不同Sr加入量對(duì)Al-Si合金組織的影響

姜　珊，趙忠興，張顯飛，孫金根

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159)

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不同Sr加入量對(duì)Al-Si合金組織的影響

姜珊，趙忠興，張顯飛，孫金根

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110159)

摘要：研究不同Sr添加量對(duì)Al-Si合金組織的影響，以含硅7%、9%、12%的Al-Si合金為研究對(duì)象，分別加入0.01%、0.03%、0.05% Sr變質(zhì)劑，利用熱分析法和金相組織觀察研究了不同Sr添加量對(duì)幾種合金組織的影響。結(jié)果表明，近共晶含硅12%的鋁硅合金隨Sr添加量的增加，共晶硅細(xì)化越來越顯著，共晶平臺(tái)溫度遞減。對(duì)于含Si7%、9%的Al-Si合金，加Sr后共晶組織明顯細(xì)化，共晶平臺(tái)下降幅度較大，ΔTEG值較大。

關(guān)鍵詞：鋁硅合金；Sr變質(zhì)；顯微組織；熱分析

鋁硅合金由于具有密度低、比強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨耐蝕性能好等優(yōu)點(diǎn)，因而在航空、航天、汽車以及機(jī)械等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。但是隨著硅含量的增加，針狀以及粗片狀的硅相嚴(yán)重影響了合金的力學(xué)性能，這在一定程度上限制了鋁硅合金的廣泛應(yīng)用[1]。變質(zhì)處理能有效改善合金組織，提高鋁硅合金的力學(xué)性能[2-3]。Sr對(duì)共晶和亞共晶Al-Si合金有較好的變質(zhì)作用，且具有長效性，重熔性好，不腐蝕爐襯，不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。因而，鍶變質(zhì)處理在近些年來得到迅猛發(fā)展[4]。對(duì)于變質(zhì)效果的爐前檢測(cè)，熱分析法因其快速、方便、準(zhǔn)確等特點(diǎn)已被越來越廣泛的應(yīng)用[5]。評(píng)價(jià)鋁硅合金變質(zhì)效果的熱分析參數(shù)有多種，目前國內(nèi)外對(duì)鋁合金共晶變質(zhì)的熱分析研究主要是用變質(zhì)前后共晶溫度的差值ΔTEG作為熱分析判據(jù)，此判據(jù)對(duì)測(cè)量精度的依賴性相對(duì)較小，準(zhǔn)確度很高，通過采集未變質(zhì)合金和變質(zhì)合金的冷卻曲線即可確定ΔTEG。本試驗(yàn)以ΔTEG作為檢測(cè)合金變質(zhì)效果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

目前對(duì)變質(zhì)劑Sr添加量的不同在鋁硅合金組織上產(chǎn)生的影響研究較少，關(guān)于鋁合金中不同Si含量對(duì)Sr變質(zhì)效果的影響更有待深入研究。本文以Al-10%Sr中間合金作為變質(zhì)劑，利用自主研發(fā)的熱分析儀，采集合金冷卻曲線，觀察其共晶平臺(tái)溫度差值，并結(jié)合金相組織形貌，研究添加不同含量的Sr變質(zhì)劑對(duì)含硅量分別為7%、9%、12%的Al-Si合金組織產(chǎn)生的影響，同時(shí)探討合金中硅含量對(duì)Sr變質(zhì)效果的影響。力求尋找最合適的鋁硅合金變質(zhì)工藝方案。

1試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)合金

試驗(yàn)原料為99.9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的純鋁、Al-12%Si中間合金、Al-50%Cu中間合金、Al-10%Mn中間合金、Al-5%Ti中間合金、純Mg，變質(zhì)劑Sr以Al-10%Sr中間合金的形式加入。將各原料按所需含量配制熔化，化學(xué)成分如表1所示。

表1　鋁合金化學(xué)成分　%

1.2試驗(yàn)工藝

將已經(jīng)配制好的合金放入7.5kW電阻坩堝中，進(jìn)行熔化。將熔化溫度設(shè)定為750℃。變質(zhì)劑加入溫度740℃，每種合金加變質(zhì)劑Sr量為0、0.01%、0.03%、0.05%，保溫時(shí)間1h。試樣澆注溫度控制在710℃左右，以勻速澆注到已預(yù)熱好的專用樣杯中。利用自主研發(fā)的SGJ-II型熱分析儀，采集合金在樣杯中的溫度隨時(shí)間變化的冷卻曲線。金相分析樣品取自澆注的熱分析試樣底部。將截取好的試樣進(jìn)行磨制、拋光后用0.5%HF水溶液腐蝕，利用蔡司Axiovert200 MAT金相顯微鏡進(jìn)行金相組織觀察，并對(duì)照熱分析曲線分析變質(zhì)效果。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1Sr變質(zhì)對(duì)冷卻曲線的影響

圖1、圖2、圖3為熱分析儀自動(dòng)實(shí)測(cè)未變質(zhì)處理及變質(zhì)后各合金的冷卻曲線。變質(zhì)劑Sr加入量分別為0、0.01%、0.03%、0.05%。圖4為合金中Sr加入量與ΔTEG的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

大量研究表明變質(zhì)劑的加入使Al-Si合金共晶溫度降低，變質(zhì)前后共晶溫度的差值ΔTEG可以用來評(píng)價(jià)變質(zhì)效果的好壞[6]，ΔTEG也稱為共晶過冷度。由圖1可知，含Si 7%的合金中，加Sr后共晶平臺(tái)下降，共晶生長溫度降低。加0.01% Sr時(shí)ΔTEG為4.1℃；加0.03% Sr時(shí)共晶過冷度繼續(xù)增大；但加入0.05% Sr時(shí)共晶溫度反彈，共晶平臺(tái)沒有繼續(xù)下降。含硅7%的合金中共晶硅析出有限，當(dāng)加入0.03% Sr時(shí)共晶硅基本全部析出，結(jié)晶潛熱釋放完全，ΔTEG增大如圖4所示。當(dāng)繼續(xù)增加Sr含量時(shí)，共晶硅沒有更多析出，結(jié)晶潛熱的釋放沒有更多，因此共晶溫度沒有繼續(xù)降低，ΔTEG沒有增大，而是穩(wěn)定在某個(gè)值附近。如圖2含9% Si合金加Sr后共晶平臺(tái)顯著下降，ΔTEG達(dá)到8.9℃，之后加大Sr量，共晶平臺(tái)沒有繼續(xù)大幅度下降，反而比加0.01% Sr時(shí)有所回升。如圖3所示，對(duì)于近共晶成分含硅12%的鋁硅合金隨Sr加入量增多，共晶平臺(tái)逐漸下降，ΔTEG越來越大，可見變質(zhì)效果越來越好。

圖1　含Si 7%的鋁硅合金加Sr變質(zhì)前后的冷卻曲線

加入相同含量的Sr變質(zhì)劑，對(duì)于Si含量較多的合金，析出共晶硅自然更多，結(jié)晶潛熱的釋放更多，共晶過冷度更大。由于試驗(yàn)存在誤差，含Si 12%的Al-Si合金在加入0.01% Sr時(shí)ΔTEG較小，出現(xiàn)誤差。但整體趨勢(shì)可知，隨Sr加入量增多，共晶生長溫度穩(wěn)步降低。

圖2　含Si 9%的鋁硅合金加Sr變質(zhì)前后的冷卻曲線

圖3　含Si 12%的鋁硅合金加Sr變質(zhì)前后的冷卻曲線

圖4含Si 7%、9%、12%的合金中Sr加入量與ΔTEG的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.2Sr變質(zhì)對(duì)合金顯微組織的影響

圖5為不同成分的鋁硅合金中未加變質(zhì)劑及分別加入0.01%、0.03%、0.05% Sr變質(zhì)劑后合金的顯微組織。由圖5可看出，在未變質(zhì)的情況下，含硅7%、9%、12%的鋁硅合金中Si相呈粗大針狀及板片狀，并有少量塊狀初生Si。合金中Cu、Mg元素生成Mg2Si和Al2Cu相，同時(shí)還有W相(AlxCu4Mg5Si4)。其中，近共晶成分含硅12%的合金中由于硅含量較高，共晶組織粗大且較多，并有多角形塊狀初晶硅出現(xiàn)，鋁枝晶被嚴(yán)重割裂。含硅7%、9%的合金中均有較粗大的鋁枝晶。加Sr變質(zhì)后，鋁相得到細(xì)化變?yōu)闃渲?。硅相由針、片狀轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維狀或棒狀。

(a)(120)Si7%無Sr

(b)(121)0.01%Sr

(c)(122)0.03%Sr

(e)(130)Si9%無Sr

(f)(131)0.01%Sr

(g)(132)0.03%Sr

(h)(133)0.05%Sr

(i)(140)Si12%無Sr

(j)(141)0.01%Sr

(k) (142)0.03%Sr

(l)(143)0.05%Sr

對(duì)于含硅7%的合金組織，當(dāng)加入0.01% Sr時(shí)共晶硅形貌明顯變化，部分硅相由針狀轉(zhuǎn)變?yōu)槎汤w維狀，但仍有相當(dāng)數(shù)量的細(xì)針狀硅相。隨著Sr含量繼續(xù)增加，當(dāng)加入0.03% Sr和0.05% Sr時(shí)共晶硅繼續(xù)向纖維狀轉(zhuǎn)變，并出現(xiàn)顆粒狀，變質(zhì)完全。熱分析法也檢測(cè)到加入變質(zhì)劑后，共晶生長溫度明顯下降，見圖1。

含硅9%的合金組織，當(dāng)加入0.01% Sr時(shí)，鋁枝晶和硅相都開始細(xì)化。部分硅相變?yōu)槔w維狀，少部分為針狀。枝晶變質(zhì)前形態(tài)和位向都比較零亂，當(dāng)加Sr后枝晶?；傻容S晶。加入0.03% Sr后，共晶硅變短呈顆粒狀，鋁枝晶進(jìn)一步細(xì)化。此時(shí)變質(zhì)效果良好。加入0.05%Sr后，共晶硅長度卻有所增加，鋁枝晶開始粗化。共晶平臺(tái)沒有繼續(xù)下降。可見，對(duì)于含Si 9%的Al-Si合金加0.03% Sr時(shí)變質(zhì)效果較好。

含硅12%的合金加入0.01% Sr時(shí)共晶硅細(xì)化為纖維狀，隨著Sr的添加量逐漸增大，纖維狀共晶硅越來越細(xì)小，同時(shí)也有顆粒狀呈現(xiàn)。由金相圖可知，當(dāng)Sr加入0.05%時(shí)變質(zhì)效果最好，獲得完全變質(zhì)組織，共晶硅轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小顆粒狀。此時(shí)熱分析特征值ΔTEG最大。由此可見，近共晶成分的Al-Si合金隨著Sr加入量的增多變質(zhì)效果越來越好。但有研究表明合金中加入過多的Sr也會(huì)帶來不利影響，Sr加入量越多，合金吸氫越嚴(yán)重，導(dǎo)致合金產(chǎn)生針孔傾向增大，同時(shí)合金中生成鍶化物，這些都會(huì)使合金塑性降低[7]。因此，在保證合金充分變質(zhì)的前提下，Sr的加入量要盡可能小，加0.05% Sr對(duì)于含Si 12%的合金較適宜。

關(guān)于Sr變質(zhì)的機(jī)理問題到目前為止仍有較多爭論，主要有TPRE機(jī)制、Zigzag孿晶生長模型、雜質(zhì)誘導(dǎo)孿晶理論等[8]。其中TPRE機(jī)制更為人們所接受。向鋁硅合金中加入Sr后，由于Sr在α-Al中溶解度很低，Sr原子吸附在共晶硅片的固有臺(tái)階上，當(dāng)達(dá)到一定濃度時(shí)，將阻礙Si以臺(tái)階生長機(jī)制長成片狀，系統(tǒng)會(huì)過冷到足以克服這一障礙的溫度，直至產(chǎn)生硅晶體生長的另一有利機(jī)制TPRE[9]。這就導(dǎo)致共晶過冷度增大[10]。Sr原子在Si相表面的吸附改變了Si原子的堆積次序，孿晶晶界能降低，從而在Si晶體中造成大量孿晶的產(chǎn)生，共晶Si轉(zhuǎn)而以孿晶凹角機(jī)制生長。隨著Sr含量的逐步增加，共晶Si以孿晶生長的比例也隨之增加，Si生長取向不斷變化，生長分支，形成纖維狀的共晶硅組織[8]。

由本次試驗(yàn)結(jié)果可知，Sr變質(zhì)劑的加入量存在一個(gè)最佳范圍，對(duì)于Si含量不同的合金，Sr的變質(zhì)效果存在差異。通常來說，對(duì)于亞共晶及共晶鋁硅合金，當(dāng)加入0.01% Sr變質(zhì)劑時(shí)，共晶硅會(huì)明顯變化，但不完全，部分仍為針狀、片狀共晶硅，這是因?yàn)镾r添加量不夠，發(fā)生不完全變質(zhì)。加入0.03%Sr可以達(dá)到良好的變質(zhì)效果，能夠細(xì)化共晶硅，使其由板片狀或針、片狀轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維狀或顆粒狀。熱分析儀得到的熱分析參數(shù)也進(jìn)一步證實(shí)了隨Sr加入量的不同共晶平臺(tái)的降低不同。

2.3合金中硅含量對(duì)Sr變質(zhì)的影響

由金相圖可知，含硅7%、9%、12%的Al-Si合金對(duì)Sr變質(zhì)的敏感度不完全相同。含硅量少的7%Al-Si合金中共晶體也相對(duì)較少，硅相呈針、片狀，加0.05% Sr變質(zhì)效果較好，能夠充分變質(zhì)。但對(duì)于硅含量9%Al-Si合金，若達(dá)到以上變質(zhì)效果需加0.03% Sr，當(dāng)加入0.05% Sr時(shí)，出現(xiàn)過變質(zhì)現(xiàn)象。接近共晶成分的含硅12%的Al-Si合金隨著Sr加入量升高變質(zhì)效果越來越好，當(dāng)加入0.05% Sr時(shí)，變質(zhì)完全。

可見，對(duì)于含硅7%～12%的亞共晶及共晶Al-Si合金，在加入相同含量Sr時(shí)，Si含量越多的合金變質(zhì)效果越明顯。

3結(jié)論

(1)對(duì)于近共晶鋁硅合金，隨Sr量不斷增加，共晶硅由針片狀逐漸細(xì)化為纖維狀或顆粒狀。熱分析特征參數(shù)ΔTEG與變質(zhì)效果有密切關(guān)系，其逐漸增加也證實(shí)了變質(zhì)效果越來越好。

(2)對(duì)于含Si 7%、9%的合金，加Sr后組織

細(xì)化顯著，共晶溫度下降幅度較大。但對(duì)金相形貌及熱分析特征參數(shù)ΔTEG進(jìn)行分析可知，當(dāng)加入0.05% Sr時(shí)發(fā)生過變質(zhì)，共晶溫度之差ΔTEG減小，加0.03% Sr時(shí)變質(zhì)效果最佳。

(3)利用變質(zhì)前后共晶生長溫度之差作為熱分析特征值可有效判斷變質(zhì)效果。

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(責(zé)任編輯：馬金發(fā))

Effects of Sr Addition on Microstructures of Al-Si Alloys

JIANG Shan,ZHAO Zhongxing,ZHANG Xianfei,SUN Jingen

(Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China)

Abstract：The effects of different Sr addition on the organization of Al-Si alloy is studied,silicon 7%,9% and 12% of Al-Si alloys are targeted,which are added with 0.01%,0.03%,0.05% Sr modificator.Using the thermal analysis and optical microscopy the effect of different Sr addition on several alloy is studied.The results showed that nearly 12% of silicon eutectic aluminum-silicon alloy increases the added amount of Sr and,eutectic silicon refinement is more and more significant,the eutectic temperature decreases.For Al-Si alloy containing Si7%,9% of it,after adding Sr eutectic obviously refined ,eutectic platform decreased greatly,ΔTEGwas larger.

Key words：Al-Si alloy;strontium modification;microstructure;thermal analysis

中圖分類號(hào)：TG456.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1003-1251(2016)02-0100-04

作者簡介：姜珊(1990—)，女，碩士研究生；通訊作者：趙忠興(1963—)，男，教授，博士，研究方向： 鋁液凈化及檢測(cè)等。

收稿日期：2015-06-11