共晶Al-18Si-2Cu合金組織及性能的研究

張小平

(渭南市職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 渭南 711711)

隨著鋁合金中硅含量的增加，合金組織中會(huì)生成板片狀、針狀的共晶硅以及大量粗大且不規(guī)則的塊狀初生硅，在材料受力時(shí)，硅粒子的尖端及其棱角部位會(huì)形成應(yīng)力集中，割裂較軟的鋁合金基體，這不但會(huì)使合金的抗拉強(qiáng)度降低，而且明顯降低合金的塑性和耐磨性。同時(shí)，材料在機(jī)械加工時(shí)，合金中硬質(zhì)大塊硅相會(huì)導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重，切削加工困難。所以，研究如何細(xì)化過(guò)共晶鋁硅合金中的初生硅，提高材料的加工性能及力學(xué)性能，對(duì)變質(zhì)理論的完善發(fā)展及其應(yīng)用具有極其重要的意義。由于過(guò)共晶鋁硅合金中存在各類不規(guī)整形態(tài)的硬質(zhì)硅相，使其力學(xué)性能和加工性能都比較差，為了使初生硅在工業(yè)生產(chǎn)中得到更廣泛的應(yīng)用，必須對(duì)初生硅進(jìn)行細(xì)化變質(zhì)[1-3]。長(zhǎng)期以來(lái)，人們研究并應(yīng)用多種變質(zhì)劑對(duì)過(guò)共晶鋁硅合金的初生硅進(jìn)行變質(zhì)細(xì)化，但目前為止，所有類型單一的變質(zhì)劑都未能得到令人滿意的變質(zhì)效果[4-8]。所以，為了得到更好的變質(zhì)效果，目前人們傾向于采用復(fù)合變質(zhì)的方法，而復(fù)合變質(zhì)也是未來(lái)對(duì)過(guò)共晶鋁硅合金變質(zhì)的新途徑和趨勢(shì)。

鑒于此，本課題采用新型復(fù)合變質(zhì)劑，通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)，研究其變質(zhì)效果、作用機(jī)制以及熱處理前后合金的力學(xué)性能變化。開展的研究?jī)?nèi)容如下：復(fù)合變質(zhì)劑對(duì)Al-18Si-2Cu鑄態(tài)下組織及力學(xué)性能的影響，包括Al-P變質(zhì)、Al-P與鐵基非晶復(fù)合變質(zhì)、Al-P與鎳基非晶復(fù)合變質(zhì)、Al-P與TiC復(fù)合變質(zhì)等；復(fù)合變質(zhì)劑對(duì)Al-18Si-2Cu熱處理后組織及力學(xué)性能的影響；變質(zhì)溫度對(duì)非晶變質(zhì)效果的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 化學(xué)試劑

鋁磷，分析純，山東呂美熔體技術(shù)有限公司；鐵非晶，分析純，成都錦尚科技責(zé)任有限公司；鎳非晶，分析純，成都錦尚科技責(zé)任有限公司；TiC，分析純，天津市元立化工有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備

MTS-810型電液伺服實(shí)驗(yàn)機(jī)，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；QT08型線切割機(jī)，鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司；JSM-5310型掃描電子顯微鏡，Edinburgh Instrμments；XJZ-6型顯微鏡(oM)(配有數(shù)碼相機(jī))，德國(guó)布魯克光譜儀器公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 各類變質(zhì)劑的制備

(1)實(shí)驗(yàn)用重500g的圓錠狀A(yù)l-4.5P，用手工鋸將其鋸成1cm3～2cm3大小的鋁磷塊，然后用鋁箔紙包好。(2)實(shí)驗(yàn)用鐵基非晶與鎳基非晶均為厚30μm的金屬薄帶，為使非晶快速熔化，需將非晶剪成0.2cm2～0.5 cm2的小碎片。(3)實(shí)驗(yàn)用的TiC粉末為吉林大學(xué)鑄造實(shí)驗(yàn)室老師制備，TiC粉末在銅合金的變質(zhì)處理上取得了顯著效果，本實(shí)驗(yàn)之一是把TiC粉末用于鋁合金變質(zhì)，試圖研究TiC粉末對(duì)Al-18Si-2Cu的初生硅是否有細(xì)化作用。

1.3.2 過(guò)共晶鋁硅合金的變質(zhì)過(guò)程

以加入Al-P和Ni非晶復(fù)合變質(zhì)劑為例：把600g左右的Al-18Si-2Cu合金板放入坩堝中，把爐溫調(diào)到850 ℃，等待鋁合金熔化；用打渣勺清除鋁合金液體上方的氧化物；用鋁箔紙包裹Al-P，用打渣勺將其按入坩堝底部，待Al-P熔化后，充分?jǐn)嚢?，然后保?0min；將Ni非晶碎片均勻撒入到坩堝中，充分?jǐn)嚢?，然后保?min；加入清渣劑，加入量約為0.5%，將清渣劑用鋁箔包裹，用打渣勺將其按入爐子底部，待打渣劑熔化后攪拌，保溫2min～3min，用打渣勺將爐渣清出；用坩堝鉗夾出坩堝，從模具的一側(cè)，將金屬液澆注到金屬模中，待其冷卻后，取出鋁板。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 鑄態(tài)組織與性能

2.1.1 未變質(zhì)Al-18Si-2Cu合金

如圖1所示，圖中深灰色片狀部分為初生硅，顏色稍淺條狀部分為共晶硅，而近白色部分為共晶鋁。可以看出，未變質(zhì)的過(guò)共晶Al-18Si-2Cu合金中的初生硅形狀不規(guī)整，呈多角形且初晶硅晶粒粗大，平均尺寸在130μm左右。此外，由圖1(a)可以看出，未經(jīng)變質(zhì)的初晶硅分布及其不均勻。這樣的過(guò)共晶鋁硅合金力學(xué)性能很差，不經(jīng)過(guò)變質(zhì)細(xì)化是很難在工業(yè)生產(chǎn)中使用的。

圖1 未變質(zhì)過(guò)共晶Al-18Si-2Cu合金的組織Fig.1 Microstructure of unmodified eutectic Al-18Si-2Cu alloy

2.1.2 Al-P變質(zhì)

試驗(yàn)中加入0.5wt.%的Al-P變質(zhì)劑。如圖2所示，Al-P對(duì)過(guò)共晶Al-18Si-2Cu合金的變質(zhì)作用十分明顯，經(jīng)過(guò)Al-P變質(zhì)劑變質(zhì)之后，初生硅的尺寸明顯變小，平均尺寸為20μm左右，初晶硅分布變得更均勻。初生硅形態(tài)由粗大的五角星形或者板形變?yōu)樾螤罹鶆虻亩噙呅危易兊酶訄A滑。Al-P變質(zhì)的機(jī)理是可以作為初生硅形成的核心，使得初生硅形成的核心增多，從而使初生硅變小，分布更加均勻。

圖2 Al-P變質(zhì)后過(guò)共晶Al-18Si-2Cu合金的組織Fig.2 Microstructure of hypereutectic Al-18Si-2Cu alloy modified by Al-P

Al-P變質(zhì)的Al-18Si-2Cu合金，試樣(0-1號(hào))尺寸3.74mm×1.62mm×10mm，抗拉強(qiáng)度220.5MPa，延伸率2.84%；試樣(0-2號(hào))尺寸3.74mm×1.76mm×10mm，抗拉強(qiáng)度208.0MPa，延伸率1.96%。可以看出，單獨(dú)使用Al-P變質(zhì)的Al-18Si-2Cu合金，平均抗拉強(qiáng)度為214MPa，平均延伸率為 2.4%。而通過(guò)查閱資料可知，未變質(zhì)的Al-18Si-2Cu抗拉強(qiáng)度大約為170MPa，變質(zhì)后其拉伸性能得到了大幅提高。

2.1.3 Al-P和Fe基非晶復(fù)合變質(zhì)

試驗(yàn)中，在爐內(nèi)加入0.5wt.%的Al-P和0.05wt.%的鐵基非晶復(fù)合變質(zhì)劑。如圖3所示，使用Al-P和Fe非晶復(fù)合變質(zhì)后，過(guò)共晶Al-18Si-2Cu合金中初晶硅的形狀大小并沒(méi)有明顯變化，共晶硅形態(tài)變得更加復(fù)雜，尺寸也有所減小，可以初步判斷Fe-非晶的作用機(jī)理是影響共晶硅或者共晶鋁的生長(zhǎng)方式，但是還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖3 Al-P和Fe非晶復(fù)合變質(zhì)后過(guò)共晶Al-18Si-2Cu合金的組織Fig.3 Microstructure of hypereutectic Al-18Si-2Cu alloy modified by Al-P and Fe amorphous composite

Al-P和Fe非晶復(fù)合變質(zhì)的Al-18Si-2Cu，試樣(1-1)號(hào)尺寸3.90mm×1.68mm×10mm，抗拉強(qiáng)度195.2MPa，延伸率1.97%；試樣(1-2)號(hào)尺寸3.94mm×1.52mm×10mm，抗拉強(qiáng)度200.4MPa，延伸率2.25%?？梢钥闯觯褂肁l-P和Fe非晶復(fù)合變質(zhì)的Al-18Si-2Cu合金，平均抗拉強(qiáng)度為197.8MPa，平均延伸率為 2.11%，相對(duì)于只用Al-P變質(zhì)后的Al-18Si-2Cu力學(xué)性能略有下降。

2.1.4 Al-P 和Ni非晶復(fù)合變質(zhì)

試驗(yàn)中，在爐內(nèi)加入0.5%的Al-P和0.1%的鐵基非晶復(fù)合變質(zhì)劑。如圖4所示，使用Al-P和Ni非晶復(fù)合變質(zhì)劑對(duì)過(guò)共晶Al-18Si-2Cu合金進(jìn)行變質(zhì)后，初晶硅與共晶硅變質(zhì)更為均勻，初晶硅不但尺寸變小而且形態(tài)變得更加圓滑，棱角不是很明顯，初晶硅平均尺寸為20μm。變質(zhì)效果比單獨(dú)使用Al-P變質(zhì)效果更好。

圖4 Al-P和Ni非晶復(fù)合變質(zhì)后過(guò)共晶Al-18Si-2Cu合金的組織Fig.4 Microstructure of hypereutectic Al-18Si-2Cu alloy modified by Al-P and Ni amorphous composite

Al-P 和Ni非晶復(fù)合變質(zhì)的Al-18Si-2Cu，試樣(2-1)號(hào)尺寸3.54mm×1.82mm×10mm，抗拉強(qiáng)度255.4MPa，延伸率3.18%；試樣(2-2)號(hào)尺寸3.78mm×1.96mm×10mm，抗拉強(qiáng)度247.6MPa，延伸率3.22%?？梢钥闯觯褂肁l-P和Ni非晶復(fù)合變質(zhì)的Al-18Si-2Cu合金，平均抗拉強(qiáng)度為251.5MPa，平均延伸率為 3.20%。合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率都比較高，原因是經(jīng)過(guò)Al-P和Ni非晶復(fù)合變質(zhì)后，Al-18Si-2Cu合金的初晶硅和共晶硅分布都比較均勻，初晶硅細(xì)小且圓滑。

2.1.5 Al-P 和TiC復(fù)合變質(zhì)

如圖5所示，使用Al-P和Ni非晶復(fù)合變質(zhì)劑對(duì)過(guò)共晶Al-18 Si-2Cu合金進(jìn)行變質(zhì)后，共晶硅和初晶硅的分布都相對(duì)均勻，初晶硅晶粒尺寸也有所減小，平均粒度尺寸為30μm左右，初生硅形態(tài)不規(guī)整，而且出現(xiàn)了條狀初晶硅，這會(huì)在材料受力時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中，影響使用。

Al-P 和TiC復(fù)合變質(zhì)的Al-18Si-2Cu，試樣(3-1)號(hào)尺寸3.66mm×1.98mm×10mm，抗拉強(qiáng)度183.7MPa，延伸率1.63%；試樣(3-2)號(hào)尺寸3.64mm×1.92mm×10mm，抗拉強(qiáng)度181.7MPa，延伸率1.43%。可以看出，經(jīng)過(guò)Al-P和Fe非晶復(fù)合變質(zhì)后，合金的平均抗拉強(qiáng)度為182.7 MPa，平均延伸率為1.53%。無(wú)論是抗拉強(qiáng)度還是延伸率都表明，Al-P和TiC復(fù)合變質(zhì)效果并不好。

圖5 使用Al-P和TiC復(fù)合變質(zhì)后過(guò)共晶Al-18Si-2Cu合金的組織Fig.5 Microstructure of hypereutectic Al-18Si-2Cu alloy modified by Al-P and TiC composite

2.2 熱處理對(duì)變質(zhì)Al-18Si-2Cu合金組織與性能的影響

為了提高力學(xué)性能、加工性能和穩(wěn)定尺寸，需對(duì)過(guò)共晶鋁硅合金進(jìn)行熱處理。本次實(shí)驗(yàn)對(duì)Al-18Si-2Cu采用T6熱處理。T6熱處理包括固溶處理和完全人工時(shí)效，即把合金加熱到高溫單相區(qū)恒溫保持，使過(guò)剩相充分溶解到固溶體中后快速冷卻(水冷)，以得到過(guò)飽和固溶體。較高的時(shí)效溫度和較長(zhǎng)的保溫時(shí)間可使合金獲得最大的硬度和最高的抗拉強(qiáng)度，但會(huì)使其伸長(zhǎng)率較低。根據(jù)合金成分不同，參數(shù)的選取也不同，本實(shí)驗(yàn)所選取的工藝參數(shù)為：500℃固溶處理8h，60℃～100℃水冷，然后在180℃進(jìn)行完全人工時(shí)效6h，空冷。

圖6為Al-P變質(zhì)Al-18Si-2Cu合金的熱處理組織，可以看出，T6熱處理使初生硅棱角鈍化，長(zhǎng)針狀的共晶硅變得更加細(xì)小。試樣在1822.8N的拉力下被拉斷，最大伸長(zhǎng)量為0.38mm，經(jīng)計(jì)算，試樣的抗拉強(qiáng)度為259.2MPa，延伸率為3.08 %。通過(guò)對(duì)比可以看出，試樣在T6熱處理之后抗拉強(qiáng)度和延伸率有一定提高，這主要是初生硅和共晶硅被球化減小了其對(duì)鑄件的割裂作用，提高了拉伸性能。

圖6 Al-P變質(zhì)Al-18Si-2Cu的熱處理組織Fig.6 Heat treatment structure of Al-18Si-2Cu alloy modified by Al-P

圖7為Al-P和Fe基非晶復(fù)合變質(zhì)Al-18Si-2Cu的熱處理組織。試樣在1761.6N的拉力下被拉斷，最大伸長(zhǎng)量為0.32mm，經(jīng)計(jì)算，試樣的抗拉強(qiáng)度為263.7MPa，延伸率為3.19%。與未經(jīng)熱處理的合金相比，試樣在T6熱處理之后抗拉強(qiáng)度和延伸率有一定提高。

圖8為Al-P和鎳非晶復(fù)合變質(zhì)Al-18Si-2Cu的熱處理組織。試樣在1761.0N的拉力下被拉斷，最大伸長(zhǎng)量為0.29mm，經(jīng)計(jì)算，試樣的抗拉強(qiáng)度為270.4MPa，延伸率為3.23%。T6熱處理使得基體得到了固溶強(qiáng)化，變質(zhì)Al-18Si-2Cu的硬度會(huì)有較大提高，完全人工時(shí)效使其抗拉強(qiáng)度有所提高。

圖7 Al-P和Fe基非晶復(fù)合變質(zhì)Al-18Si-2Cu的熱處理組織Fig.7 Heat treatment microstructure of Al-18Si-2Cu alloy modified by Al-P and Fe

圖8 Al-P和Ni基非晶復(fù)合變質(zhì)Al-18Si-2Cu的熱處理組織Fig.8 Heat treatment microstructure of Al-P and Ni amorphous composite modified Al-18Si-2Cu

圖9為Al-P和TiC復(fù)合變質(zhì)Al-18Si-2Cu的熱處理組織。試樣在1027.7N的拉力下被拉斷，最大伸長(zhǎng)量為0.081mm，經(jīng)計(jì)算，試樣的抗拉強(qiáng)度為182.5MPa，延伸率為1.91%。Al-P和TiC復(fù)合變質(zhì)Al-18Si-2Cu合金在鑄態(tài)下的抗拉強(qiáng)度和延伸率不高，經(jīng)過(guò)T6處理之后，試樣的性能與非晶處理的試樣仍有一定的差距。

圖9 Al-P和TiC復(fù)合變質(zhì)Al-18Si-2Cu的熱處理組織Fig.9 Heat treatment microstructure of Al-P and TiC composite modified Al-18Si-2Cu

2.3 非晶變質(zhì)處理溫度對(duì)Al-18Si-2Cu組織及性能的影響

通過(guò)實(shí)驗(yàn)和對(duì)比分析可以看到，使用Al-P和Ni基非晶作為變質(zhì)劑對(duì)Al-18Si-2Cu合金進(jìn)行復(fù)合變質(zhì)，變質(zhì)效果良好，無(wú)論是在鑄態(tài)下還是在T6熱處理后，變質(zhì)合金都具有較高的抗拉強(qiáng)度和延伸率。所以，我們有必要以溫度為變量，探討非晶變質(zhì)溫度對(duì)過(guò)共晶鋁硅合金組織及性能的影響，研究最適合Al-P和Ni基非晶復(fù)合變質(zhì)劑的變質(zhì)溫度。我們分別對(duì)變質(zhì)溫度為790 ℃、820 ℃、850 ℃進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

2.3.1 變質(zhì)溫度790℃

在850℃條件下熔化Al-18Si-2Cu合金板，然后把爐溫降低，用溫度計(jì)測(cè)量為790℃后，加入Al-P變質(zhì)劑，然后加入Ni基非晶。圖10為變質(zhì)后Al-18Si-2Cu合金的金相組織。試樣(0-1)號(hào)尺寸3.70mm×1.38mm×10mm，抗拉強(qiáng)度232.4MPa，延伸率3.10%；試樣(0-2)號(hào)尺寸3.70mm×1.32mm×10mm，抗拉強(qiáng)度224.1MPa，延伸率3.13%；經(jīng)計(jì)算，材料的平均抗拉強(qiáng)度為228.3 MPa，平均延伸率為3.12 %。

圖10 變質(zhì)溫度790℃下Al-18Si-2Cu合金的金相組織Fig.10 Metallographic structure of Al-18Si-2Cu Alloy at metamorphic temperature 790℃

2.3.2 變質(zhì)溫度820℃

圖11為變質(zhì)后Al-18Si-2Cu合金的金相組織。在相同試樣長(zhǎng)度下，變質(zhì)溫度為820 ℃時(shí)試樣的伸長(zhǎng)量高于變質(zhì)溫度為790℃的試樣。試樣(1-1)號(hào)尺寸3.36mm×1.80mm×10mm，抗拉強(qiáng)度292.1MPa，延伸率3.45%；試樣(1-2)號(hào)尺寸3.52mm×1.82mm×10mm，抗拉強(qiáng)度265.8MPa，延伸率3.24%；經(jīng)計(jì)算，試樣的平均抗拉強(qiáng)度為265.8MPa，平均延伸率為3.24%。相比之下，抗拉強(qiáng)度和延伸率均高于變質(zhì)溫度為790℃的試樣。

圖11 變質(zhì)溫度820℃下Al-18Si-2Cu合金的金相組織Fig.11 Metallographic structure of Al-18Si-2Cu Alloy at metamorphic temperature 820℃

2.3.3 變質(zhì)溫度850 ℃

圖12為變質(zhì)后Al-18Si-2Cu合金的金相組織。試樣(2-1)號(hào)尺寸3.50mm×1.66mm×10mm，抗拉強(qiáng)度249.5MPa，延伸率3.11%；試樣(2-2)號(hào)尺寸3.54mm×1.82mm×10mm，抗拉強(qiáng)度223.6MPa，延伸率3.19%；試樣(2-3)號(hào)尺寸3.64mm×1.28mm×10mm，抗拉強(qiáng)度237.5MPa，延伸率3.03%；經(jīng)計(jì)算，試樣的平均抗拉強(qiáng)度為236.8 MPa，延伸率為3.11%。相比于變質(zhì)溫度為820 ℃的試樣，其抗拉強(qiáng)度和延伸率都有所降低，說(shuō)明850 ℃的變質(zhì)溫度下，Ni非晶的孕育效果受到了弱化。

圖12 變質(zhì)溫度850℃下Al-18Si-2Cu合金的金相組織Fig.12 Metallographic structure of Al-18Si-2Cu Alloy at metamorphic temperature 850℃

3 結(jié)論

本文研究了復(fù)合變質(zhì)對(duì)Al-18Si-2Cu合金組織及性能的影響，得到了如下結(jié)論：

(1)Al-P是一種有效細(xì)化過(guò)共晶鋁硅合金中初生硅的變質(zhì)劑，加入Al-P后，Al-18Si-2Cu中的初晶硅變得均勻，平均晶粒尺寸由130μm降低到20μm。Al-P變質(zhì)后Al-18Si-2Cu合金平均抗拉強(qiáng)度為214MPa，平均延伸率為2.4%。

(2)非晶對(duì)初生硅影響不大，但能增加共晶硅的形核數(shù)量，使針狀的共晶硅得到細(xì)化。加入非晶后，Al-18Si-2Cu合金的抗拉強(qiáng)度有一定提高，其中Ni非晶的變質(zhì)效果比Fe非晶好。在拉伸試驗(yàn)中，Al-P與Fe非晶的復(fù)合變質(zhì)后，材料的抗拉強(qiáng)度為197.7MPa，延伸率為 2.11%；而Al-P與Ni非晶的復(fù)合變質(zhì)后，材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了251.5MPa，延伸率為3.20%。

(3)Al-P與TiC復(fù)合變質(zhì)對(duì)Al-18Si-2Cu的變質(zhì)效果不太明顯。變質(zhì)后，試樣的延伸率為1.53%，抗拉強(qiáng)度為182.7MPa。

(4)T6熱處理不能改變初生硅的大小，但能使初生硅晶粒圓鈍化，此外，熱處理能使針狀和條狀的共晶硅粒化。在拉伸試驗(yàn)中，圓鈍化的初晶硅和粒狀的共晶硅能減少應(yīng)力集中，減小了其對(duì)鑄件的割裂作用，使變質(zhì)后的Al-18Si-2Cu抗拉強(qiáng)度都有所提高。

(5)最適合Ni基非晶的變質(zhì)溫度是820℃，此時(shí)，變質(zhì)后的Al-18Si-2Cu具有最大的抗拉強(qiáng)度278.9MPa和最高的延伸率3.39%，當(dāng)溫度達(dá)到850℃時(shí)，Ni基非晶的變質(zhì)效果受到了弱化。