過共晶Al-Si合金的變質(zhì)處理試驗(yàn)

于勇衡，李 健

（山東鋁業(yè)職業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系，山東 文登266440）

1 前言

由于過共晶Al-Si合金具有鑄造及焊接性能好、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性能高等特點(diǎn)，在鑄造鋁合金中被廣泛應(yīng)用。但過共晶Al-Si合金中的針狀共晶Si以及粗大的塊狀初生Si嚴(yán)重割裂基體，降低合金的力學(xué)性能［1］，實(shí)踐也證明過共晶Al-Si合金的性能受到合金中硅晶體的形狀和分布的影響。因此無論是共晶體中的Si，還是初生晶的Si晶體，如果在基體中既細(xì)小又圓滑且分布均勻，則合金就會(huì)既有高的塑性，又有高的強(qiáng)度。反之則沖擊韌性與疲勞強(qiáng)度會(huì)大大降低，在母體變形后往往從硅晶體處開始斷裂。

目前對(duì)初生Si細(xì)化處理的方法有：添加變質(zhì)劑法，超聲波振動(dòng)法，激冷法，低溫鑄造法，加壓鑄造法，電磁攪拌，高低溫熔體相混和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用等。其中研究較多的方法是添加變質(zhì)劑法。而添加變質(zhì)劑法中主要以P變質(zhì)為主，P變質(zhì)主要是以赤P、P鹽或Al-P中間合金［2-3］等形式加入。但是赤P的燃點(diǎn)低（240℃），運(yùn)送、保存和使用過程都不安全；變質(zhì)時(shí)反應(yīng)劇烈，放出大量P2O5有毒氣體；P的吸收率低，且難以控制。P鹽自身有毒或在使用中也放出大量的P2O5有毒氣體；產(chǎn)生大量反應(yīng)渣，腐蝕爐襯；貯存保管有困難，成本較高；變質(zhì)效果不穩(wěn)定。為此，國內(nèi)外研究者進(jìn)行了長(zhǎng)期的探索研究，近年來山東大學(xué)研究了一系列專用于Al-Si合金初晶Si變質(zhì)處理的變質(zhì)劑［4］。

本研究用Al-Sr（10%）合金、Al-P（3.5%）合金和C還原磷酸鈉（赤P∶Na3PO4∶石墨C=1∶5.3∶2.5）分別對(duì)Si12%、Si15%、Si 18%的過共晶Al-Si合金進(jìn)行變質(zhì)、細(xì)化處理，比較3種變質(zhì)劑的變質(zhì)效果，了解各變質(zhì)劑的添加量、變質(zhì)溫度、變質(zhì)時(shí)間等。

2 試驗(yàn)過程和方法

試驗(yàn)原料：工業(yè)純鋁、工業(yè)硅553#、Al-Sr（10%）合金、Al-P（3.5%）合金、P+Na3PO4+C（1∶5.3∶2.5）。按含Si12%、15%、18%分別配制Al-Si過共晶合金，在坩堝爐內(nèi)熔化。分別用Al-Sr（10%）合金、Al-P（3.5%）合金、P+Na3PO4+C進(jìn)行變質(zhì)處理，變質(zhì)時(shí)間15 min，靜置時(shí)間30 min；除Al-Sr合金變質(zhì)不再精煉外，其余變質(zhì)方式再用C2Cl6精煉3～5 min；Al-12%Si及Al-15%Si合金澆鑄溫度730℃，Al-18%Si合金澆鑄溫度780℃。變質(zhì)工藝見表1。用斯派克光電光譜儀測(cè)定變質(zhì)前后過共晶Al-Si合金化學(xué)成分及均勻性。用金相顯微鏡觀察變質(zhì)前后合金的金相組織，根據(jù)初生Si在變質(zhì)前后大小的變化，找出變質(zhì)效果最好的變質(zhì)劑。

表1 Al-Si過共晶合金變質(zhì)工藝

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 Sr變質(zhì)處理

Sr在a-Al和硅相中的溶解度非常小，在凝固過程中都被排擠到液相中，Al-Si合金凝固過程中共晶過冷度隨著合金中Sr量的增加而增大。這說明共晶Si形態(tài)的變化與共晶過冷度密切相關(guān)。Sr在硅相的前沿富集，毒化固有的生長(zhǎng)臺(tái)階［5］，導(dǎo)致共晶過冷度增大；同時(shí)，由于Sr原子的吸附引起硅相孿晶邊界能降低［6］。當(dāng)Sr達(dá)到0.05%時(shí)，共晶過冷度增大，同時(shí)孿晶邊界能降低，因而孿晶的概率增大，孿晶行為更易發(fā)生，共晶硅相在更多方向上生長(zhǎng)，使共晶硅相產(chǎn)生彎折、分叉，共晶硅相形態(tài)不斷向纖維化轉(zhuǎn)變。最終變質(zhì)后獲得纖維化的共晶組織。Al-Si合金變質(zhì)處理前后組織對(duì)比見圖1。

圖1 Al-Si合金Sr變質(zhì)前后顯微組織 100×

圖2 Al-18%Si合金碳還原磷酸鈉變質(zhì)前后顯微組織 100×

而Al-Si合金中的a-Al相，由于Sr加入后對(duì)Al晶格結(jié)構(gòu)的改變，促進(jìn)了Si在Al中的溶解度以及Sr的變質(zhì)作用，使a-Al相向薔薇花朵狀轉(zhuǎn)變。但是Sr的變質(zhì)作用對(duì)基體中的初生Si基本上無作用。在Al-12%Si合金中（其靠近Al-Si合金的共晶點(diǎn)），由于Sr促進(jìn)了Si在Al中的溶解度，過冷度因Sr的加入而增大，凝固曲線左移，使變質(zhì)后的組織形態(tài)向共晶組織和亞共晶組織轉(zhuǎn)變（見圖1d）。在Al-15%Si合金和Al-18%Si合金中，Sr沒能抑制五瓣星狀初晶Si的形核，無法阻止五瓣星狀初晶Si的各向異相生長(zhǎng)，Sr對(duì)初生Si的變質(zhì)無明顯效果（見圖1e、圖1f）。對(duì)比變質(zhì)前后的組織（圖1c、圖1f），也會(huì)發(fā)現(xiàn)初生Si的顆粒大小變化不明顯。

3.2 碳還原磷酸鈉變質(zhì)處理

在高溫條件下，Na3PO4首先分解為溶于鋁液的Na或Na的金屬化合物［如（NaAl）Si2］及P的氧化物，P的氧化物在熾熱C的作用下還原為元素P，并在P過剩的情況下（即Na∶P＜2.2時(shí)）生成AlP。AlP在還原性氣體CO的攪拌作用下迅速擴(kuò)散均勻分布于整個(gè)合金液，大量的AlP成為硅結(jié)晶的異質(zhì)核心。從而達(dá)到均勻、細(xì)化、球化Si晶粒的變質(zhì)作用。Al-18%Si合金變質(zhì)前后顯微組織見圖2。

通過對(duì)比變質(zhì)前后的金相組織形態(tài)可以發(fā)現(xiàn)：1）用碳還原磷酸鈉變質(zhì)處理雖然使初生Si相的顆粒有所減小，但也沒能抑制了五瓣星狀初晶Si的形核，沒有阻止五瓣星狀初晶Si的各向異相生長(zhǎng)。2）變質(zhì)效果不穩(wěn)定，個(gè)別初生Si顆粒仍較大，在基體上初生Si相沒有達(dá)到彌散均勻分布的效果。

3.3 Al-P合金變質(zhì)處理

國內(nèi)外的研究者認(rèn)為，對(duì)初晶Si有變質(zhì)作用的元素主要是P。P的變質(zhì)作用機(jī)理是P在合金中與Al形成高熔點(diǎn)（約1 000℃）的AlP，AlP與Si都是金剛石點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)接近。根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)相似，晶格常數(shù)相近的原理，AlP可以作為Al-Si合金初晶Si結(jié)晶的異質(zhì)核心。

Al-P中間合金的組織特點(diǎn)是在鋁基體上分布有大量細(xì)小的AlP晶核，由于AlP顆粒在Al-P中間合金中已預(yù)先生成，從而在變質(zhì)過程中有著大量的初生Si結(jié)晶的異質(zhì)核心，使初生Si的初生晶核增多且均勻彌散分布，故初生Si在大量初生晶核上生長(zhǎng)，結(jié)晶后能均勻、細(xì)小的彌散分布在基體組織上，同時(shí)也強(qiáng)有力地抑制了五瓣星狀初晶Si的形核，阻止了五瓣星狀初晶Si的各向異相生長(zhǎng)，使初生Si的組織形態(tài)向球形轉(zhuǎn)變，減少了初生Si對(duì)基體的割裂作用，從而達(dá)到了高效變質(zhì)效果。因此，認(rèn)為采用Al-P（3.5%）合金變質(zhì)效果最佳。

3.3.1 Al-P合金變質(zhì)時(shí)間的影響

Al-18%Si合金Al-P合金變質(zhì)時(shí)間對(duì)顯微組織的影響見圖3。用Al-P合金變質(zhì)處理過共晶Al-Si合金，在變質(zhì)15 min時(shí)，已經(jīng)有效果，20 min后變質(zhì)效果也沒有減弱。雖然相關(guān)資料介紹Al-P合金變質(zhì)效果可保持30 h以上，但結(jié)合工業(yè)化生產(chǎn)實(shí)際，變質(zhì)20 min就可以達(dá)到很好的變質(zhì)效果。

圖3 Al-18%Si合金Al-P合金變質(zhì)前后顯微組織 100×

3.3.2 Al-P合金變質(zhì)溫度的影響

Al-P合金變質(zhì)溫度對(duì)Al-15%Si合金顯微組織的影響見圖4。對(duì)比圖4發(fā)現(xiàn)，在780～810℃溫度區(qū)間變質(zhì)后顯微組織中的初生Si相比760～780℃溫度區(qū)間變質(zhì)后的顯微組織的初生Si相球化傾向增大，對(duì)基體的割裂作用減弱，初生Si相的彌散性更好。因此在780～810℃溫度區(qū)間進(jìn)行變質(zhì)變質(zhì)效果較好。

圖4 Al-15%Si合金不同溫度Al-P合金變質(zhì)前后顯微組織 100×

3.3.3 Al-P合金加入量的影響

Al-P合金加入量對(duì)Al-18%Si合金顯微組織的影響見圖5。對(duì)比圖5發(fā)現(xiàn)，Al-P合金加入總量的1.2%變質(zhì)，變質(zhì)效果相對(duì)于加入總量的0.8%和1.0%Al-P合金變質(zhì)效果要好。加入總量1.2%Al-P合金變質(zhì)后，初生Si相的彌散性更好，顆粒分布更加細(xì)密均勻，這樣的組織更有利于提高Al-Si合金的機(jī)械性能。

圖5 Al-P合金加入量對(duì)Al-18%Si合金顯微組織的影響

4 結(jié)論

4.1 對(duì)于過共晶Al-Si合金，Sr變質(zhì)處理只能使共晶Si由粗大的片狀向細(xì)小的纖維狀轉(zhuǎn)變，但對(duì)初生Si的變質(zhì)影響不大；用碳還原磷酸鈉變質(zhì)，雖然使初生Si相的顆粒有所減小，但沒能抑制五瓣星狀初晶Si的形核，不能阻止五瓣星狀初晶Si的各向異相生長(zhǎng)，而且變質(zhì)的效果不穩(wěn)定，個(gè)別初生Si顆粒還比較大，在基體上初生Si相沒有達(dá)到彌散均勻分布的效果；Al-P合金變質(zhì)，使初生Si數(shù)量增多且均勻彌散分布，基本無五瓣星狀初晶Si的形核，且初生Si的組織形態(tài)向球形轉(zhuǎn)變，達(dá)到了高效變質(zhì)效果。

4.2 用Al-P合金變質(zhì)，最佳加入量在總量的1.1%～1.2%之間，最佳變質(zhì)時(shí)間為20 min左右，最穩(wěn)定的變質(zhì)溫度應(yīng)控制在780～810℃溫度區(qū)間。

4.3 用Al-P合金變質(zhì)的過共晶Al-Si合金，初生Si相在基體上的分布彌散且均勻，部分初生Si相已經(jīng)近似球化，變質(zhì)效果明顯。