趙 嵐，楊明曉，高 堯，張 余，童 先（1.浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 a.材料工程系，b.汽車與機(jī)械工程學(xué)院，浙江溫州325003；2.溫州萊特激光工程研究院有限公司，浙江溫州325003）

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基于正交試驗(yàn)的過共晶Al-20Si合金變質(zhì)工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙 嵐1a，楊明曉1a，高 堯1a，張 余1b，童 先1，2
（1.浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 a.材料工程系，b.汽車與機(jī)械工程學(xué)院，浙江溫州325003；
2.溫州萊特激光工程研究院有限公司，浙江溫州325003）

摘 要：基于L9（34）正交試驗(yàn)，本文對(duì)過共晶Al-20Si合金進(jìn)行變質(zhì)處理。通過直觀和方差分析，確定最佳的變質(zhì)工藝參數(shù)。結(jié)果表明：正交試驗(yàn)最佳的工藝參數(shù)為A2B2C1D2，變質(zhì)工藝參數(shù)為0.04%的P添加量，0.6%的RE混合稀土添加量，20 min的變質(zhì)時(shí)間以及780℃的變質(zhì)溫度，此時(shí)初生Si相轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則的六邊形，平均尺寸為24.84 μm，共晶硅相細(xì)化明顯；因素A（P添加量）對(duì)變質(zhì)效果有顯著影響，B、C、D因素（分別為RE混合稀土添加量、變質(zhì)時(shí)間和變質(zhì)溫度）對(duì)變質(zhì)效果有一定的影響作用，各因素的影響程度分別為P添加量＞RE混合稀土添加量＞變質(zhì)溫度＞變質(zhì)時(shí)間。

關(guān)鍵詞：過共晶Al-20Si合金；正交試驗(yàn)；變質(zhì)處理；組織形貌

過共晶Al-Si合金因其具有較高的比強(qiáng)度、優(yōu)良的耐磨蝕性能和導(dǎo)熱性能、出色的鑄造性能以及良好的機(jī)械加工性能，被廣泛應(yīng)用于汽缸體、發(fā)動(dòng)機(jī)活塞等汽摩配件上［1-4］。然而，組織中粗大的塊狀或十字狀初生Si相和針狀的共晶Si相極易造成內(nèi)應(yīng)力的聚集，嚴(yán)重時(shí)將割裂基體，造成產(chǎn)品失效斷裂［5-6］。因此過共晶Al-Si合金若不經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖冑|(zhì)處理，很難被運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)中。本文通過設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，研究了P和RE混合稀土添加量以及變質(zhì)時(shí)間和變質(zhì)溫度對(duì)過共晶Al-20Si合金組織的影響，依據(jù)直觀和方差分析，確定最佳的初生Si相變質(zhì)工藝參數(shù)。

1.樣制備和試驗(yàn)方案

1.1.樣制備

在過共晶Al-20Si合金熔煉過程中，選用SC-7.5-10型坩堝電阻爐進(jìn)行熔煉，每爐次合金的重量約為2 kg左右。首先將石墨坩堝預(yù)熱至500～600℃，同時(shí)將準(zhǔn)確稱量好的工業(yè)純鋁錠、結(jié)晶硅和變質(zhì)劑（包括Al-4P中間合金和RE混合稀土）預(yù)熱到200℃左右；將稱量好的鋁錠加入坩堝中，升溫使其熔化，待鋁錠完全熔化后，將溫度升至800℃，加入結(jié)晶硅，熔化過程中加入覆蓋劑，形成熔池后，扒去表面熔渣；根據(jù)正交試驗(yàn)列出的各組試驗(yàn)參數(shù)，將相應(yīng)量的Al-P中間合金和RE混合稀土用鋁箔包好以鐘罩壓入鋁液中，待完全熔化后攪拌均勻。將溫度調(diào)至正交試驗(yàn)的相應(yīng)溫度，保溫相應(yīng)時(shí)間后，加入適量清渣劑；再通入0.3%～0.5% C2Cl6對(duì)熔體進(jìn)行除氣精練，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝髮⑷垠w靜置5 min，扒去表面熔渣。待溫度為720℃時(shí)將合金液澆入被預(yù)熱250℃的內(nèi)腔尺寸為φ20 mm×200 mm，拔模斜度為1°的圓柱形金屬模具中。

過共晶Al-20Si合金及RE混合稀土經(jīng)X射線熒光光譜儀分析檢測(cè)，成分見表1和表2所示。

表1 Al-20Si合金化學(xué)成分 位：%

表2 RE混合稀土化學(xué)成分 單位：％

1.2.驗(yàn)方案

本試驗(yàn)采用L9（34）正交試驗(yàn)表對(duì)過共晶Al-20Si合金進(jìn)行變質(zhì)處理，研究不同變質(zhì)劑含量（P添加量和RE混合稀土添加量）以及變質(zhì)工藝（變質(zhì)時(shí)間和變質(zhì)溫度）對(duì)合金中初生Si相的形貌、尺寸、分布情況等影響，從而確定最佳的變質(zhì)工藝。本試驗(yàn)的因素和水平的選擇參照參考文獻(xiàn)［7-9］并結(jié)合前期試驗(yàn)確定。正交試驗(yàn)的具體參數(shù)設(shè)計(jì)見表3所示。

表3.交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

從各組鑄件同一部位截取試塊，制成金相試樣。用0.5%HF水溶液腐蝕試樣，在Leica DM2500M光學(xué)顯微鏡觀察試樣的金相組織；用Image Pro Plus 6.0軟件測(cè)量組織中初生Si相的尺寸，并取平均值作為初生硅相的平均尺寸；用布魯克X熒光光譜儀測(cè)量試樣的元素組成。

2.果與分析

2.1.驗(yàn)結(jié)果

圖1為未變質(zhì)處理的過共晶Al-20Si合金鑄態(tài)組織。由圖1可以看出，組織中不規(guī)則的長條狀或塊狀初生Si相不均勻的分布在白色α-Al基體上，邊緣處具有較尖銳的棱角，初生Si相上存在大小不一的“窟窿孔”，其主要由于初生Si相上存在較大縱橫比的孿晶面，而孿晶面凹槽處在金相組織中表現(xiàn)為大小不一的“窟窿孔”［10］。初生Si相尺寸差異較大，其最大尺寸約230 μm左右，平均尺寸約83 μm左右。細(xì)針狀的共晶Si相分布于初生Si相四周，分布不均勻，出現(xiàn)明顯的偏聚現(xiàn)象。

圖1.共晶Al-20Si合金變質(zhì)處理前鑄態(tài)組織

圖2為正交試驗(yàn)后過共晶Al-Si合金的金相組織圖。表4為不同變質(zhì)工藝條件下初生硅尺寸測(cè)量值對(duì)比表。由圖2和表4可知，經(jīng)過變質(zhì)處理后，組織中初生Si相大部分轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則的四邊形、五邊形和六邊形，邊緣鈍化不明顯，仍有鋒利的棱角存在，窟窿孔基本消失。尺寸相比未變質(zhì)時(shí)有了明顯的細(xì)化，平均尺寸在26.64 μm～49.7 μm之間。共晶硅相除了在A2B3C1D2和A3B2C1D3工藝條件下有明顯的細(xì)化外，其余幾組尺寸相比未變質(zhì)時(shí)變化不明顯，仍以針棒狀存在，分布較未變質(zhì)時(shí)更加均勻。

圖2.同變質(zhì)工藝條件下Al-20Si合金的顯微組織

表4.同變質(zhì)工藝條件下初生硅平均尺寸測(cè)量值對(duì)比

2.2.果分析

2.2.1.觀分析

表5為不同變質(zhì)工藝條件下過共晶Al-20Si合金初生Si相平均尺寸直觀分析表。由表可知，細(xì)化處理的最佳工藝參數(shù)為A2B2C1D2。即P的添加量為0.04%，RE混合稀土的添加量為0.6%，變質(zhì)時(shí)間為20 min，變質(zhì)溫度為780℃。由表中極差值可知：A因素（P添加量）的極差值最大，對(duì)細(xì)化作用影響最為顯著，其次是B因素（RE混合稀土添加量）、D因素（變質(zhì)溫度）和C因素（變質(zhì)時(shí)間）。

表5.生Si相平均尺寸直觀分析

2.2.2.差分析

表6為過共晶Al-20Si合金初生Si相平均尺寸方差分析表，A、B、C、D因素的自由度f值都為2，試驗(yàn)誤差SE的自由度f值是8，通過查顯著性水平的F分布表可知，當(dāng)α=0.1時(shí)，F(xiàn)0.1（2，8）=3.11，當(dāng)α=0.05時(shí)，F(xiàn)0.05（2，8）=4.46，因此表6中因素A對(duì)變質(zhì)作用為顯著影響，B、C、D因素對(duì)變質(zhì)效果有一定影響作用，各因素的影響程度分別為P添加量＞RE混合稀土添加量＞變質(zhì)溫度＞變質(zhì)時(shí)間。

2.3.證試驗(yàn)

由于直觀與方差分析得出的最佳工藝參數(shù)A2B2C1D2不在正交試驗(yàn)九組試驗(yàn)組中，因此設(shè)計(jì)了A2B2C1D2工藝對(duì)初生Si相進(jìn)行變質(zhì)處理的驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)所得金相組織見圖3。由圖3可知，該工藝條件下初生Si相轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則的六邊形，窟窿孔消失，平均尺寸進(jìn)一步減小，達(dá)到24.84 μm，相比正交試驗(yàn)九組試驗(yàn)組中最佳組的初生Si相平均尺寸減小了1.8 μm。共晶Si相細(xì)化變短，分布更加均勻。驗(yàn)證組中初生Si相的變質(zhì)效果也印證了正交試驗(yàn)的直觀和方差分析所得出的結(jié)論。

3.論

（1）在正交試驗(yàn)九組試驗(yàn)組中，經(jīng)變質(zhì)處理后組織中初生Si相大部分轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則的四邊形、五邊形和六邊形，尺寸有了明顯的細(xì)化，平均尺寸由未變質(zhì)時(shí)的83 μm減小至26.64 μm～49.7 μm之間。

（2）通過直觀分析，得出了初生Si相變質(zhì)處理的最佳工藝參數(shù)為A2B2C1D2。該變質(zhì)工藝參數(shù)為0.04%的P添加量，0.6%的RE混合稀土添加量，20 min的變質(zhì)時(shí)間以及780℃的變質(zhì)溫度。由極差值大小可知：A因素（P添加量）的極差值最大，對(duì)細(xì)化作用影響最為顯著，其次是B因素（RE混合稀土添加量）、D因素（變質(zhì)溫度）和C因素（變質(zhì)時(shí)間）。

（3）通過方差分析，得出了因素A（P添加量）對(duì)變質(zhì)作用為顯著影響，B、C、D因素（分別為RE混合稀土添加量、變質(zhì)時(shí)間和變質(zhì)溫度）對(duì)變質(zhì)效果有一定的影響作用，各因素的影響程度分別為P添加量＞RE混合稀土添加量＞變質(zhì)溫度＞變質(zhì)時(shí)間。

（4）在最佳工藝參數(shù)A2B2C1D2的驗(yàn)證試驗(yàn)中，初生Si相轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則的六邊形，平均尺寸進(jìn)一步細(xì)化，達(dá)到24.84 μm，共晶硅相細(xì)化變短，分布更加均勻。

表6.生Si相平均尺寸方差分析

圖3.2B2C1D2工藝下過共晶Al-20Si合金顯微組織

參考文獻(xiàn)：

［1］周志敏，王娜，李勇，等.過共晶Al-Si合金初晶Si相的細(xì)化機(jī)理［J］.特種鑄造及有色合金，2012，32（2）：99-102.

［2］楊穎，王宇鑫，張瑜，等.過共晶鋁硅合金耐磨性能的研究進(jìn)展［J］.金屬功能材料，2011，18（4）：P72-76.

［3］劉相法，喬進(jìn)國，宋西貴，等.Al-P中間合金在Al-Si活塞合金中的應(yīng)用［J］.特種鑄造及有色合金，2002（6）：43-45.

［4］肖海波，劉昌明，林雪冬，等.顆粒增強(qiáng)Al-20Si-5Mg合金氣缸套與鑄鐵氣缸套的性能比較［J］.特種鑄造及有色合金，2010，30（12）：1140-1144.

［5］賈海龍，張海濤，左克生，等.Al-20%Si合金初生硅宏觀偏聚和細(xì)化的試驗(yàn)研究［J］.鑄造，2013，62（9）：865-869.

［6］楊子潤，龐紹平，孫瑜，等.變質(zhì)及合金化對(duì)過共晶Al-20%Si合金組織及磨損性能的影響［J］.中國有色金屬學(xué)報(bào)，2013，23（5）：1218-1225.

［7］張訓(xùn)，張志峰，李大全，等.變質(zhì)工藝對(duì)過共晶Al-Si合金連鑄坯組織的影響［J］.特種鑄造及有色合金，2011，31（2）：183-186.

［8］張俊紅，任智森，趙群，等.變質(zhì)工藝影響過共晶Al-Si合金初晶硅細(xì)化的研究［J］.輕金屬，2006（10）：62-65.

［9］孔凡校.P、Sr、RE變質(zhì)對(duì)過共晶Al-Si合金組織形態(tài)的影響［J］.有色金屬：冶煉部分，2011（12）：46-49.

［10］C.L.Xu，H.Y.Wang，C.Liu，et al.Growth of octahedral primary silicon in cast hypereutectic Al-Si alloys［J］.Journal of Crystal Growth，2006，291：540-547.

（責(zé)任編輯：史子木）

中圖分類號(hào)：TG136.1.獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A.章編號(hào)：1672-0105（2016）02-0042-04

Doi:10.3969/j.issn.1672-0105.2016.02.012

收稿日期：2016-04-11

作者簡介：趙嵐，碩士，浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，主要研究方向：金屬材料及表面改性。

The Modification Process Optimization of HypereutecticAl-20Si Alloys Based on Orthogonal Experiment

Zhao Lan1，Yang Mingxiao1，Zhang Yu2，Tong Xian1，3
（1.a.Department of Material Engineering，b.Department ofAutomobile and Machinery Engineering，Zhejiang Industry&Trade
Vocational College，Wenzhou，325003，China；
2.Wenzhou Laite Laser Engineering Research Institute Co.Ltd，Wenzhou，325003，China）

Abstract:Based on L9（34）orthogonal experiment，modification treatments was made of hypereutectic Al-20Si alloys in this paper.Through direct analysis and variance analysis，the best process parameter of modification was determined.The results show that，the best process parameter of orthogonal experiment is A2B2C1D2，which is the quantity added of P is 0.04%，mixed rare earth is 0.6%，the modification time is 20min and the modification temperature is 780oC.The morphology of primary Si phase became regular hexagons and the average size were 24.84μm，eutectic Si phase were refined significantly；Factor A（the quantity added of P）has an obvious influence on modification effect，while B、C、D（mixed rare element，modification time and modification temperature）have some certain effects on modification effect.The extent of influence of these factors is the quantity added of P＞mixed rare element＞modification time＞modification temperature.

Keywords:hypereutectic al-20Si alloys；orthogonal experiment；modification treatments；morphology