基于半固態(tài)加入P對(duì)過共晶鋁合金制備方法的研究

劉 亮

（東華理工大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

1 引言

近些隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車產(chǎn)業(yè)成為了國民經(jīng)濟(jì)不可或缺的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一。據(jù)國務(wù)院發(fā)展中心一項(xiàng)研究表明：汽車工業(yè)對(duì)于相關(guān)工業(yè)的拉動(dòng)作用達(dá)到1：10，即汽車工業(yè)1個(gè)單位的產(chǎn)出可以帶動(dòng)國民經(jīng)濟(jì)總體10個(gè)單位的產(chǎn)出，由此可見汽車行業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)舉足輕重的地位。汽車的核心部件之一是發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)的心臟就是活塞，因而活塞性能的好壞直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)和整車的性能，所以對(duì)活塞材料的選擇至關(guān)重要。常采用活塞的材料是亞共晶或共晶鋁硅合金，但隨著對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展方向趨向高速低耗，亞共晶或共晶鋁硅合金材料已不能完全滿足需求。本項(xiàng)目在結(jié)合前期對(duì)半固態(tài)鋁合金坯料制備的研究工作，又同時(shí)加入變質(zhì)劑磷，對(duì)過共晶鋁硅合金做細(xì)化處理，獲得最佳工藝參數(shù)，使方案具有實(shí)用價(jià)值，提供新型活塞材料制備方式。在此背景下，本項(xiàng)目擬開展對(duì)過共晶鋁硅合金坯料制備的研究，過共晶鋁硅合金含硅量高達(dá)17%～26%，具有合金密度小，線膨脹系數(shù)低、耐磨損、耐熱、耐腐蝕，是理想的活塞材料。但過共晶鋁硅合金的顯微組織中，初生晶呈粗大板塊狀，共晶硅呈針條狀，從而對(duì)基體產(chǎn)生嚴(yán)重的割裂，使得抗拉強(qiáng)度低，鑄造性能差。項(xiàng)目針對(duì)此點(diǎn)，開展對(duì)過共晶鋁硅合金的細(xì)化處理，選用含20%硅的過共晶鋁硅合金，在坩堝中熔化，根據(jù)隔絕空氣、保溫等要求，研制適宜的攪拌裝置，采用半固態(tài)成形方式賴控制硅相的技術(shù)，并確定最佳的攪拌溫度、攪拌速度等工藝參數(shù)，半固態(tài)時(shí)采用磷作為變質(zhì)劑進(jìn)行細(xì)化處理，磷在合金液中與鋁生成溶點(diǎn)高且細(xì)小的AIP化合物，AIP具有與硅相近的晶格結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)，因而成為了Si結(jié)晶時(shí)的異質(zhì)核心，產(chǎn)生異相生核作用，促使熔液中的硅晶坯和原子快速生長(zhǎng)為晶核，使晶核數(shù)量大大增加，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)化的目標(biāo)。

2 解決的關(guān)鍵技術(shù)問題

基主要問題：①攪拌裝置的設(shè)計(jì)（包括攪拌器材質(zhì)的選擇、攪拌器形狀的選擇、實(shí)現(xiàn)隔絕空氣、保溫調(diào)節(jié)的功能）；②磷作為變質(zhì)劑對(duì)過共晶鋁合硅晶粒度的影響（包括變質(zhì)劑磷的加入方式、變質(zhì)劑磷的加入量、變質(zhì)劑磷的加入時(shí)處理溫度、去氣、保溫的影響因素）；③機(jī)械攪拌對(duì)半固態(tài)時(shí)過共晶鋁合硅晶粒度的影響（攪拌強(qiáng)度、攪拌時(shí)間的確定、攪拌溫度的確定）。

關(guān)鍵技術(shù)：①新型攪拌裝置及各控制器的設(shè)計(jì)；用磷做變質(zhì)劑對(duì)半固態(tài)時(shí)的過共晶鋁硅合金作細(xì)化處理。

實(shí)驗(yàn)方案

圖2 方案流程圖

圖1 所示為鋁硅合金二元相圖，由圖清楚可看其溫度區(qū)間包括：固相線約577℃，液相線溫度約為700℃。根據(jù)此圖所示，可以初步確立攪拌溫度基本數(shù)值范圍。

解決方案：首先進(jìn)行攪拌器裝置設(shè)計(jì)，制作合乎要求的攪拌器裝置；通過坩堝爐加熱熔化后，進(jìn)行機(jī)械攪拌，加入變質(zhì)劑進(jìn)行變質(zhì)處理；取樣做金相分析。通過分析對(duì)比，比較各種方式、參數(shù)下的金相圖片，獲得最佳工藝參數(shù)，如圖2所示。

3 結(jié)語

結(jié)合前期對(duì)半固態(tài)鋁合金坯料制備的研究工作，考慮應(yīng)用半固態(tài)成形技術(shù)，應(yīng)用熔體攪拌法在合金半固態(tài)時(shí)進(jìn)行攪拌處理，同時(shí)加入變質(zhì)劑，對(duì)過共晶鋁硅合金做細(xì)化處理，獲得最佳工藝參數(shù)，使方案具有實(shí)用價(jià)值，提供新型活塞材料制備方式的方法。

[1]王龍.中國汽車產(chǎn)業(yè)國家競(jìng)爭(zhēng)力研究[M].武漢武漢理工大學(xué)，2006.

[2]賴華清.活塞材料的運(yùn)用及發(fā)展[J].上海汽車，2005，（2）：33－34.

[3]劉迭利，齊丕驤.鋁合金活塞IM].北京：國防工業(yè)出版社，1999.