二次加熱對Al-Si-Cu合金中Cu元素偏聚的影響

任 鶴，胡 冰

（1.沈陽鼓風機集團核電泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽 110869；2.沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110869）

1 實驗材料及方法

金屬熔配采用高純Al（≥99.7%）、Al-50Cu和Al-26Si合金；合金成分為Al-17Si-4Cu。合金在750℃的電阻爐中熔化。二次加熱重熔是在箱式電阻爐中進行的。在加熱溫度為630℃的環(huán)境下，保溫時間分別為5天、10天和15天以及25min和35min，然后通過使用冷水進行淬火。最后的組織分析通過使用日立S-3400N型掃描電鏡進行分析。

2 試驗結果及分析

二次加熱工藝對Cu元素偏聚的影響。半固態(tài)觸摸成型的重要環(huán)節(jié)是二次加熱保溫，合金的二次加熱溫度要通過差熱分析來進行確定，然后對合金表面的掃描形貌進行仔細觀察分析，進而討論二次加熱過程對銅元素分布產(chǎn)生的影響。

圖1為合金面掃描形貌，由此圖可以看出，當加熱溫度為500℃，保溫時間為5min時，合金的液相含量較少，多角形主相和層狀共晶硅相具有十分明顯的結構和分布。大部分Cu元素與Si元素結伴出現(xiàn)，并且在晶界處聚集，只有少量的Cu元素在聚集，見圖1（a）；當溫度升高至630℃的二次加熱溫度并且保溫5min時，液相就會出現(xiàn)，而此時就會發(fā)現(xiàn)初生Si邊緣圓整，數(shù)量以及尺寸減小，并且大量Si元素形成的α+Si+Al2Cu共晶體出現(xiàn)在液相凝固區(qū)，銅的偏析十分明顯。有大量銅元素富集在晶界處，如圖1（b）所示。

可以看出，在晶界處出現(xiàn)的液相中的溶質(zhì)在第二次加熱保溫的過程中含量較高，界面能也較高。液相中的Cu和Si元素在保溫結束后不能擴散到基體中，從而形成大量的三相共晶，導致Cu元素在晶界富集[1]。

圖1 Al-17Si-4Cu合金面掃描形貌

在630℃的環(huán)境中重熔試驗分別以15min、25min、35min進行保溫時間測定。從實踐中可以看出，在保溫時間為15min時，合金的微觀結構并沒有產(chǎn)生十分明顯的變化，然而，當保溫時間增加到25min時，少量液體可以首先出現(xiàn)在具有較高界面的三晶粒的結合處，并且初始Si的邊界也開始慢慢變得平滑，保溫時間繼續(xù)增加，當達到至35min時，液體數(shù)量明顯比之前有所增多，多晶硅交界處的液體聚集并擴展晶界分布，最終形成圍繞晶界的液體，經(jīng)過快速冷卻后組織變得細化，初晶Si相邊界不僅會隨之變得更圓滑，而且尺寸也會比之前有所減小，大量條狀共晶Si以及富銅三相共晶體在由液相凝固的合金中出現(xiàn)，它的尺寸也有所減小。

通過對二次加熱后不同保溫時間對應的能譜分析，結果表明，銅的含量在15min后占共晶化合物中的49.70%；增加保溫時間至25分時，Cu含量占共晶化合物中的50.06%；當保溫溫度繼續(xù)增加至35min時，Cu元素含量在共晶化合物中的百分比也增多至55.15%。Cu元素在共晶化合物中的含量隨著保溫時間的增加而逐漸增加，Cu元素在化合物中也逐漸積累。第二次加熱使基體中銅含量降低，重熔區(qū)與未熔區(qū)銅含量之差增大。

重熔過程中，晶粒間銅的偏析明顯降低，但重熔區(qū)銅的偏析趨勢明顯減弱。Al-Si-Cu金屬間化合物的銅和固溶的擴散是二次加熱的重熔所引起的銅分布的變化的原因。在攪拌過程中，銅在晶界處發(fā)生偏析，晶界先熔融，然后熔融區(qū)逐漸擴大，液相含量不斷增加，晶界中的銅金屬間化合物也溶化熔融，溶解在液態(tài)金屬中，使得Cu元素在液體中均勻分布的原始晶界偏聚。加熱時間短，二次重熔量小，晶界銅的初始偏析以液態(tài)均勻分布，凝固后仍有偏析現(xiàn)象，當延長二次加熱時間后，由于液相區(qū)擴大，冷卻速率增大，以及Cu在液相中的再分配延遲或不足，導致凝固后Cu在液態(tài)金屬中的分布均勻。結果表明，采用重熔法可以改善熔融部分銅的偏聚。

3 結論

①二次加熱重熔可以改變半固態(tài)鋼錠中銅元素的分布，且重熔液體積分數(shù)越小，高溫擴散效應是未重熔的晶粒中Cu含量進一步增加的條件，因此沒有經(jīng)過重熔的晶粒中Cu含量就會進一步降低；重熔液體積分數(shù)高，銅元素在重熔區(qū)內(nèi)凝固后分布均勻。②重熔帶和非重熔銅的平均含量差將通過重熔和再加熱進一步擴大。