任海濤，夏蘭廷，馬佰才

（太原科技大學材料科學與工程學院，太原 030024）

熔體互混對Al-16%Si過共晶鋁硅合金初生Si相形態(tài)的影響

任海濤，夏蘭廷，馬佰才

（太原科技大學材料科學與工程學院，太原 030024）

采用兩種不同熔煉工藝對Al-16%Si過共晶合金進行對比試驗，金相組織表明，其中高低溫兩種熔體互混后Al-16%Si過共晶合金中初生Si相均得到明顯細化，經力學性能檢測，互混合金在750℃的澆注條件下Al-16%Si合金強韌性最好。分析認為質量不同、成分不同的兩種熔體互混導致溫度和成分的不均勻性是使Al-16%Si合金初生Si細化的主要原因。

過共晶鋁硅合金；熔體互混；初生Si相

過共晶鋁硅合金具有密度小、耐磨、耐熱及熱膨脹系數低、易于鑄造成型等諸多優(yōu)點，是一種代替鐵基材料制備汽車活塞、連桿、空調壓縮機轉子及葉片等重要部件的理想材料，廣泛應用在航空、航天、汽車、造船、機械等工業(yè)部門中[1]。過共晶Al-Si合金的主要缺點是脆性大，切削加工性差。過共晶鋁硅合金的顯微組織由粗大多邊形的初晶硅和粗針狀的（Al+Si）共晶體所組成，其力學性能很低。初晶硅由極薄的六角形板狀晶重疊而成，板塊間結合力很弱[2]，脆性較大，受拉力時極易破裂。初晶硅又是極硬的質點，鑲嵌在軟基體上，切削加工時刀具極易磨損。在合金熔煉過程中，過共晶Al-Si合金通常采用變質處理，使初晶硅細化，該法工藝難度大，污染環(huán)境，增加成本。本實驗將兩種不同成分和溫度的共晶、過共晶Al-Si合金熔體相混合，在不同澆注溫度下制備過共晶Al-16%Si合金，研究熔體混合處理后對過共晶Al-16%Si合金中初生Si相的影響。

1 試驗方法

試驗所用原材料為ZL102、純Si和純Al。實驗所用設備是電阻坩堝、AM2001、JB-300B半自動沖擊試驗機、TH160里氏硬度計。試驗分兩組進行。第一組實驗通過常規(guī)熔煉工藝制備Al-16%Si合金，在不同的溫度下澆注：即將ZL102加熱至900℃，加入工業(yè)結晶硅，待其充分溶解后攪拌，保溫30min以促進合金成分的均勻化，然后將熔體溫度調整至750℃、800℃、880℃，分別澆入金屬型中。第二組試驗通過不同成分的高低溫熔體混合工藝制備Al-16%Si合金：即分別在兩個電阻爐中熔化質量相同的Al-12%Si合金和Al-20%Si合金，先將Al-12%Si加熱熔化，待其完全溶解后，加熱至570℃，將Al-20%Si熔體升溫至900℃，然后將高溫Al-20%Si熔體兌入Al-12%Si低溫熔體中進行混合，將混合熔體重新放入電阻爐中分別過熱至750℃、800℃、880℃，保溫15min后澆入金屬型中。

2 試驗結果及分析

圖1為Al-16%Si過共晶合金金相微觀組織，圖2為熔體互混后的Al-16%Si過共晶合金金相顯微組織。表1為常規(guī)熔煉工藝下獲得的Al-16%Si合金的硬度和沖擊韌性值。

表1 常規(guī)熔煉工藝下獲得的Al-16%Si合金的硬度和沖擊韌性值

由圖1可見，用常規(guī)工藝熔煉，在不同的澆注溫度下Al-16%Si合金中初生硅數量、尺寸及形態(tài)不同。750℃時，初生硅顆粒較細小數量多，個別晶粒有破碎現象；800℃時，初生硅尺寸明顯增大，數量減少；880℃時，初生硅顆粒尺寸進一步增大，顆粒內部破損嚴重，這些粗大的初生Si相對基體產生嚴重的割裂作用。由表1中力學性能數據可見，隨初生Si數量的減少及顆粒的增大，合金的硬度下降，沖擊韌性減小。在750℃的澆注溫度下Al-16%Si合金有最高的硬度和最好的韌性。

由圖2可見，用互混工藝熔煉，在不同澆注溫度下Al-16%Si合金組織中的初生Si相形態(tài)隨澆注溫度的提高逐漸粗大，形態(tài)惡化，在750℃下澆注時，合金中初生Si相細小、均勻且部分初生Si邊緣趨于圓鈍化，其形態(tài)優(yōu)于800℃和880℃澆注下的初生Si相。由表2中力學性能數據可知，互混工藝在750℃下澆注Al-16%Si合金的硬度與800℃下澆注時合金的硬度相當，但韌性有較大幅度提高，分別為9.20Jcm2、7.28Jcm2，提高了13.7%，表明互混后合金有較好的強韌性。

表2 熔體互混工藝下獲得的Al-16%Si合金的硬度和沖擊韌性值

根據激冷自由晶形核理論和熔斷分離形核理論[3，4]，較低的澆注溫度可增加自由晶核的數目。由Al-Si二元相圖，含16%Si的Al-Si合金的液-固二相溫度為690℃，在750℃時澆注僅過熱了60℃，在液相線附近澆注時，大量的晶核迅速形成，而此時金屬液仍處于澆注的流動中。因此晶體的熔斷和碎離均可成為新的晶核，導致在熔融的金屬中形成了大量的晶核。顯然，大量晶核的同時形成使晶核之間的間距減小，這將抑制枝晶的生成，從而使初生Si相以顆粒狀形態(tài)生長。然而，隨著澆注溫度的升高，大量形成的晶核將被較高的金屬熔體過熱所重新熔化，只有小部分晶核能夠存活。隨著形核密度的減小，晶核間距增大，導致初生硅尺寸增大，顆粒分布比較稀疏。由以上分析可知，750℃為最佳澆注溫度，880℃澆注時初生Si形態(tài)最差。

通過高低溫熔體互混過熱處理，組織中的初生Si明顯細化，這是由于兩種不同成分的高低溫熔體混合時，熔體內部存在著溫度和成分的極大不均勻性。將一部分低溫熔體與一部分高溫熔體相混合，低溫熔體被迅速加熱，高溫熔體被迅速冷卻，這樣所形成的混合熔體既具有高溫熔體的性質，又具有低溫熔體的性質。一方面，高低溫熔體快速混合并攪拌后，高溫熔體被低溫熔體快速冷卻而改善了散熱條件；高溫熔體由微觀均勻區(qū)域組成，高溫熔體結構狀態(tài)保持到混合熔體中，導致后續(xù)組織中初生Si相的均勻分布。低溫熔體由微觀不均勻區(qū)域組成，存在Si原子富集區(qū)，同時也存在Al原子富集區(qū)，當高、低溫熔體混合時，低溫熔體被高溫熔體加熱，低溫熔體向微觀均勻區(qū)域轉變，Si原子富集區(qū)Si-Si原子對Al原子富集區(qū)Al-Al原子對發(fā)生反應生成Al-Si原子對，能夠發(fā)生這種反應的熱力學條件如下[5]：

式中：UAl-Si——Al-Si原子對的作用能；

UAl-Al——Al-Al原子對的作用能；

USi-Si——Si-Si原子對的作用能。

由此可以定性說明，高溫熔體與低溫熔體混合后是吸熱的。據此可增大合金液在凝固過程中的過冷度。下式為晶核的臨界半徑與過冷度之間的關系[6]：

式中：Rk——晶核的臨界半徑；

Lm——金屬結晶潛熱；

Tm——凝固溫度；

△T——過冷度；

σΑl——界面能。

過冷度與體積自由能的變化之間的關系如下：

式中：△GV——體積自由能。

由式（2）和式（3）可知，隨著過冷度的增大，臨界晶核半徑減小，體積自由能的變化增大，結晶過程中的驅動力增加，有利于形核。在結晶溫度范圍內，過冷度的增大將促使形核速度增加，從而細化初生Si相。

高、低溫熔體混合，既克服了高、低溫熔體各自的缺點，又利用了兩者的優(yōu)點，從而達到細化初生Si相的目的[7]。

再將常規(guī)熔煉工藝與不同成分的高低溫熔體互混工藝在相同澆注溫度下所獲得的金相組織及力學性能作對比，即圖 1（a）與圖 2（a），圖 1（b）與圖 2（b），圖 1（c）與圖2（c）及表1與表2，明顯可見互混熔體在750℃下澆注的Al-16%Si合金中的初生Si相明顯細化于常規(guī)工藝750℃澆注的Al-16%Si合金中的初生Si相。同樣，在800℃、880℃澆注溫度下互混工藝與常規(guī)工藝相比，組織中初生Si相同樣得到明顯細化。再對力學性能進行對比可知：互混工藝的力學性能在所有澆注溫度下均優(yōu)于常規(guī)工藝?；セ旃に囋?50℃澆注溫度下Al-16%Si合金強韌性最高，硬度HBS79，沖擊韌性值9.20J/cm2，優(yōu)于常規(guī)工藝750℃澆注溫度下Al-16%Si的硬度HBS74，沖擊韌性值8.09J/cm2。

以上分析表明在降低澆注溫度對初生Si細化作用的同時，采用熔體互混激冷對細化過共晶Al-Si合金中的初生Si相起著更重要的作用。

3 結論

（1）降低澆注溫度可使Al-16%Si合金中的初生Si細化，在750℃時效果最好。

（2）互混熔煉工藝對Al-16%Si合金中的初生Si細化及力學性能有較大提高且優(yōu)于常規(guī)熔煉工藝的Al-16%Si。在750℃的澆注溫度，硬度由HBS74提高到HBS79，沖擊韌性值由 8.08J/cm2提高到 9.20J/cm2。

（3）激冷溫度和成分不均勻性是使Al-16%Si合金中初生Si相細化的主要原因。

[1]彭晉民，錢翰城.鑄態(tài)鑄造鋁硅合金的現狀和發(fā)展[J].鑄造技術，2000（6）：32-34.

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[5]吳長春，郝德慶.物理化學[M].北京：機械工業(yè)出版社，1988：101-102.

[6]崔忠圻.金屬學及物理[M].北京：機械工業(yè)出版社，1989.

[7]葉春生，張新平.熔體溫度處理對初生Si相細粒化的研究[J].汽車工藝與材料，2002.

The Effect of Cross M ixing of the M elt on the M orphology of Primary Silicon of the Hypereutectic Al-16%Si Alloy

REN HaiTao，XIA LanTing，Ma BaiCai
（Material Processing Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，Shanxi China）

By the com parative tests of two d ifferent melting p rocess of hypereutec tic Al-16%Si alloy，m icrostruc ture showed that p rimary Si phase of the two hypereutec tic Al-16%Si alloy has been significantly refined.After the mechanical p roperties testing，the streng th and toughness of Al-16%Si Alloy were the best at 750℃.Analysis showed that the m ain reason for refining p rimary Si of the Al-16%Si alloy was the inhomogeneity of tem perature and component lead by the m ixture of two melts of d ifferent quality and com ponent.

Hypereutec tic Al-Si alloy；Melt m ixture；Prim ary Si phase

TG146.21;

A；

1006－9658（2011）02－3

2010－10－18

2010－153

任海濤（1983-），女，在讀碩士研究生，研究方向為新型金屬材料的腐蝕與防腐