金 光，王宋瓷

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽 110159)

鋁硅合金是應(yīng)用最多的一類鑄造鋁合金，廣泛用于汽車制造和航天航空領(lǐng)域，其中過共晶鋁硅合金由于具有耐熱、耐磨、線膨脹系數(shù)小和尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，是發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸、活塞部件的重要材料。但是該種合金中的初晶硅因?yàn)槌叽绱执笄叶嘟羌怃J，嚴(yán)重割裂了鋁基體，對(duì)力學(xué)性能有重要影響[1-2]。為了改善由于晶體硅的形狀及大小對(duì)力學(xué)性能帶來的影響，人們現(xiàn)在加入Na鹽或Sr中間合金對(duì)共晶硅進(jìn)行變質(zhì)處理，加入P鹽對(duì)初晶硅進(jìn)行變質(zhì)處理[3-4]。然而在加入P鹽變質(zhì)處理時(shí)，很難辨別過共晶鋁硅合金的變質(zhì)效果，以往多是通過觀察加入不同含量P鹽的顯微組織去反應(yīng)加入P鹽的變質(zhì)效果，這種方法是目前實(shí)驗(yàn)室常用的，但不適用于工廠要求的便捷，快速檢測(cè)[5]。A.Niklas等[6]采用熱分析曲線上的特征值來研究不同冷卻速度對(duì)A356鋁合金的晶粒細(xì)化效果，該研究表明冷卻速度的細(xì)化效果與初晶過冷度有關(guān)系，當(dāng)晶粒尺寸從2.3mm減小到0.31mm時(shí)，液態(tài)過冷由1.5℃降低到0℃。姜姍等[7]等利用特征值共晶硅的過冷度來判斷Sr變質(zhì)處理對(duì)鋁合金共晶硅的變質(zhì)效果。這種方式為過共晶鋁合金在線檢測(cè)P鹽變質(zhì)效果提供了思路：引入熱分析儀來檢測(cè)得到熱分析曲線，通過熱分析曲線上的特征值來評(píng)價(jià)變質(zhì)效果。其原理是熱量隨著相變的變化而變化，如在凝固開始時(shí)，金屬因?yàn)榻Y(jié)晶相變釋放出大量潛熱，導(dǎo)致熱分析曲線上的斜率發(fā)生改變，根據(jù)這些變化的不同，可以找出金屬在整個(gè)凝固過程中的相變熱效應(yīng)[8]。根據(jù)該原理，本文采用CA-CCA(computer assistant-cooling curve analysis)[9]技術(shù)對(duì)過共晶鋁硅合金P鹽變質(zhì)效果進(jìn)行檢測(cè)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

合金原料為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.9%的純鋁、含硅量為Al-Si20合金，將其配制熔化成5kg的Al-Si18合金，變質(zhì)劑為P鹽。利用工業(yè)電阻爐熔煉合金，當(dāng)溫度在(740±5)℃時(shí)加入P 0.5%、0.8%和1.0%充分?jǐn)嚢?，使變質(zhì)劑能夠均勻分布在熔體中。

1.2 熱分析曲線

熔煉過程中使用SGJ-II型熱分析儀測(cè)量得到相應(yīng)的熱分析曲線，測(cè)量過程中對(duì)小坩堝預(yù)熱到300℃。熱分析曲線的數(shù)據(jù)由儀器中的程序測(cè)得，利用origin、Excel等相關(guān)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括：作圖、作一階導(dǎo)數(shù)曲線(即為冷卻速率曲線)和識(shí)別曲線中的熱分析參數(shù)，如所需過冷度[10]。

圖1所示的是添加不同含量P鹽情況下的熱分析曲線和其一階導(dǎo)數(shù)曲線。在圖1中可以看到，熱分析曲線存在兩處轉(zhuǎn)折點(diǎn)和兩個(gè)平臺(tái)：兩處轉(zhuǎn)折點(diǎn)分別是初晶硅相開始形核的溫度和共晶硅相開始形核的溫度，兩處平臺(tái)分別是初晶硅平臺(tái)和共晶硅平臺(tái)。其一階導(dǎo)數(shù)曲線上存在與之對(duì)應(yīng)的兩個(gè)峰值，第一個(gè)峰值是初晶硅的形核峰值，該峰值的數(shù)值大小分別是-0.01℃/s、-0.58℃/s、-0.85℃/s和-0.62℃/s，這些峰值的物理意義是一階導(dǎo)數(shù)曲線(冷卻速率曲線)上的一個(gè)極大值，標(biāo)志著初晶硅開始形成，峰值對(duì)應(yīng)的溫度即為初晶硅形核溫度，其與初晶硅形核的難易程度無關(guān)，不能利用這些數(shù)值去區(qū)分P鹽變質(zhì)劑對(duì)Al-Si18合金的變質(zhì)效果。第二個(gè)峰值是共晶硅形核的峰值，該峰值的大小與共晶形核的難易程度無關(guān)，只標(biāo)志著共晶硅開始形核[11]。添加P鹽變質(zhì)劑主要影響初晶硅的凝固階段，而P鹽對(duì)共晶硅形核階段沒有直接的影響。

1.3 Al-Si18顯微組織制備

從鑄件中切出一個(gè)小薄片，使用膠木粉熱鑲成金相試樣，經(jīng)過240～1500目的砂紙進(jìn)行機(jī)械研磨后拋光，采用腐蝕劑(0.5%HF)進(jìn)行擦蝕，通過蔡司Axiovert200 MAT金相顯微鏡觀察合金的顯微組織。結(jié)合顯微組織與對(duì)應(yīng)熱分析曲線上的特征值——所需過冷度，判定P鹽變質(zhì)劑對(duì)Al-Si18合金的變質(zhì)效果。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 P鹽加入量對(duì)Al-Si18合金所需過冷度的影響

不同P鹽加入量在變質(zhì)15min時(shí)所需過冷度如表1所示。

表1 P鹽加入量對(duì)Al-Si18合金所需過冷度的影響

所需過冷度指合金在結(jié)晶之前，溫度連續(xù)下降，當(dāng)液態(tài)金屬合金冷卻到理論結(jié)晶溫度Tm(熔點(diǎn))時(shí)，并未開始結(jié)晶，而是需要繼續(xù)冷卻到Tm之下某一溫度Tn，液態(tài)金屬合金才開始結(jié)晶。金屬合金的理論結(jié)晶溫度和實(shí)際結(jié)晶溫度之差定義為所需過冷度(ΔTN，Si=Tm-Tn)[12]。由表1可得：在相同的變質(zhì)時(shí)間15min情況下，加入P鹽后，Al-Si18合金的特征值所需過冷度有變化，且所需過冷度隨著P鹽的加入而減小。在本實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)加入P鹽的含量達(dá)到1.0%時(shí)，此時(shí)的所需過冷度較小，也就意味著初晶Si更容易形核。

初晶Si變質(zhì)作用的機(jī)理是P鹽加入Al-Si18合金后，P元素和Al反應(yīng)：Al+P→AlP，AlP具有與硅相近的晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)，并在 Al-Si18合金的液相線附近處于固態(tài)，分布在合金熔體中，由于晶體結(jié)構(gòu)相似、晶格常數(shù)相應(yīng)原理，AlP可以作為初晶硅結(jié)晶時(shí)的形核核心，使硅原子依附其上，這樣使初晶硅的所需形核功降低，從而使結(jié)晶核心數(shù)量增多，并抑制其長(zhǎng)大，以實(shí)現(xiàn)結(jié)晶組織細(xì)化均勻的目的[4]。

2.2 P鹽變質(zhì)時(shí)間對(duì)Al-Si18合金所需過冷度的影響

不同變質(zhì)時(shí)間下鋁硅合金所需過冷度如表2所示。在加入相同的1.0%P鹽后，隨著變質(zhì)時(shí)間延長(zhǎng)，Al-Si18合金的特征值所需過冷度發(fā)生變化，且所需過冷度隨變質(zhì)時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。當(dāng)加入P鹽的變質(zhì)時(shí)間達(dá)到60min時(shí)所需過冷度最大，意味著P鹽變質(zhì)劑隨著變質(zhì)時(shí)間的延長(zhǎng)有衰退的現(xiàn)象，變質(zhì)效果變差，但比未變質(zhì)的Al-Si18合金仍然有變質(zhì)效果。分析是由于隨著變質(zhì)時(shí)間的延長(zhǎng)，形核核心AlP發(fā)生了團(tuán)聚的現(xiàn)象，導(dǎo)致P鹽變質(zhì)效果衰退，但是團(tuán)聚的AlP仍然可以為初晶硅形核提供有效的核心。

表2 P鹽變質(zhì)時(shí)間對(duì)Al-Si18合金所需過冷度的影響

2.3 P鹽加入量對(duì)Al-Si18合金顯微組織的影響

圖2為不同P鹽加入量在變質(zhì)15min時(shí)的金相組織。

由圖2可以看出：在相同的變質(zhì)時(shí)間情況下，加入P鹽后，Al-Si18合金中初晶硅由粗大尖銳狀向細(xì)小圓潤(rùn)狀發(fā)生改變，初晶硅均勻分布。當(dāng)加入P鹽的含量達(dá)到1.0%時(shí)，變質(zhì)效果達(dá)到最佳。但P鹽變質(zhì)處理對(duì)Al-Si18合金共晶硅的形貌和尺寸幾乎沒有影響。

圖2 不同P鹽加入量的Al-Si18合金顯微組織

2.4 P鹽變質(zhì)時(shí)間對(duì)Al-Si18合金顯微組織的影響

圖3為添加相同含量(1.0%)P鹽后，在不同P鹽變質(zhì)時(shí)間下的金相組織。

圖3 不同變質(zhì)時(shí)間Al-Si18合金的顯微組織

由圖3a可以看出，在添加相同P鹽變質(zhì)劑的情況下，P鹽變質(zhì)15min時(shí)，基體中的硅相尺寸變小，部分硅相尖角處發(fā)生明顯的鈍化現(xiàn)象。從圖3b和圖3c中可以看出，隨著變質(zhì)時(shí)間的延長(zhǎng)，基體中的硅相形貌無太大變化，但尺寸增加。

3 結(jié)論

(1)在本實(shí)驗(yàn)中，加入P鹽對(duì)Al-Si18合金的初晶硅相起到變質(zhì)作用，且當(dāng)加入量為1.0%時(shí)，變質(zhì)效果較好，此時(shí)所需過冷度較小為7.66℃。P鹽變質(zhì)對(duì)Al-Si18合金共晶硅的形貌和尺寸幾乎沒有影響。

(2)P鹽變質(zhì)時(shí)間對(duì)Al-Si18合金初晶硅的變質(zhì)效果有影響：隨變質(zhì)時(shí)間的延長(zhǎng)，變質(zhì)效果產(chǎn)生衰退現(xiàn)象。

(3)熱分析曲線上的特征值——所需過冷度與顯微組織有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以通過熱分析法在線檢測(cè)P鹽對(duì)Al-Si18合金初晶硅的變質(zhì)效果。