半固態(tài)加熱對熔體混合后鋁硅合金組織的影響

吳斐斐，孫虎，高袆鑫，余加興，王雪誠

（江蘇省宿遷學院材料工程系，江蘇宿遷223800）

半固態(tài)加熱對熔體混合后鋁硅合金組織的影響

吳斐斐，孫虎，高袆鑫，余加興，王雪誠

（江蘇省宿遷學院材料工程系，江蘇宿遷223800）

通過對熔體混合后的高硅鋁合金進行半固態(tài)加熱處理，采用金相分析等手段對半固態(tài)加熱后Al-20%Si合金組織演變規(guī)律進行研究。試驗表明：半固態(tài)加熱后的組織依賴于原始組織，熔體混合后得到的均勻細小的組織再進行半固態(tài)加熱后容易球化。在590℃下進行5min循環(huán)加熱3次可以獲得細小、近球形組織。

高硅鋁合金；初生硅；熔體混合；半固態(tài)加熱

0 前言

高硅鋁合金具有優(yōu)良的耐磨性能和力學性能，是代替鋼材制備汽車活塞和各種機械部件的理想材料。但是高硅鋁合金中含有大量的粗大不規(guī)則初生硅顆粒，會使合金的力學性能大大降低。而當初生硅的硬質(zhì)點較大時，會嚴重降低合金的切削性能，限制合金的應(yīng)用范圍[1～3]。為了使過共晶鋁硅合金有更好的力學性能和切削性能，初生硅細化和球化是重要的研究課題[4]。熔體混合利用液態(tài)金屬瞬間過冷促進形核進而細化初生硅，并通過半固態(tài)加熱球化初生硅顆粒，以探求一種效果顯著、適合工業(yè)生產(chǎn)的高硅鋁合金半固態(tài)成形方法[5～8]。

1 實驗方法

實驗用材料為硅含量為20%的過共晶鋁硅二元合金。將Al-7%Si合金和Al-25%Si合金按1∶2.6的質(zhì)量比，分別在石墨坩堝中加熱至680℃、1000℃。待合金完全熔化后將兩種合金混合，并用攪拌棒快速攪拌使其均勻混合，隨后將熔體澆入銅模中。

將澆注完成的試樣切割成?15mm×10mm的小塊，置于陶瓷坩堝中后，放入箱式電阻爐內(nèi)，進行半固態(tài)加熱。半固態(tài)加熱后，經(jīng)磨平拋光，用0.5%HF腐蝕后，在雙目倒置金相顯微鏡4XBII下進行金相觀察，并利用Image Pro金相分析軟件進行分析。

2 實驗結(jié)果

2.1 熔體混合后的合金組織

將Al-7%Si加熱至595℃保溫20 min，與加熱至1000℃保溫20 min的Al-25%Si混合，得到Al-20%Si合金，其金相組織如圖1所示。

圖1 熔體混合后的Al-20%Si合金組織

熔體混合技術(shù)是將一定過熱度的熔體與另一相對溫度較低的熔體進行混合，利用較低溫熔體的冷卻作用促使高溫熔體快速形核，并抑制晶粒長大，從而獲得細晶的方法。從圖1可見，熔體混合后雖然初生硅的尺寸得到明顯的細化，形態(tài)多為不規(guī)則多邊形狀，其平均直徑在45μm左右，但其尖銳的棱角依然存在，這種棱角引起的應(yīng)力集中容易誘發(fā)裂紋。這種尖銳的棱角有待于后續(xù)的半固態(tài)加熱進行消除。

2.2 半固態(tài)加熱熔體混合后的合金

根據(jù)Al-Si相圖分析，Al-20%Si合金的液相線溫度為684℃，固相線溫度為577℃。試驗中半固態(tài)加熱取590℃、600℃及610℃這三個溫度進行，此時合金處于液固兩相區(qū)。

為了增強初生硅相球化效果，對Al-20%Si合金進行循環(huán)加熱處理，利用多次循環(huán)加熱冷卻過程，使初生硅相充分球化。圖2是溫度在590℃、600℃、610℃時半固態(tài)加熱，保溫時間均為5min，循環(huán)加熱3次后所得到的Al-20%Si合金金相圖。

從圖2（a）中可見初生硅組織的形態(tài)較熔體混合后的組織有所改善，初生硅的棱角有一定的鈍化，但是并不是十分明顯。同時注意到合金組織中出現(xiàn)了初生硅顆粒搭接、凝并長大的現(xiàn)象，這也致使初生硅平均直徑較加熱前有所長大，利用金相分析軟件測得此時的初生硅平均直徑為51μm。圖2（b）為半固態(tài)加熱溫度控制在600℃下得到的顯微組織，部分初生硅有一定長大，其形態(tài)呈近球形、橢圓形，分布均勻，難以觀察到具有尖銳的棱角的初生硅相。圖2（c）為半固態(tài)加熱溫度控制在610℃下得到的顯微組織，初生硅進一步球化，初生硅粗大呈近球形，經(jīng)金相分析軟件測得此時初生硅的形狀因子為0.78，但初生硅相互之間的搭接、凝并現(xiàn)象更明顯。

圖2 不同半固態(tài)加熱溫度下的合金組織

在半固態(tài)加熱時，初生硅相的長大及溶解符合Gibbs-Thompson效應(yīng)，即

初生硅的棱角處的曲率半徑較小，因此其溶解度高，最終棱角逐漸被熔化消失，凹凸表面趨于平整，形成近似球狀的粒狀組織。但隨著半固態(tài)加熱溫度提高，初生硅尺寸也趨于變大，這是因為奧斯瓦爾德熟化以及部分顆粒凝并長大。

在熔體混合后的合金組織細化的基礎(chǔ)上進行半固態(tài)加熱，使初生硅的形態(tài)得到了進一步的改善，初生硅不僅細化而且趨于球化。同時半固態(tài)加熱的球化效果相當?shù)囊蕾囉谠冀M織的大小，因此熔體混合也是關(guān)鍵的一環(huán)。將熔體處理技術(shù)與半固態(tài)成形中的二次加熱技術(shù)相結(jié)合，是對初生硅控制技術(shù)的一種有效的試驗嘗試。

3 結(jié)論

（1）熔體混合技術(shù)能較好地將初生硅顆粒細化，但其形態(tài)較差，有尖銳的棱角存在。

（2）通過半固態(tài)加熱可有效球化初生硅顆粒，在610℃保溫5min循環(huán)加熱3次，可以獲得良好的合金組織。

[1]金燕鳴.過共晶型鋁-硅合金研究的進展[J].輕合金加工技術(shù)，1996，24（2)：26-30

[2]潘志軍，黎文獻，馬正青，等.高強鋁合金的研究現(xiàn)狀及展望[J].鋁加工，2001，04:39-41

[3]邱慶榮，孫寶德，周堯和.鋁合金鑄件在汽車上的應(yīng)用[J].鑄造，1998，（1)：46-49

[4]田戰(zhàn)峰，徐駿，張志峰，等.金屬半固態(tài)漿料制備技術(shù)研究進展[J].材料導報，2005，12:1-4

[5]李元東，楊建，馬穎，等.澆注溫度對自孕育鑄造法制備AM60鎂合金半固態(tài)漿料的影響(Ⅰ)[J].中國有色金屬學報，2010，06:1046-1052

[6]李元東，楊建，馬穎，等.自孕育劑參數(shù)對自孕育鑄造法制備AM60鎂合金半固態(tài)漿料的影響(Ⅱ)[J].中國有色金屬學報，2010，11:2178-2186

[7]李元東，邢博，馬穎，等.導流器對自孕育鑄造法制備AM60鎂合金半固態(tài)漿料的影響(Ⅲ)[J].中國有色金屬學報，2012，01:22-32

[8]李海鳳，吳偉，李艷霞，等.熔體混合法制備Al-22%Si合金的組織和性能研究[J].北華航天工業(yè)學院學報，2015，05:8-11

Effect of Semi-solid State Heating on Microstructure of High-silicon Al Alloy Melt

WU Fei-fei,SUN Hu,GAO Hui-xin，YU Jia-xing,WANG Xue-cheng
(Department of Materials Engineering,Jiangsu Suqian College,Suqian 223800,China)

Microstructure evolution rule of Al-20%Si alloy was researched using metallographical method etc..The results show that microstructure of semi-solid state after heating depend on original microstructure,uniform and fine microstructure obtained after mixing of melt would nodulized after heating.Fine and near-spherical microstructure can be obtained by 3 times of cyclic heating at 590℃for 5 min.

high-silicon aluminum alloy;primary silicon;melt mixing;semi-solid state heating

TG146.21，TG292

A

1005-4898(2017)03-0009-03

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.03.02

江蘇省高校自然基金項目（15KJD430001）；江蘇省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201614160024X）。

吳斐斐（1995-），男，江蘇南通人，在讀本科生。

2016－12－03