Na salt |
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图 4 Al-Sr中间合金变质的4045铝合金铸造组织 Fig. 4 Casting microstructures of the 4045 Al alloy modificed by Al-Sr intermediate alloy |
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图 5 Al-P中间合金变质的4045铝合金铸造组织 Fig. 5 Casting microstructures of the 4045 Al alloy modificed by Al-P intermediate alloy |
从图2可以看出，未经变质处理的4045铝合金铸造组织中边部、1/4处、中心处没有明显的α枝晶，但均存在块状初晶硅，尺寸约20～80 μm，共晶硅为长针状。
从图3可以看出，经Na盐变质处理的4045铝合金铸造组织中，中心处有少量α枝晶，1/4处、中心处存在小块状初晶硅，尺寸约20～60 μm，3个部位的共晶硅已经明显向短棒状发展，局部还存在针状的共晶硅，分布不均匀，表明Na盐变质起到了一定的效果，但变质效果不足。可能铸造时间太长，变质效果已经变差。
从图4可以看出，经Al-Sr中间合金变质处理的4045铝合金铸造组织中，边部、1/4处、中心处没有发现块状初晶硅，且已没有针状共晶硅，均发展成为短棒状，明显球化，中心处可能有少量较小的α枝晶，其余部位基本没有α枝晶，表明Al-Sr中间合金变质效果比较明显。
从图5可以看出，经Al-P中间合金变质后的4045铝合金铸造组织中，1/4处、中心处仍然存在较小的块状初晶硅，尺寸约10～30 μm，3个部位均存在明显的长针状共晶硅，表明Al-P中间合金变质有轻微的效果。这与武宏发等[10]得出的少量P可显著细化高Al-Si合金的初生Si相的结论不一致，可能主要是因为添加Al-P变质剂的温度不同造成的，本研究温度为760 ℃，而武宏发等[10]的研究里温度为800 ℃。曹国剑等[11]指出含P的中间合金熔点高，且容易沉淀偏析。这表明，温度不高时，P的变质效果可能不佳。在工业生产中，铝液温度过高时，烧损加大，通常将铝合金熔炼温度控制在730～760 ℃。
从变质效果来说，采用Al-Sr中间合金进行变质处理的效果最佳，其次是Na盐变质，然后是Al-P中间合金变质，采用以上3种变质剂处理的效果均优于未变质处理的。详见表4。
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表 4 变质效果汇总表 Tab. 4 Summary of the modification effects |
采用Al-Sr中间合金作为变质剂的工艺有明显的变质效果，将该方案铸造的4045铝合金铸锭作为钎焊层。将变质后的4045铝合金铸锭热轧至一定厚度，与作为芯材的3003MOD铝合金复合，热轧至5.5 mm，经5道次冷轧轧制成厚度为0.4 mm的4045/3003MOD/4045双面复合铝合金，经不完全退火至H24状态后，取样片检测钎焊层Si颗粒形貌，如图6虚线框所示。同时将未经变质的4045铝合金铸锭，按同样方法轧制成0.4 mm成品，经不完全退火至H24状态后，取样片检测钎焊层Si颗粒形貌，如图7虚线框所示。两试样钎焊层SEM形貌如图8所示。
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图 6 Al-Sr中间合金变质的钎焊层Si颗粒形貌 Fig. 6 Morphologies of the Si particles in the brazing layer modificed by Al-Sr intermediate alloy |
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图 7 未变质的钎焊层Si颗粒形貌 Fig. 7 Morphologies of the Si particles in the brazing layer without modification |
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图 8 钎焊层Si颗粒SEM形貌 Fig. 8 SEM morphologies of the Si particles in the brazing layers |
由图6可以看出，经Al-Sr中间合金变质的4045铝合金制备的4045/3003MOD/4045复合铝合金，钎焊层Si颗粒为粗短棒状，未发现大的块状Si颗粒；由图7可以看出，未经变质的4045铝合金制备的4045/3003MOD/4045复合铝合金，钎焊层Si颗粒为粗棒状，部分为粗的长棒状，且发现了明显的大的块状Si颗粒，尺寸20～60 μm，其中两个大颗粒尺寸通过显微镜粗测为25.7 μm和45.7 μm，通过ImageJ软件测量Feret直径dF分别为42.3 μm和53.2 μm。由图8可以看出，经Al-Sr中间合金变质的4045铝合金钎焊层Si颗粒尺寸明显小，且有球化现象，呈粗短棒状，而未变质的4045铝合金钎焊层Si颗粒尺寸大，呈长条状，部分截面呈近似规整的矩形。
将图6、图7钎焊层形貌图用ImageJ软件进行处理，得到钎焊层Si颗粒分布图以及颗粒尺寸，Si颗粒分布详见图9，颗粒尺寸详见表5。
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图 9 钎焊层Si颗粒分布图 Fig. 9 Distribution diagrams of the Si particles in the brazing layers |
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表 5 Si颗粒尺寸统计表 Tab. 5 Statistical table of the Si particle sizes |
其中：θ 为 Feret直径角度，Feret直径dF与水平面的夹角。
由表5可以看出，序号A经Al-Sr中间合金变质的钎焊层Si颗粒平均最大dF为2.99 μm，平均最小dF为1.76 μm，序号B未经变质的钎焊层Si颗粒平均最大dF为5.45 μm，比经Al-Sr变质的大82.3%，平均最小dF为2.55 μm，比经Al-Sr中间合金变质的大44.9%，序号C若将图9（b）未变质中2个d F分别为42.3 μm、53.2 μm的Si颗粒不统计在内，平均最大dF为4.83 μm，仍比经Al-Sr变质的大61.5%，平均最小dF为2.21 μm，仍比经Al-Sr变质的大25.6%。经Al-Sr中间合金变质的钎焊层Si颗粒数量254个，颗粒面积占比仅有12.5%，而未经变质的钎焊层Si颗粒数量139个，颗粒面积占比25.9%，其数量远小于经Al-Sr中间合金变质的，但颗粒面积却远大于经Al-Sr中间合金变质的，也证明了其钎焊层Si颗粒尺寸较大。研究表明，高硅铝合金在焊接过程中Si颗粒的粒径越大，或者含量越多，钎焊越困难，所获得的接头连接强度越低[12-13]。显然，经Al-Sr中间合金变质的钎焊层Si颗粒dF明显小，面积也小，钎焊效果将会明显优于未变质的。
4 结 论（1）从铸造组织可以得出，4045铝合金经Al-Sr中间合金变质的效果最佳，其次是Na盐变质的，然后是Al-P中间合金变质的，采用以上3种变质剂处理的效果均优于未变质处理的。
（2）4045铝合金经Al-P中间合金变质仅有轻微效果，主要因为含P的中间合金熔点高，且容易沉淀偏析，通常需要800 ℃以上，在此温度下铝液烧损较高，将损失一定的成材率，兼顾合金元素吸收与铝液烧损，工业生产时铝合金熔炼温度通常在730～760 ℃，故不考虑Al-P中间合金的变质方式。
（3）未经变质的4045铝合金铸锭制备的4045/3003MOD/4045的复合铝合金，其钎焊层有20～60 μm的块状Si颗粒，而经Al-Sr中间合金变质的4045铝合金铸锭制备的4045/3003MOD/4045复合铝合金，其钎焊层无大的块状Si颗粒。
（4）未经变质的钎焊层Si颗粒平均最大dF为5.45 μm，比经Al-Sr变质的2.99 μm大82.3%，且在平均最小dF、平均颗粒面积、颗粒总面积、颗粒面积百分比等均远大于经Al-Sr中间合金变质的，经Al-Sr中间合金变质的钎焊层钎焊效果将会明显优于未变质的。
（5）采用Al-Sr中间合金变质的4045铝合金，无论铸造组织还是复合铝合金钎焊层Si颗粒形貌与尺寸，均为最优，故该方式为最有效的变质处理方式。
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