超聲熔體處理對(duì)鋁硅合金組織及性能的影響

秦新鋒+王建東+郭巧琴+李全林

【摘 要】本研究對(duì)Al-20%Si 合金進(jìn)行超聲熔體處理，研究超聲功率大小和超聲處理時(shí)間對(duì)熔體中初生硅和共晶硅的影響規(guī)律，以及顯微硬度的變化。研究發(fā)現(xiàn)：在720℃進(jìn)行超聲波處理，隨著超聲功率的增大，初生硅的尺寸均是先減小后增大，同時(shí)合金的顯微硬度隨著初生硅晶粒尺寸的減小而增大。在1150W超聲處理40s時(shí)，初生硅的尺寸最小為12.8955μm，合金維氏顯微硬度達(dá)到最大為91.5HV。

【關(guān)鍵詞】鋁硅合金；超聲熔體處理；顯微結(jié)構(gòu)；顯微硬度

中圖分類號(hào)： TG292 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2017）35-0011-002

Effects of Supersonic Melt Treatment on Microstructure and Properties of the Al-Si Alloys

QIN Xin-feng1 WANG Jian-dong2 GUO Qiao-qin3 LI Quan-Lin4

（1.Representative Office in State-owned 616 Factory， PLA， Datong Shanxihui 237011，China；

2.Xian Military Representative Office， PLA， Xian Shaanxi 710032， China；

3.School of Materials & Chemical Engineering， Xian Technological University， Xian Shaanxi 710032， China； 4.Sate-owned 616 Factory， Datong Shanxi 035000， China）

【Abstract】Effects of supersonic power and melt treat times on the microstructure and microhardness of Al-20Si alloys were investigated through supersonic melt treatment. It was found that primary silicon size was decreased with the increase of supersonic powers at 720℃. Meanwhile， the microhardness was increased with the decrease of primary silicon size. The minimμm size of primary silicon was 12.8955 μm and the maxim microhardness of Al-20Si alloy was 91.5Hv when the supersonic power was 1150 W and the melt treat times were 40 seconds.

【Key words】Al-Si Alloy；Supersonic Melt Treatment；Microstructure；Microhardness

0 前言

Al-Si合金為典型的二元共晶組織，共晶點(diǎn)為12.6%，共晶溫度為 577℃。室溫下只有α（Al）和β（Si）兩種相，α（Al）相是Si溶于Al的固溶體，其性能和純鋁相似，Si的最大溶解度是1.65%，室溫時(shí)只有0.05%；β（Si）相是Al溶于Si的固溶體，性能和純硅相似。共晶成分在Si12.6%處，亞共晶合金組織由α（Al）+共晶體（α+β）所組成，過(guò)共晶合金的組織由β（Si）+共晶體（α+β）所組成[1-3]。當(dāng)Si含量在1.65%-12.6%之間時(shí)，結(jié)晶過(guò)程中先析出α相，到577℃時(shí)，析出（a+β）共晶體。通常把共晶體1中的β相稱為共晶Si，它在鑄態(tài)下，若不經(jīng)變質(zhì)處理，呈粗大的片狀；共晶和過(guò)共晶成分的合金組織中出現(xiàn)的初晶β相稱為初晶Si，它在鑄態(tài)下，若不經(jīng)變質(zhì)處理，呈粗大的多角形塊狀或板狀[4-5]。粗大的塊狀初生Si嚴(yán)重影響Al-Si合金的力學(xué)性能，特別是疲勞性能[6-7]。

通過(guò)對(duì)合金成分、冷卻速度、凝固時(shí)加外場(chǎng)作用等因素的調(diào)節(jié)可控制初生相的形貌、尺寸[3-8]。超聲波是頻率高于 20000 Hz 的聲波，它具有穿透能力強(qiáng)、方向性好、易于集中等優(yōu)點(diǎn)[4-8]。超聲波在液體中傳播時(shí)，與介質(zhì)之間發(fā)生相互作用，使介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生相應(yīng)的變化，從而產(chǎn)生一系列物理和化學(xué)等方面的的變化，稱之為超聲效應(yīng)。超聲波攪拌法是一種新型的金屬半固態(tài)制備方法，超聲能量的大小及作用時(shí)間將對(duì)共晶合金初生相的析出產(chǎn)生重要影響。

因此，本研究在Al-20%Si合金熔體中施加超聲場(chǎng)，研究超聲場(chǎng)的功率大小及作用時(shí)間對(duì)Al-20Si初生相的析出行為影響，及其顯微硬度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

試驗(yàn)合金以20%Si質(zhì)量配比，在高頻坩堝爐中進(jìn)行熔煉Al-20Si合金，采用磷鹽進(jìn)行變質(zhì)，C2Cl6進(jìn)行除氣。在720℃條件下，分別在900 W、1200 W和1500 W超聲功率下進(jìn)行超聲熔體處理40S、60S、80S后，澆鑄成Ф30 mm的圓棒。采用光學(xué)金相顯微鏡觀察合金顯微組織，用402MVDTM數(shù)顯維氏顯微硬度計(jì)測(cè)量合金的顯微硬度，采用200gf載荷，保載10秒。并通過(guò)連續(xù)的金相照片統(tǒng)計(jì)分析初生硅的尺寸，使用Image-Pro Plus軟件測(cè)量其面積，并求平均值及單個(gè)初生硅的平均直徑尺寸d。

d=2

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲處理對(duì)鋁硅合金組織的影響

未經(jīng)超聲熔體處理的Al-20Si合金凝固組織如圖1所示?？梢钥闯?，初生硅成大片的板塊狀且分布較為集中不均勻，樹(shù)枝狀的共晶硅粗大且分布混亂。endprint

超聲功率為900W時(shí)不同處理時(shí)間下的金相組織如圖2所示?？梢悦黠@看出經(jīng)過(guò)900W功率下超聲處理的組織初生硅得到細(xì)化，塊狀初生硅尖角鈍化，圓整程度逐漸增加，尺寸統(tǒng)一變小，且分布的更加均勻，樹(shù)枝狀的共晶硅組織也有碎化的現(xiàn)象。

超聲功率為1200W時(shí)不同處理時(shí)間下的金相組織如圖3所示。可以明顯看出經(jīng)過(guò)1200W功率下超聲處理的組織初生硅得到細(xì)化，塊狀初生硅尖角鈍化，圓整程度逐漸增加。圖（a）中初生硅較少且尺寸，相比圖（b）和圖（c）也是最小的，圖（b）和圖（c）中初生硅的尺寸大小相差不明顯，而且60s時(shí)初生硅的晶粒個(gè)數(shù)較多，80s時(shí)初生硅變得稀少，所以僅憑宏觀的觀察還未能發(fā)現(xiàn)規(guī)律，故還需進(jìn)行客觀的數(shù)據(jù)分析。

超聲功率為1500W時(shí)不同處理時(shí)間下的金相組織如圖4所示?？梢悦黠@看出經(jīng)過(guò)1500W功率下超聲處理的組織初生硅得到細(xì)化，塊狀初生硅尖角鈍化，圓整程度逐漸增加。圖4試樣的金相照片中初生硅的尺寸同圖3和圖2相比，明顯均有所增大?？赡苁浅暪β蔬^(guò)大，溶液內(nèi)能增大，在凝固時(shí)被打碎的枝晶又重新組合，所以初生硅的尺寸有所增大。觀察圖（a）可以發(fā)現(xiàn)，大塊狀的初生硅剛被打碎，正隨著超聲振動(dòng)向周圍散開(kāi)，但是由圖（c）可以看到初生硅尺寸增大，可能是處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，溶液凝固時(shí)的結(jié)晶潛熱過(guò)大，導(dǎo)致初生硅的增大。

圖5為不同超聲功率不同處理時(shí)間下的Al-Si合金初生硅尺寸比較。在相同超聲處理時(shí)間下，隨著超聲功率的增大，初生硅的尺寸均是先減小后增大，在1200W左右達(dá)到最小值，其中超聲處理40s時(shí)的初生硅平均尺寸最小為12.8955μm，未經(jīng)超聲處理的Al-20Si凝固組織初生Si尺寸約30μm，相比之下超聲熔體處理對(duì)初生Si的細(xì)化效果明顯 。在相同超聲功率處理下，處理時(shí)間為40s，整體初生硅的平均尺寸最小，1200W時(shí)，初生硅的尺寸在超聲處理40s時(shí)的最小為12.8955μm。60s時(shí)的初生硅平均尺寸為14.90613μm，比40s時(shí)初生硅的尺寸增大了15.6%，從60s到80s時(shí)，尺寸增大不明顯，僅增大了1.7%。隨著超聲處理時(shí)間的增大，初生硅的尺寸先增大后慢慢趨于穩(wěn)定，超聲振動(dòng)處理時(shí)間較短時(shí)， 熔體內(nèi)部的晶核形成還不充分， 振動(dòng)攪拌作用還沒(méi)有把二次及三次枝晶破碎得更為細(xì)小， 因此獲得的等軸晶區(qū)域較小。如果超聲波振動(dòng)處理的時(shí)間太長(zhǎng)， 則產(chǎn)生發(fā)熱效應(yīng)， 導(dǎo)致金屬液溫度上升， 使原來(lái)已經(jīng)被細(xì)化了的枝晶再次重熔， 結(jié)果鑄錠的結(jié)晶組織粗化， 等軸晶區(qū)域減少。

2.2 超聲處理對(duì)鋁硅合金性能的影響

圖6 為不同超聲功率不同處理時(shí)間下的Al-Si合金顯微硬度比較。可以發(fā)現(xiàn)，熔體處理時(shí)間一定的情況下，隨著超聲功率的增大，組織整體的硬度值先增大后減小，在超聲功率為1200W，Al-20Si合金出現(xiàn)最大峰值。從1200W到1500W之間硬度值之所以減小是由于功率過(guò)大導(dǎo)致溶液內(nèi)能增大，組織在凝固過(guò)程中細(xì)小的枝晶重新組合促使初生硅尺寸增大，甚至在其尖銳的棱角處出現(xiàn)裂紋等一些缺陷，力學(xué)性能下降，所以硬度值出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

3 結(jié)論

（1）超聲熔體處理可顯著細(xì)化Al-Si合金的初生硅和共晶硅。

（2）超聲功率的增大，初生硅的尺寸先減小后增大，合金的顯微硬度隨著初生硅晶粒尺寸的減小而增大。

（3）在1150W超聲處理40s時(shí)，初生硅的尺寸最小為12.8955μm，合金維氏顯微硬度達(dá)到最大為91.5HV。

【參考文獻(xiàn)】

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