熔體互混對(duì)Al-16%Si過(guò)共晶鋁硅合金初生Si相形態(tài)的影響

任海濤，夏蘭廷，馬佰才

（太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024）

熔體互混對(duì)Al-16%Si過(guò)共晶鋁硅合金初生Si相形態(tài)的影響

任海濤，夏蘭廷，馬佰才

（太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024）

采用兩種不同熔煉工藝對(duì)Al-16%Si過(guò)共晶合金進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，金相組織表明，其中高低溫兩種熔體互混后Al-16%Si過(guò)共晶合金中初生Si相均得到明顯細(xì)化，經(jīng)力學(xué)性能檢測(cè)，互混合金在750℃的澆注條件下Al-16%Si合金強(qiáng)韌性最好。分析認(rèn)為質(zhì)量不同、成分不同的兩種熔體互混導(dǎo)致溫度和成分的不均勻性是使Al-16%Si合金初生Si細(xì)化的主要原因。

過(guò)共晶鋁硅合金；熔體互混；初生Si相

過(guò)共晶鋁硅合金具有密度小、耐磨、耐熱及熱膨脹系數(shù)低、易于鑄造成型等諸多優(yōu)點(diǎn)，是一種代替鐵基材料制備汽車活塞、連桿、空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子及葉片等重要部件的理想材料，廣泛應(yīng)用在航空、航天、汽車、造船、機(jī)械等工業(yè)部門中[1]。過(guò)共晶Al-Si合金的主要缺點(diǎn)是脆性大，切削加工性差。過(guò)共晶鋁硅合金的顯微組織由粗大多邊形的初晶硅和粗針狀的（Al+Si）共晶體所組成，其力學(xué)性能很低。初晶硅由極薄的六角形板狀晶重疊而成，板塊間結(jié)合力很弱[2]，脆性較大，受拉力時(shí)極易破裂。初晶硅又是極硬的質(zhì)點(diǎn)，鑲嵌在軟基體上，切削加工時(shí)刀具極易磨損。在合金熔煉過(guò)程中，過(guò)共晶Al-Si合金通常采用變質(zhì)處理，使初晶硅細(xì)化，該法工藝難度大，污染環(huán)境，增加成本。本實(shí)驗(yàn)將兩種不同成分和溫度的共晶、過(guò)共晶Al-Si合金熔體相混合，在不同澆注溫度下制備過(guò)共晶Al-16%Si合金，研究熔體混合處理后對(duì)過(guò)共晶Al-16%Si合金中初生Si相的影響。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用原材料為ZL102、純Si和純Al。實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備是電阻坩堝、AM2001、JB-300B半自動(dòng)沖擊試驗(yàn)機(jī)、TH160里氏硬度計(jì)。試驗(yàn)分兩組進(jìn)行。第一組實(shí)驗(yàn)通過(guò)常規(guī)熔煉工藝制備Al-16%Si合金，在不同的溫度下澆注：即將ZL102加熱至900℃，加入工業(yè)結(jié)晶硅，待其充分溶解后攪拌，保溫30min以促進(jìn)合金成分的均勻化，然后將熔體溫度調(diào)整至750℃、800℃、880℃，分別澆入金屬型中。第二組試驗(yàn)通過(guò)不同成分的高低溫熔體混合工藝制備Al-16%Si合金：即分別在兩個(gè)電阻爐中熔化質(zhì)量相同的Al-12%Si合金和Al-20%Si合金，先將Al-12%Si加熱熔化，待其完全溶解后，加熱至570℃，將Al-20%Si熔體升溫至900℃，然后將高溫Al-20%Si熔體兌入Al-12%Si低溫熔體中進(jìn)行混合，將混合熔體重新放入電阻爐中分別過(guò)熱至750℃、800℃、880℃，保溫15min后澆入金屬型中。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖1為Al-16%Si過(guò)共晶合金金相微觀組織，圖2為熔體互混后的Al-16%Si過(guò)共晶合金金相顯微組織。表1為常規(guī)熔煉工藝下獲得的Al-16%Si合金的硬度和沖擊韌性值。

表1 常規(guī)熔煉工藝下獲得的Al-16%Si合金的硬度和沖擊韌性值

由圖1可見(jiàn)，用常規(guī)工藝熔煉，在不同的澆注溫度下Al-16%Si合金中初生硅數(shù)量、尺寸及形態(tài)不同。750℃時(shí)，初生硅顆粒較細(xì)小數(shù)量多，個(gè)別晶粒有破碎現(xiàn)象；800℃時(shí)，初生硅尺寸明顯增大，數(shù)量減少；880℃時(shí)，初生硅顆粒尺寸進(jìn)一步增大，顆粒內(nèi)部破損嚴(yán)重，這些粗大的初生Si相對(duì)基體產(chǎn)生嚴(yán)重的割裂作用。由表1中力學(xué)性能數(shù)據(jù)可見(jiàn)，隨初生Si數(shù)量的減少及顆粒的增大，合金的硬度下降，沖擊韌性減小。在750℃的澆注溫度下Al-16%Si合金有最高的硬度和最好的韌性。

由圖2可見(jiàn)，用互混工藝熔煉，在不同澆注溫度下Al-16%Si合金組織中的初生Si相形態(tài)隨澆注溫度的提高逐漸粗大，形態(tài)惡化，在750℃下澆注時(shí)，合金中初生Si相細(xì)小、均勻且部分初生Si邊緣趨于圓鈍化，其形態(tài)優(yōu)于800℃和880℃澆注下的初生Si相。由表2中力學(xué)性能數(shù)據(jù)可知，互混工藝在750℃下澆注Al-16%Si合金的硬度與800℃下澆注時(shí)合金的硬度相當(dāng)，但韌性有較大幅度提高，分別為9.20Jcm2、7.28Jcm2，提高了13.7%，表明互混后合金有較好的強(qiáng)韌性。

表2 熔體互混工藝下獲得的Al-16%Si合金的硬度和沖擊韌性值

根據(jù)激冷自由晶形核理論和熔斷分離形核理論[3，4]，較低的澆注溫度可增加自由晶核的數(shù)目。由Al-Si二元相圖，含16%Si的Al-Si合金的液-固二相溫度為690℃，在750℃時(shí)澆注僅過(guò)熱了60℃，在液相線附近澆注時(shí)，大量的晶核迅速形成，而此時(shí)金屬液仍處于澆注的流動(dòng)中。因此晶體的熔斷和碎離均可成為新的晶核，導(dǎo)致在熔融的金屬中形成了大量的晶核。顯然，大量晶核的同時(shí)形成使晶核之間的間距減小，這將抑制枝晶的生成，從而使初生Si相以顆粒狀形態(tài)生長(zhǎng)。然而，隨著澆注溫度的升高，大量形成的晶核將被較高的金屬熔體過(guò)熱所重新熔化，只有小部分晶核能夠存活。隨著形核密度的減小，晶核間距增大，導(dǎo)致初生硅尺寸增大，顆粒分布比較稀疏。由以上分析可知，750℃為最佳澆注溫度，880℃澆注時(shí)初生Si形態(tài)最差。

通過(guò)高低溫熔體互混過(guò)熱處理，組織中的初生Si明顯細(xì)化，這是由于兩種不同成分的高低溫熔體混合時(shí)，熔體內(nèi)部存在著溫度和成分的極大不均勻性。將一部分低溫熔體與一部分高溫熔體相混合，低溫熔體被迅速加熱，高溫熔體被迅速冷卻，這樣所形成的混合熔體既具有高溫熔體的性質(zhì)，又具有低溫熔體的性質(zhì)。一方面，高低溫熔體快速混合并攪拌后，高溫熔體被低溫熔體快速冷卻而改善了散熱條件；高溫熔體由微觀均勻區(qū)域組成，高溫熔體結(jié)構(gòu)狀態(tài)保持到混合熔體中，導(dǎo)致后續(xù)組織中初生Si相的均勻分布。低溫熔體由微觀不均勻區(qū)域組成，存在Si原子富集區(qū)，同時(shí)也存在Al原子富集區(qū)，當(dāng)高、低溫熔體混合時(shí)，低溫熔體被高溫熔體加熱，低溫熔體向微觀均勻區(qū)域轉(zhuǎn)變，Si原子富集區(qū)Si-Si原子對(duì)Al原子富集區(qū)Al-Al原子對(duì)發(fā)生反應(yīng)生成Al-Si原子對(duì)，能夠發(fā)生這種反應(yīng)的熱力學(xué)條件如下[5]：

式中：UAl-Si——Al-Si原子對(duì)的作用能；

UAl-Al——Al-Al原子對(duì)的作用能；

USi-Si——Si-Si原子對(duì)的作用能。

由此可以定性說(shuō)明，高溫熔體與低溫熔體混合后是吸熱的。據(jù)此可增大合金液在凝固過(guò)程中的過(guò)冷度。下式為晶核的臨界半徑與過(guò)冷度之間的關(guān)系[6]：

式中：Rk——晶核的臨界半徑；

Lm——金屬結(jié)晶潛熱；

Tm——凝固溫度；

△T——過(guò)冷度；

σΑl——界面能。

過(guò)冷度與體積自由能的變化之間的關(guān)系如下：

式中：△GV——體積自由能。

由式（2）和式（3）可知，隨著過(guò)冷度的增大，臨界晶核半徑減小，體積自由能的變化增大，結(jié)晶過(guò)程中的驅(qū)動(dòng)力增加，有利于形核。在結(jié)晶溫度范圍內(nèi)，過(guò)冷度的增大將促使形核速度增加，從而細(xì)化初生Si相。

高、低溫熔體混合，既克服了高、低溫熔體各自的缺點(diǎn)，又利用了兩者的優(yōu)點(diǎn)，從而達(dá)到細(xì)化初生Si相的目的[7]。

再將常規(guī)熔煉工藝與不同成分的高低溫熔體互混工藝在相同澆注溫度下所獲得的金相組織及力學(xué)性能作對(duì)比，即圖 1（a）與圖 2（a），圖 1（b）與圖 2（b），圖 1（c）與圖2（c）及表1與表2，明顯可見(jiàn)互混熔體在750℃下澆注的Al-16%Si合金中的初生Si相明顯細(xì)化于常規(guī)工藝750℃澆注的Al-16%Si合金中的初生Si相。同樣，在800℃、880℃澆注溫度下互混工藝與常規(guī)工藝相比，組織中初生Si相同樣得到明顯細(xì)化。再對(duì)力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比可知：互混工藝的力學(xué)性能在所有澆注溫度下均優(yōu)于常規(guī)工藝?；セ旃に囋?50℃澆注溫度下Al-16%Si合金強(qiáng)韌性最高，硬度HBS79，沖擊韌性值9.20J/cm2，優(yōu)于常規(guī)工藝750℃澆注溫度下Al-16%Si的硬度HBS74，沖擊韌性值8.09J/cm2。

以上分析表明在降低澆注溫度對(duì)初生Si細(xì)化作用的同時(shí)，采用熔體互混激冷對(duì)細(xì)化過(guò)共晶Al-Si合金中的初生Si相起著更重要的作用。

3 結(jié)論

（1）降低澆注溫度可使Al-16%Si合金中的初生Si細(xì)化，在750℃時(shí)效果最好。

（2）互混熔煉工藝對(duì)Al-16%Si合金中的初生Si細(xì)化及力學(xué)性能有較大提高且優(yōu)于常規(guī)熔煉工藝的Al-16%Si。在750℃的澆注溫度，硬度由HBS74提高到HBS79，沖擊韌性值由 8.08J/cm2提高到 9.20J/cm2。

（3）激冷溫度和成分不均勻性是使Al-16%Si合金中初生Si相細(xì)化的主要原因。

[1]彭晉民，錢翰城.鑄態(tài)鑄造鋁硅合金的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].鑄造技術(shù)，2000（6）：32-34.

[2]陸樹(shù)蓀.有色鑄造合金及熔煉[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1983.

[3]Chalmers B J.The Structure of Ingots[J].J Aust Inst Met，1963（8）：255～263.

[4]Jackson K A，Hunt J D，Uhlmann D R，et al.On the Origin of the Equiaxed Zone in Castings[J].Trans AIME，1966，236：149～158.

[5]吳長(zhǎng)春，郝德慶.物理化學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988：101-102.

[6]崔忠圻.金屬學(xué)及物理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989.

[7]葉春生，張新平.熔體溫度處理對(duì)初生Si相細(xì)?；难芯縖J].汽車工藝與材料，2002.

The Effect of Cross M ixing of the M elt on the M orphology of Primary Silicon of the Hypereutectic Al-16%Si Alloy

REN HaiTao，XIA LanTing，Ma BaiCai
（Material Processing Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，Shanxi China）

By the com parative tests of two d ifferent melting p rocess of hypereutec tic Al-16%Si alloy，m icrostruc ture showed that p rimary Si phase of the two hypereutec tic Al-16%Si alloy has been significantly refined.After the mechanical p roperties testing，the streng th and toughness of Al-16%Si Alloy were the best at 750℃.Analysis showed that the m ain reason for refining p rimary Si of the Al-16%Si alloy was the inhomogeneity of tem perature and component lead by the m ixture of two melts of d ifferent quality and com ponent.

Hypereutec tic Al-Si alloy；Melt m ixture；Prim ary Si phase

TG146.21;

A；

1006－9658（2011）02－3

2010－10－18

2010－153

任海濤（1983-），女，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)樾滦徒饘俨牧系母g與防腐