近液相線半連續(xù)鑄造過程中A390合金初生硅的形成機理

王 娜，周志敏

近液相線半連續(xù)鑄造過程中A390合金初生硅的形成機理

王 娜，周志敏

(東北大學 理學院，沈陽 110004)

采用近液相線半連續(xù)鑄造技術制備A390合金坯料，對鑄錠顯微組織進行金相觀察，采用圖像分析軟件Image-Pro Plus計算晶粒尺寸，研究澆注溫度從高于液相線(650 ℃)100 ℃至10 ℃范圍內變化對A390合金初生硅尺寸形貌的影響。結果表明：近液相線半連續(xù)鑄造時，較低的澆注溫度以及較均勻的溫度場有利于均勻形核，同時減小熔體中Si的濃度梯度，從而消除Si原子聚集成團的條件，抑制初生硅的生長；因此，僅控制近液相線半連續(xù)鑄造的工藝參數(shù)即可改善A390合金半固態(tài)坯料中初生硅尺寸形貌，這是制備過共晶鋁硅合金半固態(tài)坯料的簡單、可行、高效和低成本的方法。

A390合金；初生硅；半固態(tài)成形；近液相線半連續(xù)鑄造

A390合金具有密度低、膨脹系數(shù)小、熱裂傾向小、耐磨性好和耐蝕性好等突出優(yōu)點，是制造內燃機及發(fā)動機活塞的理想材料。但由于其合金元素含量較高，采用常規(guī)的金屬型鑄造法生產(chǎn)時往往存在諸多鑄造缺陷，合金中的初生硅呈粗大板條狀且產(chǎn)生偏聚等，嚴重影響材料的強度和使用性能，降低材料的加工性能和產(chǎn)品的表面質量，因此，細化初生硅是提高 A390合金性能及實際應用的關鍵。近年來，國內外學者針對高硅鋁合金中初生硅的大小、形貌及分布的控制開展了大量的研究工作，開發(fā)了多種細化初生硅的方法[1?7]，如變質處理、懸浮鑄造法、噴射沉積法、超聲波振動法和快速凝固法等。盡管前人在初生硅的細化和形貌改善等方面開展了較多研究工作，取得了良好的成果，但在制備工藝和合金性能方面仍存在許多需要改進和完善的地方，如變質處理工藝要求嚴格，實際生產(chǎn)中往往因各種因素影響變質效果；噴射沉積法、超聲波振動法需要專用設備，生產(chǎn)成本高；快速凝固法生產(chǎn)試件尺寸小，控制困難，晶粒內應力大。近年來，國內外學者開始關注過共晶 Al-Si合金半固態(tài)坯料的制備。KIM等[8]采用在冷卻過程中連續(xù)機械攪拌方法，使AlSi15.5過共晶合金中的初生Si由板塊狀變?yōu)榍蛄?，并顯著細化初生Si相。LEE等[9]和SMITH等[10]詳細研究攪拌速度、冷卻速度和固相率對合金組織的影響。GARAT等[11]用變質加電磁攪拌方法制得初生Si大小為30~50 μm且呈顆粒狀均勻分布的A390過共晶合金錠。李樹索等[12]報道采用電磁攪拌法制備的半固態(tài)AlSi24合金組織特征。葉春生和潘冶[13]研究等溫處理對過共晶鋁硅合金半固態(tài)組織的影響，認為共晶硅經(jīng)歷了熔斷、粒狀化和粗化的過程。薛克敏等[14]采用等徑角擠壓法，由AlSi30合金粉末制備成半固態(tài)坯料。DIEWWANT和 FLEMINGS[15]、LIU 和CHOU[16]以及OMID等[17]采用電磁攪拌、低過熱度弱電磁攪拌、機械攪拌和變質細化復合處理的方法來改善過共晶鋁硅合金初生硅的尺寸和形貌。但到目前為止，上述工作仍處于實驗室條件下的探索和基礎研究。

本文作者研究近液相線半連續(xù)鑄造過程中過共晶鋁硅合金中初生硅的形狀、尺寸和分布的變化規(guī)律，分析澆注溫度等條件對 A390合金初生硅形貌、大小及分布的影響。

1 實驗

本實驗用 A390合金化學成分見表 1。合金以w[Al]=99.7%的工業(yè)純鋁、w[Si]=22%的鋁?硅中間合金、純銅、金屬鎂等為原料在中頻爐內進行熔煉配制而成，先加入高純鋁，760 ℃時加入鋁硅中間合金，待鋁硅合金完全溶解后加入純銅，最后加入純鎂，以減少燒損，升溫至810 ℃保溫15 min，保證金屬完全熔化，成分均勻；當爐溫降至760 ℃，保溫5 min加入無毒精煉劑，經(jīng)除氣和扒渣后的合金熔體轉入中間保溫包，中間保溫包由Pt-Rh/Pt熱電偶與計算機控溫儀精確控制溫度，溫度偏差為±1 ℃。保溫10 min后，以一定的鑄造速度和冷卻水流量，不同的鑄造溫度進行澆注，獲得直徑100 mm的A390合金的鑄錠。半連續(xù)鑄造設備如圖1所示。

實驗中用來進行微觀組織觀察的試樣分別在錠坯垂直橫截面上的邊部、中心部位切取，試樣經(jīng)過粗磨、精磨和拋光后用低濃度混合酸(2 mL HF、3 mL HCl，5 mL HNO3和190 mL H2O)腐蝕，采用Leica DMR顯微鏡觀察金相組織，同時用圖像分析軟件 Image-Pro Plus計算出晶粒等積圓直徑(2(A/π)1/2，A為晶粒截面積)與圓度(l2/(4πA)，l為晶粒周長)[18]。

表1 實驗用A390鋁合金的化學成分Table 1 Chemical composition of experimental A390 alloy(mass fraction, %)

圖1 近液相線半連續(xù)鑄造設備示意圖Fig.1 Schematic diagram of near-liquidus semi-continuous casting process

2 結果與討論

本研究考察鑄造速度為120 mm/min，冷卻水流量為 0.05 m3/min，澆注溫度分別為 750、680、670、660 ℃時 A390合金鑄錠初生硅組織的演變規(guī)律，其結果如圖2~5所示。

圖2所示為在750 ℃澆注時鑄錠邊部和中心部位的鑄態(tài)組織，圖中灰色部分為共晶組織，暗黑色的為初生硅，白色為α(Al)相。由圖2可看出，共晶組織為針狀，靠近鑄錠邊部分布著細小的塊狀初生硅，向中心位置靠近時，初生硅粗大，呈大塊板條狀和多角狀，甚至出現(xiàn)分枝。利用圖像分析軟件Image-Pro Plus對圖2的整個區(qū)域進行初生硅尺寸計算，得到初生硅平均尺寸達60 μm以上，并發(fā)生嚴重的偏聚現(xiàn)象，組織分布極不均勻。

在750 ℃澆注時，澆注溫度較高，A390合金液相線溫度為650 ℃，溫度場和溶質場極不均勻，形核的數(shù)量較少，晶粒有足夠的空間長大而不至于互相抵觸，初生硅沿一定方向生長，生成尖銳棱角；另一方面，由于初生固相和液相之間存在密度差，原本分散的晶粒開始聚集，初生硅分布不均勻，同時靠近結晶器壁的部分散熱快，由于激冷作用出現(xiàn)了細小晶粒。

圖2 澆注溫度為750 ℃時半固態(tài)鑄錠不同部位的微觀組織Fig.2 Microstructures of different zones of semi-solid billets cast at pouring temperature of 750 ℃: (a) Border; (b) Center

圖3 所示為680 ℃澆注時鑄錠邊部和中心部位的微觀組織。由圖3可看出，在鑄錠邊部和中心部位仍然出現(xiàn)初生硅偏聚現(xiàn)象，初生硅呈板條狀和塊狀，初生硅尺寸沒有明顯減小，平均尺寸在 55 μm 左右。680 ℃澆注時，高于液相線30 ℃，熔體溫度場趨于均勻，在邊部與結晶器接觸，有很大一部分熔體可以進入過冷狀態(tài)，發(fā)生內生形核，形核數(shù)量相對于常規(guī)澆注溫度多，不過有一部分晶核在熱運動過程中由于過熱而熔化消失，造成晶粒數(shù)目的降低，晶粒長大時不易互相抵觸，體積自由能的降低足以補償表面能的增加，導致凝固后的邊部組織有尺寸較大的晶粒。在溫度梯度小的區(qū)域，硅原子團出現(xiàn)，當初生硅顆粒越小時，其比表面積越大，表面能就越大，處在熱力學不穩(wěn)定狀態(tài)，初生硅顆?？偸且园l(fā)地向減小表面能的方向發(fā)展，所以當顆粒接觸時，就會自發(fā)地發(fā)生粘連[19]。與此同時，液相中的Si原子也在繼續(xù)地向已經(jīng)結晶的初生硅表面擴散和附著長大。隨著液相中的 Si原子連續(xù)在顆粒結合面上析出并附著生長，漸漸使初生硅顆粒熔合成一體，發(fā)生偏聚。

圖3 澆注溫度為680 ℃時半固態(tài)鑄錠不同部位的微觀組織Fig.3 Microstructures of different zones of semi-solid billets cast at pouring temperature of 680 ℃: (a) Border; (b) Center

圖4 澆注溫度為670 ℃時半固態(tài)鑄錠不同部位的微觀組織Fig.4 Microstructures of different zone of semi-solid billets at pouring temperature of 670 ℃: (a) Border; (b) Center

圖4 所示為670 ℃澆注時半固態(tài)鑄錠不同部位的微觀組織。由圖4可看出，鑄錠邊部和中心部位均未出現(xiàn)初生硅的偏聚現(xiàn)象，初生硅顆粒幾乎均勻的分布在α(Al)之間，但初生硅的尺寸沒有明顯減小，平均尺寸為40 μm左右，且初生硅形貌沒有得到改善，形狀為不規(guī)則的多角狀和板條狀。670 ℃澆注時，溫度場和溶質場相對比較均勻，大量晶核同時生成，均勻分布在熔體中，形成相對細小的初生硅相。不過，仍有一部分晶核由于過熱熔化，由于初生硅生長帶有強烈的各向異性，當熔體溫度下降時，初生硅會因擇優(yōu)生長而沿著熱流方向變長。

圖5所示為660 ℃澆注時鑄錠邊部和中心部位的微觀組織。由圖5可看出，在球形α(Al)相周圍析出細小的共晶組織。沒有發(fā)生初生硅偏聚現(xiàn)象，初生硅尖角變得圓整，初生硅尺寸明顯減少，利用圖像分析軟件Image-Pro Plus對圖5的整個區(qū)域進行初生硅尺寸計算，得到平均初生硅尺寸在10 μm左右，該組織適合半固態(tài)成形。660 ℃澆注時，接近合金液相線溫度，熔體溫度場均勻，在澆注過程中，整個熔體已經(jīng)處于過冷狀態(tài)，大量的游離晶核均勻地生成。同時，澆入結晶器后，由于水冷作用使本身無明顯過熱的金屬液迅速冷卻，由于冷卻和進入結晶器后對晶粒的沖刷等作用而大量形核，晶核還來不及長大就凝固了，因此形成均勻細小的初生硅相。根據(jù)菲克第一定律，在同樣擴散面積和擴散時間等條件下，擴散流量與濃度梯度成正比關系。由于在近液相線保溫一段時間后澆注，促使了溫度場和溶質場的均勻化，濃度梯度小(比普通凝固過程中已經(jīng)建立的濃度梯度小)，Si原子的擴散流量相應較小，長大速度也相應較小，使其難以聚集成團。溫度場和溶質場的均勻化使得初生硅各個方向的生長速度基本一致，使其形狀圓整。

圖5 澆注溫度為660 ℃時半固態(tài)鑄錠不同部位的微觀組織Fig.5 Microstructures of different zone of semi-solid billets at pouring temperature of 660 ℃: (a) Border; (b) Center

通過圖像分析軟件Image-Pro Plus對A390合金鑄錠微觀組織中初生硅相進行分析，其結果如圖6所示。從圖6可以看出，澆注溫度從750 ℃降到670 ℃，初生硅平均尺寸逐漸減??；從670 ℃降到660 ℃時，初生硅尺寸迅速減小，在660 ℃溫度澆注時，初生硅平均尺寸最小，約為10 μm，這是由于接近液相線澆注時，溫度場和溶質場相對均勻造成的。

圖6 初生硅的平均晶粒尺寸隨澆注溫度的變化Fig.6 Change of average grain size with pouring temperature for primary Si

表2 不同制備方法下初生硅尺寸比較Table 2 Comparison of primary Si sizes prepared by different methods

表2所列為本研究方法與前人采用其他制備方法所得初生硅尺寸比較。由表2可以看出，采用本研究方法所得到的初生硅最細小。凝固過程中初生硅的形核數(shù)目、過冷度大小、Si在熔體中分布的均勻性、Si原子間的鍵合力以及 Si在熔體中的擴散速度等是影響初生硅尺寸形貌的主要因素，與其他方法相比，近液相線半連續(xù)鑄造的澆注溫度較低，并且熔體中的溫度分布較均勻，Si的濃度梯度小，有利于消除Si原子聚集成團和異常生長的條件，體現(xiàn)近液相線半連續(xù)鑄造方法在控制過共晶鋁硅合金中初生硅尺寸形貌方面的優(yōu)勢。

3 結論

1) 僅控制工藝參數(shù)即可實現(xiàn)對A390合金半固態(tài)坯料中初生硅尺寸和形貌的改善。

2) 當鑄造速度為120 mm/min、冷卻水流量為0.05 m3/min、鑄造溫度為660 ℃時，可獲得具有均勻、細小、近球形微觀組織的 A390合金半固態(tài)坯料，初生硅的平均尺寸為10 μm左右，均勻分布在α(Al)相晶粒之間。

3) 近液相線半連續(xù)鑄造方法是制備高硅鋁合金半固態(tài)坯料的簡單、可行和有效的方法，初生硅顯著細化。

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Forming mechanism of primary Si of A390 alloy during near-liquidus semi-continuous casting

WANG Na, ZHOU Zhi-min
(School of Sciences, Northeastern University, Shenyang 110004, China)

The A390 alloy billets were prepared using the near-liquidus semi-continuous casting technology. The microstructures of billets were observed by metalloscopy. The grain size was calculated by the Image-Pro Plus software.The influence of pouring temperature from 100 ℃ to 10 ℃ above the liquidus (650 ℃) on the shape and size of primary silicon particles of A390 alloy were studied. The results show that lower temperature and more uniformly distributing temperature field in the melt during near-liquidus semi-continuous casting help to nucleation and decrease concentration gradient of Si, which eliminates the gathering process of Si atoms and restrains the anisotropic growth of primary Si particle. So, controlling the processing parameters of near-liquidus semi-continuous casting can improve the primary Si of A390 alloy semi-solid billets, which will be a simple, feasible and effective method to prepare the semi-solid billets of hypereutectic Al-Si alloys.

A390 alloy; primary Si; semi-solid forming; near-liquidus semi-continuous casting

TG146；TG113

A

1004-0609(2010)10-1895-06

國家自然科學基金資助項目(50674032)

2009-05-25；

2010-05-22

周志敏，教授，博士；電話：13840094271；E-mail: zmzhou@imp.neu.edu.cn

(編輯 李艷紅)