重熔次數(shù)對(duì)P-RE-Sr變質(zhì)細(xì)化A390鋁合金組織的影響

姜　峰，索忠源，劉海濤，王　鑫，張志浩，王　哲

(1.吉林化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 吉林 132022；2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司華北化工銷售山東分公司 臨沂銷售部，山東 臨沂 276000)

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重熔次數(shù)對(duì)P-RE-Sr變質(zhì)細(xì)化A390鋁合金組織的影響

姜峰1，索忠源1，劉海濤2，王鑫1，張志浩1，王哲1

(1.吉林化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 吉林 132022；2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司華北化工銷售山東分公司 臨沂銷售部，山東 臨沂 276000)

摘要：本文研究了不同重熔次數(shù)對(duì)不同復(fù)合變質(zhì)A390合金組織的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：P、RE、Sr復(fù)合變質(zhì)時(shí)，在相同重熔次數(shù)條件下，三元復(fù)合變質(zhì)合金中的初晶硅的尺寸最小；當(dāng)合金重熔次數(shù)小于2次時(shí)，初晶硅變質(zhì)重熔效果較好，隨著重熔次數(shù)不斷增加，合金中初晶硅尺寸隨之增大.

關(guān)鍵詞：復(fù)合變質(zhì)；過(guò)共晶鋁合金；重熔次數(shù)；初晶硅尺寸

過(guò)共晶鋁硅合金具有高耐磨性、輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高耐熱性及低的熱膨脹性等一系列優(yōu)點(diǎn)，尤其是在汽車領(lǐng)域，被廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞以及汽車空調(diào)壓縮機(jī)斜盤材料，越來(lái)越引起人們的廣泛關(guān)注[1-5].然而，過(guò)共晶鋁硅合金組織中通常存在粗大的五瓣星形狀、八面體狀、板條狀或板塊狀等形貌的初晶硅，在外力的作用下，其初晶硅是棱角與尖角處極易產(chǎn)生應(yīng)力集中，嚴(yán)重割裂合金基體組織，進(jìn)而降低該合金的合金的塑性、強(qiáng)度以及切削加工等綜合力學(xué)性能.因此，對(duì)該合金進(jìn)行變質(zhì)處理，細(xì)化初晶硅，改變其形狀和分布特點(diǎn)，提高力學(xué)性能和改善加工性能具有重要意義[6-7].在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，A390鋁合金需經(jīng)復(fù)合變質(zhì)精煉后進(jìn)行連鑄棒材[8]，該過(guò)程通常會(huì)產(chǎn)生大量廢料(如料頭)，造成材料浪費(fèi).因此，對(duì)A390合金的變質(zhì)后熔鑄棒料頭(廢料)及廢品重熔利用具有重要意義.本文著重研究該合金在不同變質(zhì)劑變質(zhì)后，通過(guò)不同重熔次數(shù)對(duì)合金中初晶硅及共晶硅的組織演變的影響.

1實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1　A390鋁合金用原材料

本實(shí)驗(yàn)所用的A390鋁合金成分見表1.其原材料為工業(yè)純鋁(99.7%)、結(jié)晶硅(99.9%)、紫銅、純錳、工業(yè)純鎂、純鋅、海綿鈦.變質(zhì)劑采用Al-3.5%P中間合金、Al-10%Sr中間合金及Al-10%RE中間合金.

表1　A390合金化學(xué)成分表(wt.%)

1.2　A390合金熔煉、變質(zhì)與重熔

合金熔煉、變質(zhì)：實(shí)驗(yàn)前將所用石墨坩堝烘干，根據(jù)表1配制一定量的A390鋁合金，并將坩堝電阻爐預(yù)熱200 ℃，再將已稱量好的金屬原材料裝入井式坩堝電阻爐(功率為5 kW，型號(hào)為SG2-5-10)中，然后升溫到760～780 ℃，保溫2.5～3 h，期間用攪拌棒輕輕攪動(dòng)，以加快對(duì)金屬硅及紫銅的溶解，待金屬硅及紫銅全部溶解后，把溫度調(diào)至740～750 ℃，然后將低熔點(diǎn)的純鎂和純鋅一同用鐘罩壓入熔體中，當(dāng)其完全溶解后保溫10～20 min.然后采用六氯乙烷(加入量為合金熔體總質(zhì)量的0.6%)對(duì)合金熔體進(jìn)行第一次精煉除氣、扒渣.之后加入變質(zhì)劑，具體變質(zhì)工藝參數(shù)見表2所示.合金變質(zhì)處理后，再對(duì)合金熔體進(jìn)行第2次精煉、除氣，其方法與第1次精煉除氣過(guò)程相同，扒渣完畢后進(jìn)行升溫，當(dāng)溫度達(dá)到所需澆注溫度時(shí)，保溫20 min后，再將合金液澆注到已預(yù)熱(200 ℃左右)好的金屬模具中.

合金重熔：將澆注后所得到不同變質(zhì)劑變質(zhì)的合金鑄錠分別進(jìn)行第1～4次回爐重熔，具體重熔參數(shù)見表2所示.當(dāng)每次重熔過(guò)程合金液達(dá)到重熔溫度時(shí)保溫1h，隨后用C2Cl6進(jìn)行精煉除氣、扒渣處理，最后將每次重熔的合金液澆注到已預(yù)熱好的金屬模具中.

表2　A390合金變質(zhì)工藝參數(shù)

1.3　試樣的制備與觀察

將所得到的不同變質(zhì)劑變質(zhì)后的不同重熔次數(shù)的鑄錠選取中間部位截取試樣，然后經(jīng)粗磨、細(xì)磨、拋光之后用無(wú)水酒精清洗，再用吹風(fēng)機(jī)將試樣吹干，最后在TX-400V金相顯微鏡下進(jìn)行微觀組織觀察并進(jìn)行圖像采集.

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1　不同重熔次數(shù)對(duì)不同P，RE，Sr復(fù)合變質(zhì)細(xì)化A390鋁合金組織的影響

2.1.1不同重熔次數(shù)對(duì)RE-Sr復(fù)合變質(zhì)A390合金組織的演變

采用RE-Sr變質(zhì)處理的A390合金經(jīng)過(guò)見表2方案1所示工藝進(jìn)行重熔，所得到的金相組織見圖1所示.

(a) 未重熔

(b) 1次重熔60 min

(c) 2次重熔60 min

(d) 3次重熔60 min

(e) 4次重熔60 min圖1　不同重熔次數(shù)對(duì)RE-Sr變質(zhì)A390合金的金相組織

圖1(a)中所示為RE-Sr變質(zhì)后的未重熔金相組織，從圖中可觀察出，初晶硅形貌大多呈多角形，且棱角較鈍化，其平均尺寸為45μm左右，分布較均勻；共晶硅尺寸大多變得非常細(xì)小，形貌呈珊瑚狀和顆粒狀，個(gè)別區(qū)域呈現(xiàn)少許針狀或細(xì)長(zhǎng)桿狀.A390合金在經(jīng)RE-Sr復(fù)合變質(zhì)后進(jìn)行第1～4次重熔的金相組織見圖1(b)～(e)所示.從圖中可以明顯觀察出，經(jīng)過(guò)重熔后合金中的初晶硅尺寸均比變質(zhì)時(shí)(圖1(a))大.其中重熔第1～2次(見圖1(b)～(c))的初晶硅平均尺寸為50 μm左右，個(gè)別初晶硅尺寸較為粗大為60 μm左右，其形貌為多角形，個(gè)別出現(xiàn)三角形組織；共晶硅形貌大多呈粗大蠕蟲狀和顆粒中，其中夾雜著細(xì)長(zhǎng)針狀或短桿狀組織，較均勻的分布于α-Al合金的基體中.當(dāng)合金第3次重熔(見圖1(d))時(shí)，初晶硅平均尺寸為55 μm左右，進(jìn)一步聚集長(zhǎng)大；共晶硅呈現(xiàn)大量的顆粒狀或蠕蟲狀存在，且彌散的分布與合金基體中.當(dāng)合金進(jìn)行第4次重熔(見圖1(e)所示)時(shí)，初晶硅尺寸為65 μm左右，最為粗大，共晶硅形貌變化不明顯.

從圖1中分析可知，隨著重熔次數(shù)的增加，初晶硅尺寸逐漸增大.其主要是由于在重熔處理過(guò)程中，隨著重熔次數(shù)的增加，RE與Sr的量逐漸被燒損，而RE變質(zhì)細(xì)化初晶硅的原理是通過(guò)其元素原子吸附在硅相孿晶溝槽中，能夠有效地抑制初晶硅的孿晶凹角溝槽(PTRE)生長(zhǎng)機(jī)制及改善硅晶體固液界面能，因此對(duì)初晶硅有一定的變質(zhì)細(xì)化作用[9].由于RE元素含量在的大量減少，因此，不能有效地抑制初晶硅的生長(zhǎng)，故在合金重熔第3-4次重熔時(shí)，初晶硅尺寸特別粗大.Sr元素可使針狀共晶硅細(xì)化，變成纖維狀或顆粒狀.邊秀房等人[10]研究了鍶的添加對(duì)于液態(tài)鋁硅合金中的Si-Si鍵的影響，他們認(rèn)為鍶能夠在一定程度上減弱液態(tài)鋁硅合金中的Si-Si鍵形成的傾向，從而能夠細(xì)化共晶硅.而該合金隨著重熔次數(shù)的增加，共晶硅由原來(lái)變質(zhì)時(shí)的細(xì)小顆粒狀或蠕蟲狀組織逐漸變成較為粗大的長(zhǎng)桿狀或針狀，其尺寸也越來(lái)越大，這說(shuō)明合金在重熔次數(shù)增加的過(guò)程中Sr元素在不斷的揮發(fā)燒損，從而削弱其變質(zhì)作用效果.

2.1.2不同重熔次數(shù)對(duì)Sr-P復(fù)合變質(zhì)A390合金組織的演變

采用Sr-P變質(zhì)處理的A390合金經(jīng)過(guò)見表2方案2所示工藝重熔，所得到的金相組織見圖2所示.

(a) 未重熔

(b) 1次重熔60 min

(c) 2次重熔60 min

(d) 3次重熔60 min

(e) 4次重熔60 min圖2　不同重熔次數(shù)對(duì)Sr-P變質(zhì)A390合金的金相組織

圖2(a)所示為Sr-P變質(zhì)后的未重熔組織，從圖中可看出，初晶硅的棱角形貌明顯發(fā)生鈍化，出現(xiàn)多角形和近圓形，其平均尺寸為30 μm，且分布均勻，共晶硅大多數(shù)為顆粒狀，部分區(qū)域呈現(xiàn)珊瑚狀，且分布較為均勻.合金在經(jīng)Sr-P復(fù)合變質(zhì)后進(jìn)行第1～4次重熔的金相組織見圖2(b)～(e)所示.從圖中可以顯著的看到，經(jīng)過(guò)第1次重熔(見圖2(b)所示)后合金中的初晶硅尺寸同變質(zhì)時(shí)(圖2(a))相比，尺寸變化不大，其初晶硅尺寸較小，平均為30 μm左右，其形貌多為多角形；共晶硅形貌大多呈蠕蟲狀，部分區(qū)域出現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)針狀組織.合金隨著重熔次數(shù)(見圖2(c)～(e))的不斷增加，初晶硅尺寸逐漸隨之聚集長(zhǎng)大.當(dāng)重熔次數(shù)達(dá)到4次時(shí)，合金中的初晶硅組織最為粗大，平均尺寸到達(dá)65 μm，其形貌呈現(xiàn)板塊狀或板條狀，并帶有尖角，嚴(yán)重割裂合金基體組織.而共晶硅組織隨著重熔次數(shù)的不斷增加，其尺寸逐漸長(zhǎng)大，形貌大部分長(zhǎng)成針狀.

由圖2可知，隨著重熔次數(shù)的增加，初晶硅尺寸逐步變大，共晶硅由細(xì)小的蠕蟲狀與顆粒狀逐漸變?yōu)榇执蟮拈L(zhǎng)針狀.初晶硅的尺寸變大的原因是在變質(zhì)過(guò)程中，磷與鋁直接形成細(xì)小高熔點(diǎn)AlP(AlP的熔點(diǎn)>1 000 ℃)化合物異質(zhì)核心質(zhì)點(diǎn)，但在重熔過(guò)程中AlP晶核質(zhì)點(diǎn)發(fā)生聚集長(zhǎng)大現(xiàn)象，從而減少合金液中異質(zhì)形核的數(shù)量，這樣初晶Si結(jié)晶時(shí)依附較大的異質(zhì)晶核(AlP)進(jìn)行生長(zhǎng)，進(jìn)而使初晶硅的數(shù)量較少且尺寸較大，最后使磷失去對(duì)初晶硅的變質(zhì)效果[11]；而對(duì)于共晶硅來(lái)說(shuō)，由于Sr在高溫下屬于易揮發(fā)元素，因此隨著重熔次數(shù)的增加，其含量逐漸燒損減少，是導(dǎo)致其粗化的主要原因，其次Sr還能與P部分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成Sr3P2化合物，但導(dǎo)致Sr與P的變質(zhì)作用相互抵消，從而削弱了Sr對(duì)共晶硅的變質(zhì)作用[12].

2.1.3不同重熔次數(shù)對(duì)P-RE復(fù)合變質(zhì)A390合金組織的演變

經(jīng)過(guò)P-RE變質(zhì)處理的A390合金采用見表2方案3所示工藝重熔，所得到的金相組織見圖3所示.

(a)未重熔

(b) 1次重熔60 min

(c) 2次重熔60 min

(d) 3次重熔60 min

(e) 4次重熔60 min圖3　不同重熔次數(shù)對(duì)P-RE變質(zhì)A390合金的金相組織

圖3(a)所示為P-RE變質(zhì)后的未重熔組織，從圖中可知，初晶硅尺寸較為細(xì)小，其尺寸為30 μm左右，且棱角明顯發(fā)生鈍化，出現(xiàn)多角形和近圓形，較均勻的分布在合金基體中，共晶硅大多數(shù)為蠕蟲狀與細(xì)短桿狀.合金通過(guò)P-RE復(fù)合變質(zhì)后進(jìn)行第1～4次重熔的金相組織見圖3(b)～(e)所示.從圖中可明顯看出，經(jīng)過(guò)第1次重熔(見圖3(b)所示)后合金中的初晶硅尺寸仍較小，平均為30 μm左右，其形貌多數(shù)為多角形；共晶硅形貌大多呈蠕蟲狀組織.合金隨著重熔次數(shù)(見圖3(c)～(e))的不斷增加，初晶硅形貌沒(méi)有出現(xiàn)明顯變化，仍為多角形和近圓形，但其尺寸逐步長(zhǎng)大.當(dāng)重熔次數(shù)達(dá)到4次時(shí)，合金中的初晶硅組織相對(duì)粗大，平均尺寸到達(dá)50 μm左右，共晶硅組織隨著重熔次數(shù)的增加，蠕蟲狀組織逐漸較少，針狀與桿狀組織開始增多并不斷長(zhǎng)大.

從圖3中進(jìn)行綜合分析可知，由于P與RE同時(shí)對(duì)合金中的初晶硅產(chǎn)生變質(zhì)作用，而初晶硅的生長(zhǎng)依附在AlP異質(zhì)晶核上，加之RE元素能有效改善硅晶體固液界面能，從而有效抑制硅的生長(zhǎng)，雖然在重熔過(guò)程中，AlP異質(zhì)晶核不斷偏聚，但由于有RE元素的存在，仍能更好地控制其生長(zhǎng)，達(dá)到良好的細(xì)化變質(zhì)效果.由于RE元素對(duì)共晶硅也有一定的變質(zhì)細(xì)化作用，因此，在重熔過(guò)程中，其形貌大多以蠕蟲狀組織存在，隨著重熔次數(shù)的增加，其尺寸逐漸聚集長(zhǎng)大成長(zhǎng)桿狀.

2.1.4不同重熔次數(shù)對(duì)P-RE-Sr復(fù)合變質(zhì)A390合金組織的演變

經(jīng)過(guò)P-RE-Sr變質(zhì)處理的A390合金采用見表2方案4所示工藝重熔，所得到的金相組織見圖4所示.

(a) 未重熔

(b) 1次重熔60 min

(c) 2次重熔60 min

(d) 3次重熔60 min

(e) 4次重熔60 min圖4　不同重熔次數(shù)對(duì)P-RE-Sr變質(zhì)A390合金的金相組織

圖4(a)所示為P-RE-Sr變質(zhì)后的未重熔組織，從圖中可清楚的觀察出，初晶硅尺寸非常細(xì)小，其平均尺寸為20 μm左右，且棱角鈍化，大多數(shù)呈近圓形和多角形，并呈均勻分散分布；共晶硅大多數(shù)為細(xì)小顆粒狀組織.合金在經(jīng)過(guò)P-RE-Sr復(fù)合變質(zhì)后進(jìn)行第1～4次重熔的金相組織見圖4(b)～(e)所示.從圖中可看出，當(dāng)合金經(jīng)過(guò)第1-3次重熔(見圖4(b)～(d)所示)后合金中的初晶硅尺寸均較小，平均為25μm左右，其形貌多數(shù)為近圓形，個(gè)別區(qū)域出現(xiàn)初晶硅偏聚長(zhǎng)大現(xiàn)象；當(dāng)重熔次數(shù)為4次(見圖4(e)所示)時(shí)，初晶硅尺寸發(fā)生明顯長(zhǎng)大，其平均尺寸變?yōu)?5 μm左右；而共晶硅組織隨著重熔次數(shù)的增加，其形貌大多呈蠕蟲狀組織，其間分布這一部分細(xì)長(zhǎng)的針狀組織.

從圖4中可看出，當(dāng)重熔次數(shù)在3次以下時(shí)，合金的重熔金相組織中初晶硅尺寸與變質(zhì)時(shí)的相比略有增大，共晶硅組織略有粗化，其尺寸均小于其他二元變質(zhì)劑的重熔效果.這主要是由于P-RE-Sr三元變質(zhì)劑同時(shí)起到變質(zhì)效果，首先添加P與RE，使P先與Al形成高熔點(diǎn)穩(wěn)定的化合物，不會(huì)與后添加的Sr發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而對(duì)合金中的初晶硅與共晶硅進(jìn)行雙重變質(zhì)，達(dá)到較為理想的變質(zhì)效果.隨著重熔次數(shù)的增多，P、RE、Sr三種變質(zhì)元素的含量勢(shì)必將隨之燒損減少，從而失去對(duì)初晶硅與共晶硅的變質(zhì)作用，使之粗化.

2.2　重熔次數(shù)對(duì)不同P、RE、Sr復(fù)合變質(zhì)A390合金組織中初晶硅尺寸的影響

不同重次數(shù)對(duì)不同變質(zhì)劑變質(zhì)A390合金中初晶硅尺寸變化見下圖5所示.

重熔次數(shù)圖5　不同重次數(shù)對(duì)不同變質(zhì)劑變質(zhì)A390合金中初晶硅尺寸變化圖

從圖5中可看出，RE-Sr、Sr-P、P-RE與P-RE-Sr四種不同復(fù)合變質(zhì)工藝在重熔過(guò)程中，初晶硅的尺寸隨重熔次數(shù)的增加而增大.重熔次數(shù)越多，合金中的初晶硅變質(zhì)效果越差.P-RE-Sr復(fù)合變質(zhì)時(shí)，合金中的初晶硅尺寸長(zhǎng)大趨勢(shì)最小，而RE-Sr變質(zhì)合金中的初晶硅尺寸長(zhǎng)大趨勢(shì)最大，Sr-P、P-RE二元復(fù)合變質(zhì)重熔效果次之.可見，經(jīng)過(guò)P-RE-Sr復(fù)合變質(zhì)的A390合金在重熔次數(shù)不超過(guò)2次時(shí)，初晶硅的尺寸仍相對(duì)較小，依然保持著良好的變質(zhì)效果.因此，在A390合金的實(shí)際熔鑄生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)于熔鑄棒料頭、廢料(廢品)的回爐重熔利用時(shí)，其重熔次數(shù)不易過(guò)多，若重熔次數(shù)超過(guò)2次，應(yīng)及時(shí)添加相應(yīng)燒損的變質(zhì)劑含量.

3結(jié)論

(1) RE-Sr、Sr-P、P-RE與P-RE-Sr四種復(fù)合變質(zhì)工藝在重熔過(guò)程中，初晶硅的尺寸均隨著重熔次數(shù)的增加而增大.重熔次數(shù)越多，合金中的初晶硅重熔變質(zhì)效果越差.

(2) P、RE與Sr復(fù)合變質(zhì)時(shí)，在相同的重熔次數(shù)條件下，三元變質(zhì)劑變質(zhì)后合金中的初晶硅尺寸最小.

(3) 當(dāng)合金重熔次數(shù)小于2次時(shí)，初晶硅變質(zhì)重熔效果較好，若重熔次數(shù)較多時(shí)，其合金中的初晶硅變質(zhì)效果逐漸消失，因此應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充燒損的變質(zhì)劑.

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Effect of Remelting on the Microstructure of P-RE-Sr A390

Alloy with P-RE-Sr Composite Modifier and Modification

JIANG Feng1，SUO Zhong-yuan1,LiU Hai-tao2,WANG Xin1，ZHANG Zhi-hao，WANG Zhe1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Jilin Institute of Chemical Technology，Jilin city 132022，China；2.Linyi Sales Department of Shandong branch of chemical sales in North China.PetroChina Company Limited.Linyi city 276000，China)

Abstract:The effects of the microstructure of the A390 aluminum alloy with the different compound modification on the different times of the remelting was investigated in the paper.The results show that the size of primary silicon is smallest on the same times of the remelting with the P-RE-Sr composite modifier and modification；When the remelting times is no more than 2 times,Most of The primary silicons morphology are smooth and uniform-distribution in the alloy；The primary silicon size is bigger with remelt times increasing.

Key words:compound modification；hypereutectic aluminum alloy；remelting times；primary silicon size

文章編號(hào)：1007-2853(2015)11-0069-04

作者簡(jiǎn)介：周志成(1980-)，男，吉林省吉林市人，吉林化工學(xué)院實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、信息安全方面的研究.

收稿日期：2015-06-23

中圖分類號(hào)：TG 146.21

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.16039/j.cnki.cn22-1249.2015.11.016