方琳 唐立丹 王冰 劉亮 王建中 遼寧工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

脈沖頻率對(duì)富鎳鋁硅活塞合金組織及性能的影響

方琳 唐立丹 王冰 劉亮 王建中 遼寧工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

通過(guò)金相顯微分析、能譜分析、相結(jié)構(gòu)分析、顯微硬度分析等實(shí)驗(yàn)，研究了脈沖頻率對(duì)富鎳Al-Si活塞合金組織和性能的影響。結(jié)果表明，在富鎳Al-Si活塞合金中，當(dāng)脈沖參數(shù)為300V、5Hz、30s時(shí)，富鎳高溫相尺寸細(xì)小，分布均勻，顯微硬度提高了9.41%，電脈沖孕育處理可以細(xì)化合金凝固組織，提高α（Al）基體中Cu、Ni、Si等元素的固溶度，偏析得到改善，分布趨于均勻合理。

Al-Si 活塞 相結(jié)構(gòu) 顯微硬度

活塞材料的選擇與優(yōu)化是決定發(fā)動(dòng)機(jī)整體質(zhì)量的關(guān)鍵。目前，含Si量為11%～13%的Al-Si共晶合金已成為國(guó)內(nèi)外車用內(nèi)燃機(jī)整體活塞的首選材料，但鋁硅活塞合金所固有的熱強(qiáng)度不高，難以切削加工，使其在生產(chǎn)應(yīng)用中有一定的局限性，所以必須對(duì)其進(jìn)行后續(xù)工藝處理改善切削性能。在Al-Si合金中加入適量的Ni元素，組織中可生成Al3（Cu Ni）、Al6Cu3Ni等復(fù)合耐熱相來(lái)提高合金的高溫強(qiáng)度和耐熱性。電脈沖處理技術(shù)作為一種新型的金屬材料處理技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。它不僅可用于控制液態(tài)金屬的凝固組織，還可以改善固體的材料的范性加工和金屬再結(jié)晶等性能。本文將電脈沖孕育處理應(yīng)用于富鎳Al-Si合金組織和性能的影響規(guī)律，分析其作用機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)以工業(yè)純鋁、電解銅、電解錳、金屬鎳和Al-Si、Al-Mg、Al-Ni中 間 合 金 制 備Si-13%Cu-3．7%Ni-2．5%Mg1%Ti0．12%Mn0．12%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))共晶鋁硅活塞合金。首先將適量預(yù)制的Al-Si、Al-Mg、Al-Ni中間合金放入井式電阻爐（鎳鉻-鎳硅熱電偶控溫），爐料溫度升至750℃并保溫至全部融化，當(dāng)坩堝中的合金全部處于熔融狀態(tài)時(shí)，在保溫10min，然后進(jìn)行除氣（除氣劑為C2Cl6）精煉，然后靜置5min；采用不同的電脈沖參數(shù)進(jìn)行熔體處理，其中電級(jí)采用高純石墨電級(jí)，插入熔體前于400℃預(yù)熱2min，消除其對(duì)熔體溫度的影響，保溫5min后澆鑄到已預(yù)熱的金屬型中。待試樣完全凝固冷卻后，選取鑄件，分別制成金相試樣，并使用0．5%HF進(jìn)行腐蝕。在Zeiss光學(xué)顯微鏡、S-3000N掃描電鏡分析儀和D/max-2500/PC型X射線衍射儀上進(jìn)行組織觀察、物相分析、和HV-1000N型顯微硬度測(cè)試。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 脈沖頻率對(duì)Al-Si多元活塞合金組織的影響

由圖1可知，電脈沖孕育處理對(duì)Al-Si合金凝固組織細(xì)化作用顯著。圖中淺色基體為α（Al）相，深色片狀物為初晶Si相，深色條狀為共晶Si相，淺色絮狀物為高溫強(qiáng)化相。圖1（a）為未處理的Al-Si合金的凝固組織，相較電脈沖處理后的（b）、（c）、（d），Al-Si合金的凝固組織初晶Si粗大，分布不均勻共晶相分布散亂、不集中，尖角多并且呈現(xiàn)絮狀高溫相粗大沿樹枝晶，α（Al）相分布不均勻。電脈沖孕育處理后，合金中無(wú)粗大α（Al）枝晶，初生α（Al）相數(shù)量略有增加，絮狀高溫相細(xì)小彌散分布于α（Al）相周圍，劉相法等認(rèn)為α（Al）基體相形貌對(duì)第二相分布以及活塞合金力學(xué)性能影響顯著，當(dāng)Ni含量小于1%時(shí)，α（Al）枝晶的二次枝晶臂對(duì)富Ni相有分散細(xì)化作用。由圖1可知，初生Si相細(xì)化明顯，有學(xué)者認(rèn)為，經(jīng)電脈沖孕育處理的初生Si組織明顯細(xì)化，是由于電脈沖的反復(fù)激勵(lì)振蕩使熔體中Si團(tuán)簇結(jié)構(gòu)漲落的微觀統(tǒng)計(jì)分布上成為Si團(tuán)簇的有利結(jié)構(gòu)，即Si團(tuán)簇的粗化過(guò)程被阻礙。

圖1 不同脈沖頻率對(duì)富鎳Al-Si合金組織的影響Fig． 1 Microstructure of the Ni-rich Al-Si alloy at different pulse frequencies（a）0Hz（b）300V，3Hz，30s（c）300V，5Hz，30s（d）300V，10Hz，30s

圖2（a）（b）（c）（d）為經(jīng)不同電脈沖參數(shù)孕育處理的XRD衍射圖譜，圖中均有Al、Si、Mg2Si、Al7Cu4Ni相和Al7Cu23Ni相，結(jié)果表明電脈沖孕育處理僅僅改善了富Ni高溫相的尺寸與分布，沒(méi)有產(chǎn)生有害于合金組織的新相。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和能譜分析，魚骨狀的富Ni高溫相為Al7Cu4Ni相，經(jīng)電脈沖孕育處理后，粗大魚骨狀的Al7Cu4Ni相得到細(xì)化，均勻分布于基體中。

圖2 不同脈沖頻率XRD圖譜Fig． 2 The XRD patterns at different pulse frequencies

圖3為掃描電鏡金相組織。圖3（a）為未電脈沖孕育處理試樣，富Ni高溫相成魚骨狀；圖3（b）為電脈沖孕育處理試樣組織，由圖可示粗大的魚骨狀高溫相消失，呈桿狀均勻地分布在基體中，分析認(rèn)為，在α（Al）相固液界面前沿存在著巨大的Ni溶質(zhì)富集，這為富Ni高溫相形核與長(zhǎng)大提供物質(zhì)基礎(chǔ)。同時(shí)，富Ni高溫相在共晶Si相端部形核，并沿α（Al）枝晶長(zhǎng)大，從而起到釘扎晶界的作用。經(jīng)電脈沖孕育處理后，共晶Si相網(wǎng)狀消失，呈短小棒狀分布于基體中，富Ni相在共晶Si上沿Si的走向斷續(xù)分布生長(zhǎng)，因而使依附其形核生長(zhǎng)的富Ni相形核點(diǎn)數(shù)目增多，失去無(wú)限粗大生長(zhǎng)的基礎(chǔ)，同時(shí)，增大富Ni相在α（Al）相周圍釘扎生長(zhǎng)的幾率，達(dá)到阻礙晶界擴(kuò)展提高強(qiáng)度的目的。

圖3 不同脈沖頻率處理對(duì)高溫相的影響Fig． 3 Different high-temperature phases in twosamples，SEM at different pule frequencies（a）0Hz（b）300V，3Hz，30s

2.2 脈沖頻率對(duì)Al-Si多元活塞合金性能的影響

圖5為不同脈沖頻率處理后的顯微硬度，說(shuō)明電脈沖處理可以提高合金固溶度，從而使顯微硬度提高。當(dāng)電壓為700V時(shí)顯微硬度達(dá)到最大值，由原始的132．12HV升到144．56HV，提高了9．41%。

圖5 不同頻率處理后的顯微硬度Fig． 5 The micro-hardness at different pulse frequencies

圖6為電脈沖處理前后Cu、Ti元素的分布結(jié)果，圖中亮點(diǎn)即為該元素的分布位置，對(duì)比圖5（a）、（b）可知，經(jīng)電脈沖處理后的試樣較原始試樣各個(gè)元素的晶粒尺寸得到細(xì)化，Ti、Cu元素在基體中的分布較原始試樣均勻，電脈沖處理后α（Al）相中Ti、Cu元素含量明顯增加，使得試樣的顯微硬度得到提高，Al-Si活塞合金組織的偏析情況得到改善，分布趨于均勻合理。

圖6 不同脈沖頻率處理對(duì)Ni、Cu元素分布的影響Fig． 6 The X-ray images， respectively， for Cu， and Ni with different pulse frequencies（a）0Hz（b）300V，3Hz，30s

3 結(jié)論

①電脈沖孕育處理能夠顯著細(xì)化富鎳Al-Si活塞合金的凝固組織，經(jīng)過(guò)電脈沖孕育處理后，合金中的高溫強(qiáng)化相尺寸明顯減小，分布更加均勻與彌散。

②不同脈沖頻率能提高α（Al）基體中Cu、Ni、Si等元素的固溶度，提高顯微硬度，提高了9．41%。

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