凝固條件對高硅鋁合金組織的影響

劉文清

摘 要：過共晶鋁硅合金中的硅相晶粒粗大并且有尖銳的棱角，嚴重的削弱了合金的機械性能，通常采用變質(zhì)處理工藝來改善這一現(xiàn)象。目前，很多研究表明硅相變質(zhì)的機理主要是孿晶凹谷機制，但是變質(zhì)效果實際上是與凝固條件有關(guān)系的，通過改善凝固條件，可以促進變質(zhì)效果。本文研究對象為高硅鋁硅合金，在加入不同變質(zhì)劑條件下，研究了不同凝固條件下的組織形態(tài)，并使用透射電鏡對組織進行了分析。

關(guān)鍵詞：過共晶合金 孿晶凹谷機制 變質(zhì) 凝固條件

中圖分類號：TG146 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（c）-0108-02

經(jīng)過變質(zhì)處理后的過共晶鋁硅合金具有良好的機械性能。它具有低的熱膨脹率和高的耐磨性，廣泛的應用于工業(yè)。初晶硅、共晶硅和共晶鋁是它的主要組織。其中硅相對合金的機械性能具有重要的影響，如何改善硅相的形狀和細化晶粒是一個重要的研究方向，通常采用變質(zhì)工藝[1～3]提高合金的機械性能。但是變質(zhì)工藝的效果受到凝固條件的影響，深入研究凝固條件對鑄造合金組織的影響[4～5]具有重要的意義。本文分別采用不同的變質(zhì)劑，研究不同凝固條件對變質(zhì)效果的影響。

1 實驗

1.1 變質(zhì)試驗

把4個坩堝放入電阻爐中，升溫到一定溫度，加入高硅鋁硅合金，熔化后分別加入變質(zhì)劑（銅磷合金、Na鹽、Sb、稀土合金），保溫一段時間。為了研究凝固條件對組織的影響，控制澆注容器溫度從而達到改變合金的凝固條件，采用的金屬型腔的溫度分別為20 ℃和200 ℃。將不同變質(zhì)劑變質(zhì)下的金屬液澆注到金屬型腔中，取樣進行觀察。

2 凝固條件對合金組織的影響

2.1 未變質(zhì)的合金組織

由圖1可知，圖1的（a）中，顆粒細小并且較圓滑，（b）中顆粒粗大并且棱角鋒利，在不加入任何變質(zhì)劑的條件下，冷卻速度可以明顯的影響到合金的組織形態(tài)，加大冷卻速度可以細化初晶硅和共晶硅，并且對初晶硅的形態(tài)還能夠起到局部圓滑的作用。

2.2 銅磷變質(zhì)的合金組織

從圖2可知，銅磷合金變質(zhì)不論冷卻速度快慢，初晶硅都比未變質(zhì)鋁硅合金細小且分布均勻，這說明了銅磷合金良好的變質(zhì)效果。對比圖2中（a）、（b）圖我們可以發(fā)現(xiàn)，冷卻速度對初晶硅的影響是顯著的。（a）圖中初晶硅比（b）圖中初晶硅明顯細小，且初晶硅分布更加均勻。

2.3 Na鹽變質(zhì)的合金組織

從圖3（a）、（b）中可以看出Na鹽對冷卻速度是十分敏感的，圖3中（a）中初晶硅細小、形狀圓滑；（b）圖中初晶硅顆粒較大。但僅從圓滑度來看，兩種冷卻速度的條件下，初晶硅顆粒都很圓滑，看不到針狀共晶硅，這充分說明了鈉鹽優(yōu)良的變質(zhì)效果。

2.4 Sb變質(zhì)的合金組織

從圖4中（a）、（b）圖可以看出，不同冷卻速度對鋁硅合金的影響是顯著的。（a）圖中初晶硅呈規(guī)則的四邊形，而（b）圖中硅的形狀呈花瓣形狀，有的中間有共晶硅存在，這說明了當冷卻速度慢時，初晶硅在結(jié)晶的時候相鄰的初晶硅發(fā)生了合并，合并過程中有共晶組織填充了部分的區(qū)域，這就是我們看到的初晶硅中間存在的共晶組織。對于共晶硅的影響，可以看到（a）、（b）圖中的共晶硅都呈現(xiàn)針狀，冷卻速度慢的更甚。

2.5 稀土變質(zhì)的合金組織

從圖5中（a）、（b）可以看出，稀土變質(zhì)的鋁硅合金中初晶硅和共晶硅大小差別不大，說明了稀土變質(zhì)的鋁硅合金初晶硅對冷卻速度不敏感。

3 合金組織的分析

雖然最后形成的組織形態(tài)與很多條件有關(guān)系，并且目前也有很多相關(guān)的成形機理，但是通過對組織進行透射電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)每一種變質(zhì)劑條件下的組織，在它的衍射斑點中，都存在孿晶衍射斑點，這說明了在變質(zhì)處理過程中，變質(zhì)的機理在一定程度上與孿晶組織有著一定的關(guān)系，因此，可以從孿晶的角度出發(fā)，解釋組織的成形機理。圖6是鈉鹽變質(zhì)的初晶硅和共晶硅的衍射斑點圖，在圖6中，可以明顯的看到，在某些衍射斑點的1/3處的位置，存在一些弱的斑點，這就是孿晶衍射斑點的特征。由于有孿晶衍射斑點的存在，說明了變質(zhì)條件下的生長機理可以用孿晶凹谷機制進行解釋。變質(zhì)劑的富集和擇優(yōu)吸附對共晶硅和初晶硅都是有效的，都為孿晶凹谷機制，在共晶硅生長中硅的結(jié)晶前沿呈孿晶凹谷，加入變質(zhì)劑后，變質(zhì)劑原子因化學作用選擇吸附而富集在孿晶凹谷處，阻滯了硅原子或硅原子四面體的生長速度，使孿晶凹谷生長機制受到抑制，從而導致硅相生長形態(tài)的變化。由于孿晶凹谷被阻塞，硅相生長被迫改變方向，沿<100>、<110>、<112>等系列方向生長，同時也促使硅相發(fā)生高度分枝。并且，變質(zhì)原子并非全部封鎖整個凹谷，而是優(yōu)先吸附在凹谷內(nèi)的位錯、層錯等缺陷處，分割了原來的片狀結(jié)構(gòu)，這就是共晶硅的生長過程。初晶硅由于它的生長環(huán)境與共晶硅不同，造成了初晶硅生長過程的差別：（1）初晶硅直接從液相中析出，即使變質(zhì)原子在固液界面前沿富集，硅原子擴散受到的束縛也較小，因此，初晶硅可以長到很大；（2）由于多重孿晶的作用，初晶硅進行各向同性生長，因此，變質(zhì)初晶硅顆粒由多面體轉(zhuǎn)變?yōu)閳A滑的顆粒。

凝固條件對銅磷合金、Na鹽、Sb和稀土變質(zhì)效果的影響是不同的，不同的凝固條件下，銅磷合金和Na鹽變質(zhì)下的金相組織發(fā)生了以下幾點變化：（1）初晶硅的數(shù)量明顯增多，這是因為在溫度較低的條件下，液體中存在較多的異質(zhì)核心，促進初晶硅的生長；（2）初晶硅尺寸減少很多，一方面在凝固條件較快的條件下，熔液內(nèi)部會出現(xiàn)大量的異質(zhì)核心即硅晶胚，這些晶核的存在，促進了初晶硅和共晶硅的形核；另一方面初晶硅的生長受到強烈的抑制，因為冷卻速度快，初晶硅之間來不及發(fā)生合并的現(xiàn)象，這兩方面的原因都導致成形的初晶硅細?。唬?）初晶硅發(fā)生了球化現(xiàn)象，硅本來是小平面生長，但是在變質(zhì)劑影響的條件下，小平面生長方向受到抑制，硅晶體轉(zhuǎn)變?yōu)榉切∑矫嫔L，并且較快的冷卻速度會促進變質(zhì)劑的變質(zhì)效果，最后得到球化的初晶硅。而對于變質(zhì)效果一般的Sb和稀土變質(zhì)下的金相組織，凝固條件僅僅改變組織的顆粒大小，而對于形狀的改變很小。因此，良好的變質(zhì)效果是由變質(zhì)劑決定的，凝固條件對于形成的組織只能起到促進作用。

4 結(jié)論

（1）不同變質(zhì)劑受冷卻速度的影響效果是不同的，銅磷合金、Na鹽對冷卻速度敏感；Sb元素變質(zhì)下的組織在冷卻速度逐步變大的條件下，硅相組織由花瓣狀變?yōu)閴K狀；稀土合金變質(zhì)下的組織對冷卻速度的變化不敏感。

（2）對初晶硅和共晶硅的變質(zhì)機理進行了分析，無論是初晶硅還是共晶硅，可以從孿晶凹谷機制解釋它的變質(zhì)機理。

參考文獻

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