成分互補熔體混合對過共晶鋁硅合金組織的影響

孫 虎，楊凱雯，蔣 壯，陳雪美，吳 婷，李康嵐

（宿遷學(xué)院 材料工程系，江蘇宿遷 223800）

0 引言

過共晶鋁硅合金具有獨特性能特點，如較高的耐磨性、良好的機(jī)械性能、低熱膨脹系數(shù)和低密度。這些特性在汽車行業(yè)以及一些耐磨工況環(huán)境特別適用，因此其常用于節(jié)能型車輛的輕質(zhì)部件，如活塞、連桿、發(fā)動機(jī)缸體等[1-3]。然而，在傳統(tǒng)的重力鑄造中，合金的微觀組織是粗大的、不規(guī)則形狀的初生硅顆粒，因此對機(jī)械性能和合金的耐磨性產(chǎn)生不利影響。初生硅相的形態(tài)還存在多邊形、星狀或魚骨狀等形態(tài)，因合金中Si 含量不同而異。初生硅顆粒硬且脆，容易在顆粒邊緣產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而誘發(fā)產(chǎn)生裂紋。因此過共晶合金性能的提升依賴于原生硅顆粒和共晶硅的尺寸、分布和形態(tài)的改善。目前有幾種技術(shù)可以改善初生硅的尺寸、分布和形態(tài)，例如熔體處理、半固態(tài)成型、擠壓細(xì)化等[4]。

其中有工業(yè)前景的研究是熔體處理，通過添加合金元素或稀土金屬進(jìn)行化學(xué)處理，使初生硅顆粒通過精煉和改性，或通過改變?nèi)垠w的結(jié)構(gòu)，從而獲得理想的凝固組織[5-7]。熔體混合是將兩種不同溫度和成分的合金或金屬的熔體混合，最終經(jīng)過擴(kuò)散、熔體相互作用并凝固成目標(biāo)成分合金的熔體處理過程。通常的熔體混合技術(shù)主要有：高低溫熔體混合、高低成分熔體混合兩種。高低成分熔體混合是通過將兩種不同溶質(zhì)元素含量的熔體混合成所期望成分合金的熔體混合方法，這種方法熔體成分純凈，在操作過程中不會帶入其他合金元素，因此是一種非常有發(fā)展前景的熔體處理技術(shù)[8-10]。本文通過對高低Si 含量的熔體進(jìn)行混合，研究成分互補對鑄態(tài)合金的微觀組織的影響。

1 試驗材料與方法

試驗采用的合金均為工業(yè)純鋁與多晶硅配制而成，用來進(jìn)行熔體混合的成分分別為Al-7%Si合金、Al-12%Si 合金、Al-25%Si 合金。合金配制在SG2-5-10 井式電阻爐內(nèi)進(jìn)行，經(jīng)六氯乙烷精煉后澆至金屬型內(nèi)待用。

熔體混合在兩臺井式電阻爐內(nèi)進(jìn)行，分別加熱高低成分兩種合金，待加熱至設(shè)定溫度后，從井式爐取出，經(jīng)撇渣后，將高成分熔體取出，倒入低成分熔體的坩堝中，并充分的攪拌，待攪拌結(jié)束后澆入金屬型模具中冷卻。成分互補熔體混合方案如表1 所示。為考察熔體混合后合金的重熔穩(wěn)定性，對熔體混合后的合金再次加熱至730℃，后澆注至金屬模中，本次試驗重熔1，2 次。

表1 成分互補熔體混合實驗方案

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 不同成分互補熔體混合的對比

圖1 為兩種不同成分的互補熔體混合后的Al-20%Si 合金鑄態(tài)組織與常規(guī)鑄造的條件下Al-20%Si 合金的光學(xué)顯微組織圖，其中圖1a 為常規(guī)鑄造的合金組織，圖1b 為Al-12%Si 合金與Al-25%Si 混合后的鑄態(tài)組織，圖1c 為Al-7%Si合金與Al-25%Si 混合后的鑄態(tài)組織，從圖1 可見，鑄態(tài)合金的基體為α-Al 組織，在α-Al 基體上存在粗大不規(guī)則形狀的初生硅組織和針狀的共晶硅組織，因其顆粒數(shù)目有限，無法完成有效的顆粒平均直徑統(tǒng)計，其平均直徑約為127μm。相對于原始鑄態(tài)組織，經(jīng)Al-12%Si 合金與Al-25%Si 混合后的鑄態(tài)組織中，初生硅發(fā)生明顯的細(xì)化，經(jīng)統(tǒng)計其顆粒平均直徑約為35μm。而經(jīng)Al-7%Si 合金與Al-25%Si 混合后，初生硅的顆粒平均直徑約為26μm。但從顆粒的形狀上看，初生硅的形態(tài)無論是否熔體混合均呈現(xiàn)不規(guī)則塊狀，熔體混合技術(shù)并不能改變第二相顆粒的形狀。

成分互補的熔體混合過程是一個熔體溫度場均勻化和濃度場均勻化的過程。在兩種不同溫度、濃度的熔體混合過程中，當(dāng)高濃度高溫度合金熔體倒入低濃度低溫度合金熔體時，高溫熔體迅速冷卻，低溫熔體迅速升溫，此時熔體的內(nèi)部溫度和成分極度的不均勻，導(dǎo)致液相中出現(xiàn)強(qiáng)烈的對流。這種對流，一方面，流體流動時產(chǎn)生的沖擊剪切力作用于初生硅晶核，使其發(fā)生碎裂分離，這些晶核的碎片在強(qiáng)對流的作用下被帶到局部高溫處，熔化形成更多更小的碎片。另一方面，混合熔體中的原子團(tuán)或初生硅核也會隨著對流在熔體內(nèi)部游動。游到高溫區(qū)會熔化，游到低溫區(qū)會生長。由于混合熔體存在明顯的溫度起伏，在游動過程中成核的粒子會反復(fù)生長或局部熔化，最終會增加核數(shù)，從而使初生硅得到細(xì)化[11]。

2.2 熔體混合組織的重熔穩(wěn)定性

熔體混合后的合金，經(jīng)1，2 次重熔至730℃，而后再次冷卻至室溫，其組織如圖2 所示?？梢钥闯觯瑘D2a 的1 次重熔的凝固組織，初生硅尺寸明顯小于圖1a 的原始合金的初生硅尺寸；圖2b 是2次重熔的凝固組織，組織中的初晶硅明顯粗大，幾乎接近于原始合金的初生硅組織。這說明，熔體混合處理合金具有一定程度的1 次重熔穩(wěn)定性，2次重熔細(xì)化效果幾乎消失。熔體混合時，熔體內(nèi)部存在成分和組織的極大不均勻性，短時間的過熱處理并不能消除混合熔體的不均勻性。因此經(jīng)過1 次重熔后合金中初生硅的尺寸并沒有明顯長大，但是隨著重熔次數(shù)的增加，這種組織的遺傳性會逐漸隨著熔體的均勻化慢慢消失。

圖1 不同成分互補混合的Al-20wt%Si 合金的鑄態(tài)組織

圖2 熔體混合合金經(jīng)1，2 次重熔的室溫組織

3 結(jié)論

（1）成分互補熔體混合處理可以有效地細(xì)化初生硅顆粒，且混合的熔體成分差異越大，細(xì)化效果越明顯。

（2）經(jīng)1 次重熔后仍能保持一定的細(xì)化效果，但2 次重熔后細(xì)化效果消失。