P對Al-Si18合金變質效果的影響

金 光，王宋瓷

(沈陽理工大學 材料科學與工程學院,沈陽 110159)

鋁硅合金是應用最多的一類鑄造鋁合金，廣泛用于汽車制造和航天航空領域，其中過共晶鋁硅合金由于具有耐熱、耐磨、線膨脹系數(shù)小和尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點，是發(fā)動機氣缸、活塞部件的重要材料。但是該種合金中的初晶硅因為尺寸粗大且多角尖銳，嚴重割裂了鋁基體，對力學性能有重要影響[1-2]。為了改善由于晶體硅的形狀及大小對力學性能帶來的影響，人們現(xiàn)在加入Na鹽或Sr中間合金對共晶硅進行變質處理，加入P鹽對初晶硅進行變質處理[3-4]。然而在加入P鹽變質處理時，很難辨別過共晶鋁硅合金的變質效果，以往多是通過觀察加入不同含量P鹽的顯微組織去反應加入P鹽的變質效果，這種方法是目前實驗室常用的，但不適用于工廠要求的便捷，快速檢測[5]。A.Niklas等[6]采用熱分析曲線上的特征值來研究不同冷卻速度對A356鋁合金的晶粒細化效果，該研究表明冷卻速度的細化效果與初晶過冷度有關系，當晶粒尺寸從2.3mm減小到0.31mm時，液態(tài)過冷由1.5℃降低到0℃。姜姍等[7]等利用特征值共晶硅的過冷度來判斷Sr變質處理對鋁合金共晶硅的變質效果。這種方式為過共晶鋁合金在線檢測P鹽變質效果提供了思路：引入熱分析儀來檢測得到熱分析曲線，通過熱分析曲線上的特征值來評價變質效果。其原理是熱量隨著相變的變化而變化，如在凝固開始時，金屬因為結晶相變釋放出大量潛熱，導致熱分析曲線上的斜率發(fā)生改變，根據(jù)這些變化的不同，可以找出金屬在整個凝固過程中的相變熱效應[8]。根據(jù)該原理，本文采用CA-CCA(computer assistant-cooling curve analysis)[9]技術對過共晶鋁硅合金P鹽變質效果進行檢測。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

合金原料為質量分數(shù)為99.9%的純鋁、含硅量為Al-Si20合金，將其配制熔化成5kg的Al-Si18合金，變質劑為P鹽。利用工業(yè)電阻爐熔煉合金，當溫度在(740±5)℃時加入P 0.5%、0.8%和1.0%充分攪拌，使變質劑能夠均勻分布在熔體中。

1.2 熱分析曲線

熔煉過程中使用SGJ-II型熱分析儀測量得到相應的熱分析曲線，測量過程中對小坩堝預熱到300℃。熱分析曲線的數(shù)據(jù)由儀器中的程序測得，利用origin、Excel等相關軟件對數(shù)據(jù)進行處理，包括：作圖、作一階導數(shù)曲線(即為冷卻速率曲線)和識別曲線中的熱分析參數(shù)，如所需過冷度[10]。

圖1所示的是添加不同含量P鹽情況下的熱分析曲線和其一階導數(shù)曲線。在圖1中可以看到，熱分析曲線存在兩處轉折點和兩個平臺：兩處轉折點分別是初晶硅相開始形核的溫度和共晶硅相開始形核的溫度，兩處平臺分別是初晶硅平臺和共晶硅平臺。其一階導數(shù)曲線上存在與之對應的兩個峰值，第一個峰值是初晶硅的形核峰值，該峰值的數(shù)值大小分別是-0.01℃/s、-0.58℃/s、-0.85℃/s和-0.62℃/s，這些峰值的物理意義是一階導數(shù)曲線(冷卻速率曲線)上的一個極大值，標志著初晶硅開始形成，峰值對應的溫度即為初晶硅形核溫度，其與初晶硅形核的難易程度無關，不能利用這些數(shù)值去區(qū)分P鹽變質劑對Al-Si18合金的變質效果。第二個峰值是共晶硅形核的峰值，該峰值的大小與共晶形核的難易程度無關，只標志著共晶硅開始形核[11]。添加P鹽變質劑主要影響初晶硅的凝固階段，而P鹽對共晶硅形核階段沒有直接的影響。

1.3 Al-Si18顯微組織制備

從鑄件中切出一個小薄片，使用膠木粉熱鑲成金相試樣，經(jīng)過240～1500目的砂紙進行機械研磨后拋光，采用腐蝕劑(0.5%HF)進行擦蝕，通過蔡司Axiovert200 MAT金相顯微鏡觀察合金的顯微組織。結合顯微組織與對應熱分析曲線上的特征值——所需過冷度，判定P鹽變質劑對Al-Si18合金的變質效果。

2 實驗結果及分析

2.1 P鹽加入量對Al-Si18合金所需過冷度的影響

不同P鹽加入量在變質15min時所需過冷度如表1所示。

表1 P鹽加入量對Al-Si18合金所需過冷度的影響

所需過冷度指合金在結晶之前，溫度連續(xù)下降，當液態(tài)金屬合金冷卻到理論結晶溫度Tm(熔點)時，并未開始結晶，而是需要繼續(xù)冷卻到Tm之下某一溫度Tn，液態(tài)金屬合金才開始結晶。金屬合金的理論結晶溫度和實際結晶溫度之差定義為所需過冷度(ΔTN，Si=Tm-Tn)[12]。由表1可得：在相同的變質時間15min情況下，加入P鹽后，Al-Si18合金的特征值所需過冷度有變化，且所需過冷度隨著P鹽的加入而減小。在本實驗條件下，當加入P鹽的含量達到1.0%時，此時的所需過冷度較小，也就意味著初晶Si更容易形核。

初晶Si變質作用的機理是P鹽加入Al-Si18合金后，P元素和Al反應：Al+P→AlP，AlP具有與硅相近的晶體結構和晶格常數(shù)，并在 Al-Si18合金的液相線附近處于固態(tài)，分布在合金熔體中，由于晶體結構相似、晶格常數(shù)相應原理，AlP可以作為初晶硅結晶時的形核核心，使硅原子依附其上，這樣使初晶硅的所需形核功降低，從而使結晶核心數(shù)量增多，并抑制其長大，以實現(xiàn)結晶組織細化均勻的目的[4]。

2.2 P鹽變質時間對Al-Si18合金所需過冷度的影響

不同變質時間下鋁硅合金所需過冷度如表2所示。在加入相同的1.0%P鹽后，隨著變質時間延長，Al-Si18合金的特征值所需過冷度發(fā)生變化，且所需過冷度隨變質時間的延長而增大。當加入P鹽的變質時間達到60min時所需過冷度最大，意味著P鹽變質劑隨著變質時間的延長有衰退的現(xiàn)象，變質效果變差，但比未變質的Al-Si18合金仍然有變質效果。分析是由于隨著變質時間的延長，形核核心AlP發(fā)生了團聚的現(xiàn)象，導致P鹽變質效果衰退，但是團聚的AlP仍然可以為初晶硅形核提供有效的核心。

表2 P鹽變質時間對Al-Si18合金所需過冷度的影響

2.3 P鹽加入量對Al-Si18合金顯微組織的影響

圖2為不同P鹽加入量在變質15min時的金相組織。

由圖2可以看出：在相同的變質時間情況下，加入P鹽后，Al-Si18合金中初晶硅由粗大尖銳狀向細小圓潤狀發(fā)生改變，初晶硅均勻分布。當加入P鹽的含量達到1.0%時，變質效果達到最佳。但P鹽變質處理對Al-Si18合金共晶硅的形貌和尺寸幾乎沒有影響。

圖2 不同P鹽加入量的Al-Si18合金顯微組織

2.4 P鹽變質時間對Al-Si18合金顯微組織的影響

圖3為添加相同含量(1.0%)P鹽后，在不同P鹽變質時間下的金相組織。

圖3 不同變質時間Al-Si18合金的顯微組織

由圖3a可以看出，在添加相同P鹽變質劑的情況下，P鹽變質15min時，基體中的硅相尺寸變小，部分硅相尖角處發(fā)生明顯的鈍化現(xiàn)象。從圖3b和圖3c中可以看出，隨著變質時間的延長，基體中的硅相形貌無太大變化，但尺寸增加。

3 結論

(1)在本實驗中，加入P鹽對Al-Si18合金的初晶硅相起到變質作用，且當加入量為1.0%時，變質效果較好，此時所需過冷度較小為7.66℃。P鹽變質對Al-Si18合金共晶硅的形貌和尺寸幾乎沒有影響。

(2)P鹽變質時間對Al-Si18合金初晶硅的變質效果有影響：隨變質時間的延長，變質效果產(chǎn)生衰退現(xiàn)象。

(3)熱分析曲線上的特征值——所需過冷度與顯微組織有良好的對應關系，可以通過熱分析法在線檢測P鹽對Al-Si18合金初晶硅的變質效果。