Al-3P變質(zhì)Al-18Si合金的顯微組織與力學性能

楊威，陸曉旺，劉亞，吳長軍，王建華，蘇旭平

鋁硅合金具有低密度，低膨脹系數(shù)，高耐磨性等優(yōu)點，廣泛應用于汽車發(fā)動機零部件以及航空航天、船舶運輸?shù)戎匾袠I(yè)[1?4]。過共晶鋁硅合金組織中存在針狀共晶硅和粗大初晶硅，隨硅含量增加，初晶硅尺寸增大，導致合金的綜合力學性能下降。為了改善過共晶鋁硅合金的顯微組織和力學性能，早期以赤磷作為變質(zhì)劑細化初晶硅，但磷的收得率低并造成環(huán)境污染。為此，趙紅亮等[5]采用 Al-3.5%P中間合金變質(zhì)Al-20%Si合金，使合金中的初晶硅變得細小且圓鈍化，從而提高該合金的綜合力學性能?；贏l-P中間合金對過共晶鋁硅合金的良好變質(zhì)效果，研究人員開發(fā)了一系列含磷中間合金[6?8]。ZUO等[8]采用Al-15Si-3.5P對ZL109合金進行變質(zhì)處理，不僅提高磷的收得率，且變質(zhì)效果良好；當加入2%的Al-15Si-3.5P中間合金時，初晶硅尺寸由150 μm細化至37 μm。此外，研究表明，稀土元素對過共晶鋁硅合金具有變質(zhì)作用。張瑜等[9]研究表明，磷和稀土復合變質(zhì)可同時改善過共晶鋁硅合金中的初晶硅和共晶硅的形態(tài)，顯著提高合金的綜合力學性能[10?14]。磷和釔對過共晶鋁硅合金有明顯的變質(zhì)作用[10]，通過磷和稀土復合變質(zhì)的過共晶鋁硅合金力學性能明顯提高[11]。Al-P-RE-Sr可同時細化 Al-30Si合金中的初晶硅和共晶硅，且變質(zhì)具有長效性，合金力學性能明顯提高[12]。Al-P-Ti-TiC-Y多元復合變質(zhì)劑可改善過共晶鋁硅合金的顯微組織，提高其力學性能[13]。此外，對過共晶鋁硅合金進行適當熔體過熱處理也可改善初晶硅的形態(tài)[14]。盡管采用含磷復合變質(zhì)劑對過共晶鋁硅合金進行了較多的變質(zhì)處理研究，但研究者很少注意到變質(zhì)處理對鋁硅合金非平衡共晶點的影響以及由此導致合金顯微組織和力學性能的變化。本文用Al-3P作為變質(zhì)劑對Al-18Si合金進行變質(zhì)處理，通過不同變質(zhì)劑含量和不同變質(zhì)溫度下初晶硅面積分數(shù)的統(tǒng)計來模擬 Al-Si相圖非平衡共晶點移動示意圖，并研究Al-3P變質(zhì)處理對過共晶鋁硅合金顯微組織與力學性能的影響，對拓展其應用領(lǐng)域具有非常重要的意義和指導價值。

1 實驗

1.1 Al-18Si合金制備與變質(zhì)處理

以純度為99.7%的A00鋁錠和Al-50Si合金為原料制備Al-18Si合金。首先按照Al-18Si的名義成分稱量純鋁和 Al-50Si中間合金，裝入石墨坩堝，在井式電阻爐中800 ℃溫度下進行熔煉，得到質(zhì)量為5 000 g的Al-18Si合金鑄錠。

用Al-3P合金作為變質(zhì)劑對所得Al-18Si合金進行變質(zhì)處理。為考察Al-3P變質(zhì)劑加入量對合金變質(zhì)效果的影響，取一組質(zhì)量均為200 g的Al-18Si合金鑄錠，在800 ℃進行重熔，在合金液中分別添加0，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%和 1.0%(均為質(zhì)量分數(shù)，下同)的Al-3P合金對其進行變質(zhì)處理。另取一組質(zhì)量均為200 g的Al- 18Si合金，分別在750，800和850 ℃溫度下進行重熔，加入0.8%的Al-3P中間合金進行變質(zhì)處理，研究變質(zhì)溫度對變質(zhì)效果的影響。熔煉過程中，采用m(NaCl):m(KCl):m(Na3AlF6)=6:9:5的復合鹽對合金液進行覆蓋以減少合金的氧化和燒損，變質(zhì)處理時間為5 min。變質(zhì)后采用六氯乙烷對熔體進行除氣除渣，然后澆注到內(nèi)腔直徑為12 mm、長度為100 mm的200 ℃金屬型中，得到變質(zhì)后的Al-18Si合金試棒。

1.2 性能檢測

在Al-18Si合金試棒底部截取10 mm厚度的金相試樣，拋光后采用0.5%HF進行腐蝕，用Leica DIM 3000光學顯微鏡觀察合金腐蝕后的顯微組織，利用Image-Pro Plus 6.0軟件對合金組織中初晶硅的尺寸和面積分數(shù)進行測量和統(tǒng)計分析。用WDW-300萬能電子試驗機測試 Al-18Si合金的拉伸性能，拉伸試樣按GBT228—2002進行設計，尺寸如圖1所示。拉伸速率控制在2 mm/min，每種合金拉伸試樣為3根，取平均值為最終試驗結(jié)果。用JSM- 6300LV掃描電鏡觀察Al-18Si合金的拉伸斷口形貌。

圖1 Al-18Si合金拉伸試樣尺寸Fig.1 The size of tensile Al-18Si alloy sample (Unite: mm)

2 結(jié)果與分析

2.1 Al-3P用量

圖2所示為未變質(zhì)的Al-18Si合金與在800 ℃下Al-3P變質(zhì)處理后的合金金相組織。由圖2(a)可見，未變質(zhì)的Al-18Si合金由粗大初晶硅、少量粗大α-Al相和大量共晶組織組成，初晶硅的平均尺寸為58 μm。由于初晶硅的析出和長大，其周圍液相中出現(xiàn)貧硅區(qū)，導致α-Al相的形核和長大。從圖2(b)～(f)可見，變質(zhì)處理后，Al-18Si合金組織中的初晶硅明顯細化，α-Al相細化，數(shù)量有所增加，共晶組織得到細化且數(shù)量減少。當Al-3P加入量為0.2%時，變質(zhì)效果不明顯，此時初晶硅顆粒數(shù)量增加很少，初晶硅仍較粗大，其平均尺寸為47 μm，如圖2(b)所示。隨w(Al-3P)增加，初晶硅顆粒數(shù)量大幅增加，尺寸明顯減小，如圖2(c)～(d)所示。隨w(Al-3P)進一步增加，初晶硅又發(fā)生一定的粗化，如圖 2(e)～(f)所示。當 w(Al-3P)為 0.6%時，Al-18Si合金中的初晶硅細化效果最佳，平均尺寸為14 μm。

表 1所列為 Al-18Si合金中初晶硅面積分數(shù)隨Al-3P變質(zhì)劑加入量的變化。由表中數(shù)據(jù)可知，變質(zhì)處理后的合金中初晶硅面積分數(shù)大于未變質(zhì)的合金。隨 w(Al-3P)增加，初晶硅面積分數(shù)逐漸增加，當w(Al-3P)為 0.8%時，初晶硅面積分數(shù)達到最大值，w(Al-3P)進一步增加時，初晶硅面積分數(shù)減少。

針對變質(zhì)Al-18Si合金中初晶硅面積分數(shù)的變化，可利用Al-3P加入量對Al-Si相圖非平衡共晶點移動的影響加以合理解釋。參考劉靚等[15]關(guān)于Al-5Ti-B反向變質(zhì)處理 Al-18Si合金的變質(zhì)機理，畫出相應的機理解釋示意圖。當Al-3P加入量小于 0.8%時，Al-3P加入量對 Al-Si相圖中非平衡共晶點移動的影響如圖3所示。在圖3中，C0代表平衡共晶點，C0.2，C0.4和C0.6分別代表w(Al-3P)為0.2%，0.4%和0.6%時所對應的非平衡共晶點位置。由于Al-3P對過共晶鋁硅合金具有明顯的變質(zhì)作用，因此變質(zhì)處理顯著影響過共晶鋁硅合金液的凝固過冷度，但對亞共晶鋁硅合金液的過冷度基本沒有影響。當Al-3P加入量較少時，對Al-Si合金液溫度的影響較小，此時Al-3P加入量變化對熔體溫度的影響及其造成過冷度的變化可以忽略不計，因此亞共晶鋁硅合金液的過冷度不發(fā)生變化。但Al-3P對過共晶鋁硅合金的變質(zhì)作用導致其過冷度小于亞共晶鋁硅合金液的過冷度。隨w(Al-3P)增加，可作為初晶硅形核核心的AlP質(zhì)點數(shù)量增多，導致過共晶鋁硅合金液的過冷度不斷減小，如圖3所示。過共晶鋁硅合金液過冷度減小，導致非平衡共晶點向左移動的距離增加，根據(jù)杠桿定律，Al-18Si合金中初晶硅面積分數(shù)增加。

圖2 不同Al-3P加入量變質(zhì)處理的Al-18Si合金金相顯微組織Fig.2 Metallographic microstructures of Al-18Si modified with different amount of Al-3P(a) 0; (b) 0.2%; (c) 0.4%; (d) 0.6%; (e) 0.8%; (f) 1.0%

表1 不同Al-3P加入量下Al-18Si合金中初晶硅的面積分數(shù)Table 1 Area fraction of primary Si in Al-18Si modified with different amount of Al-3P

圖3 Al-3P加入量較少時Al-Si相圖非平衡共晶點移動示意圖Fig.3 Schematic of non-equilibrium eutectic point variation of Al-Si alloy modified with a smaller amount of Al-3P

當w(Al-3P)大于或等于0.8%時，w(Al-3P)對Al-Si相圖中非平衡共晶點移動的影響如圖4所示。圖中C0代表平衡共晶點，C0.6，C0.8和C1.0分別代表w(Al-3P)為0.6%，0.8%和1.0%時所對應的非平衡共晶點位置。當w(Al-3P)超過0.8%時，對Al-Si合金液溫度的影響以及造成的過冷度變化較大，此時必須考慮Al-3P加入量對鋁硅合金熔體溫度的影響。w(Al-3P)越大，合金液的溫度降低越多，從而使其凝固冷卻速度降低，由此導致合金液過冷度減小。此外，由于Al-3P的變質(zhì)作用，導致過共晶鋁硅合金液的過冷度遠小于亞共晶鋁硅合金液的過冷度，如圖4所示。因此，當w(Al-3P)由0.6%增加到0.8%時，非平衡共晶點仍然向左移動；但當w(Al-3P)為1.0%時，非平衡共晶點向左移動距離減小，導致C1.0點位于C0.8和C0.6點的右側(cè)。根據(jù)杠桿定律，當w(Al-3P)為1.0%時，Al-18Si合金中初晶硅的面積分數(shù)減小。

圖4 Al-3P加入量較多時Al-Si相圖非平衡共晶點移動示意圖Fig.4 Schematic of non-equilibrium eutectic point variation of Al-Si alloy modified with a higher amount of Al-3P

2.2 變質(zhì)溫度

圖5 所示為w(Al-3P)為0.8%時，在不同溫度下變質(zhì)處理后的Al-18Si合金金相組織。對比圖2(a)和圖5可見，變質(zhì)處理后 Al-18Si合金組織中初晶硅顆粒的數(shù)量增多，尺寸明顯減小。此外，變質(zhì)后α-Al相細化、數(shù)量增加，共晶組織數(shù)量有所減少且得到明顯細化。當變質(zhì)溫度為800 ℃時，初晶硅顆粒數(shù)量最多，尺寸最小，平均尺寸約為15 μm。

當Al-18Si合金在750 ℃熔煉和變質(zhì)處理時，由于溫度較低，熔體中仍存在較多未熔的初晶硅質(zhì)點，導致液態(tài)合金中溶解的硅含量較低，Al-3P的變質(zhì)處理效果較差，在熔體中雖可形成一定數(shù)量的初晶硅，使初晶硅顆粒數(shù)量多于未變質(zhì)合金中初晶硅數(shù)量，初晶硅尺寸明顯減小，但其尺寸仍然較大。當溫度提高至800 ℃時，Al-18Si合金液得到足夠程度的過熱，此時合金熔體中的初晶硅質(zhì)點徹底溶解，液態(tài)合金中溶解的硅含量基本等于合金的總硅量，因此變質(zhì)效果增強，凝固后合金中形成大量的細小初晶硅顆粒。當變質(zhì)溫度提高至850 ℃時，雖然合金中可形成大量的細小初晶硅，但由于合金液的溫度較高，其對金屬型的加熱作用增強，導致合金液凝固時冷卻速度下降，從而使初晶硅長大的機會增加，初晶硅尺寸增大。

圖5 不同溫度下加入0.8%Al-3P變質(zhì)后的Al-18Si合金顯微組織Fig.5 Microstructures of Al-18Si alloy modified with 0.8%Al-3P at different temperatures(a) 750 ℃; (b) 800 ℃; (c) 850 ℃

表2所列為w(Al-3P)為0.8%時，在不同溫度下變質(zhì)的 Al-18Si合金中初晶硅的面積分數(shù)。由表中數(shù)據(jù)可知，初晶硅面積分數(shù)隨變質(zhì)溫度升高而減小。變質(zhì)溫度對Al-Si相圖非平衡共晶點移動的影響如圖6所示。圖中 C0是 Al-Si相圖的平衡共晶點，C750，C800和C850分別代表鋁硅合金液在750，800和850 ℃變質(zhì)時所對應的非平衡共晶點位置。隨變質(zhì)溫度升高，熔體冷卻速度加快，導致其過冷度增加。此外，Al-3P對過共晶鋁硅合金具有較大的變質(zhì)作用，使過共晶鋁硅合金的過冷度減小。Al-3P變質(zhì)與變質(zhì)溫度綜合作用的結(jié)果使鋁硅合金非平衡共晶點向左移動，隨變質(zhì)溫度升高，非平衡共晶點向左移動的距離減小。根據(jù)杠桿定律，隨變質(zhì)溫度增加，Al-18Si合金中初晶硅面積分數(shù)減少。

表2 不同溫度下Al-3P變質(zhì)Al-18Si合金中初晶硅的面積分數(shù)Table 2 Area fraction of primary Si in Al-18Si modified with Al-3P at different temperatures

圖6 不同變質(zhì)溫度下變質(zhì)鋁硅合金非平衡共晶點移動示意圖Fig.6 Schematic of non-equilibrium eutectic point variation of Al-Si alloy modified at different temperatures

2.3 力學性能

表3所列為在800 ℃下經(jīng)0.8%Al-3P變質(zhì)處理前后Al-18Si合金的抗拉強度和伸長率。從表3看出，未變質(zhì)的 Al-18Si合金抗拉強度和伸長率分別為 148 MPa和3.2%。經(jīng)800 ℃變質(zhì)處理后，合金的力學性能明顯提高，抗拉強度和伸長率分別為 174 MPa和6.7%，比變質(zhì)前分別提高17.6%和109%。將Al-Si合金看做是一種自生復合材料，其中硅相為增強相。根據(jù)復合材料的強韌化理論[16]，隨增強相體積分數(shù)增加，復合材料的抗拉強度增大，伸長率隨增強相增加而降低。對過共晶鋁硅合金來說，經(jīng)Al-3P變質(zhì)后，合金中初晶硅面積分數(shù)明顯增加，導致鋁硅合金的抗拉強度明顯提高。如圖2所示，由于Al-3P變質(zhì)處理后 Al-18Si合金中初晶硅得到極大的細化，且發(fā)生了明顯的鈍化，從而減少了其對基體的割裂作用，使合金的伸長率得到明顯改善。

表3 0.8%Al-3P變質(zhì)前后Al-18Si合金的力學性能Table 3 Mechanical properties of Al-18Si alloys before and after modification

圖7所示為沒有經(jīng)過變質(zhì)處理的Al-18Si合金及其在800 ℃經(jīng)過0.8%Al-3P變質(zhì)后的拉伸斷口形貌。由圖7(a)看出，未變質(zhì)的Al-18Si合金拉伸斷口中韌窩尺寸很大，粗大的韌窩內(nèi)可見斷裂的初晶硅顆粒，此外，斷口上存在較少的粗大撕裂棱，斷口呈明顯的脆性斷裂特征。從圖7(b)可見，經(jīng)過變質(zhì)處理后，Al-18Si合金拉伸斷口中存在大量細小的韌窩，撕裂棱數(shù)量多且非常細小。只在一些較大的韌窩中才能看到細小初晶硅顆粒斷裂的痕跡，合金的拉伸斷口呈明顯的韌性斷裂特征。

圖7 經(jīng)Al-3P變質(zhì)處理前后Al-18Si合金的拉伸斷口形貌Fig.7 Tensile fracture morphologies of Al-18Si alloy before and after Al-3P modified

3 結(jié)論

1) 用Al-3P作為變質(zhì)劑對Al-18Si合金進行變質(zhì)處理后，初晶硅的尺寸變小，面積分數(shù)增加。

2) 變質(zhì)溫度為800 ℃時，隨Al-3P用量增加，初晶硅尺寸先減小后增大。Al-3P加入量為0.6%時初晶硅細化效果最好，平均尺寸為14 μm。隨變質(zhì)劑用量增加，初晶硅面積分數(shù)先增加后減小，當Al-3P加入量為0.8%時，初晶硅面積分數(shù)達到最大值14.4%。

3) 當Al-3P加入量為0.8%時，隨變質(zhì)溫度升高，Al-18Si合金中初晶硅面積分數(shù)減小，而初晶硅尺寸先減小后增大，變質(zhì)溫度為800 ℃時，Al-18Si合金中初晶硅尺寸最小，平均尺寸為15 μm。

4) 與未變質(zhì)的Al-18Si合金相比，在800 ℃加入0.8%Al-3P變質(zhì)處理后，Al-18Si合金的抗拉強度和伸長率分別提高17.6%和109%，合金拉伸斷口呈現(xiàn)明顯的韌性斷裂特征。

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