魯 毅，石為喜，湯夢超，闕威威，李佳露，李曉晨，趙 帥

(遼寧科技學院 冶金工程學院，遼寧 本溪 117004)

過共晶鋁硅合金有著許多的優(yōu)點，比如良好的耐磨性、耐腐蝕性能、優(yōu)良的導熱性及體積穩(wěn)定性等而倍受人們關注[1-2]。過共晶鋁硅合金也存在諸多缺點，未變質的合金中初晶硅組織粗大、分布不均勻等[3]，初晶硅大多數(shù)是以粗糙的板片狀和多角狀等不規(guī)則形狀存在，對基體有著不良的影響。影響過共晶鋁硅合金性能主要有兩方面因素，其一是化學成分組成；其二是初晶硅的形態(tài)、大小及分布情況[4]。未經細化處理的過共晶鋁硅合金在使用過程受到很大的局限性。

近些年來，研究人員在B對亞共晶鋁硅合金和共晶鋁硅合金變質處理方面取得了很多的研究成果，王麗等[5]研究了硼對亞共晶鋁硅合金的細化作用，在她的研究過程中發(fā)現(xiàn)在α(Al)的中心處存在著被一層花瓣狀物質覆蓋著的十四面體化合物，經檢測該十四面體化合物為AlB2，花瓣狀物質為硅元素，AlB2和Si組成的復合相在α(Al)的結晶過程中起到了異質核心的作用。武玉英、劉相法等[6-7]在研究硼細化共晶和近共晶鋁硅合金變質效果時，發(fā)現(xiàn)B在Al-Si合金熔體中與Al、Si、Ca、Mg等元素的反應生成物能夠作為初晶硅的異質形核核心。

截至目前，研究硼元素對過共晶鋁硅合金的影響鮮有報道。龐金輝等[8]研究了B對過共晶Al-20Si合金初晶硅的細化作用，研究發(fā)現(xiàn)經過B變質后的初晶硅明顯細化，加入B變質后，可使初晶硅從粗糙的板片狀變成顆粒狀，整體的硬度也得到了很好的提升。

文章以過共晶Al-25%Si合金為研究對象，研究B變質劑對Al-25%Si合金微觀組織和力學性能的影響。

1 試驗方法

以工業(yè)純鋁(純度99.7%)，結晶硅(純度99.9%)為實驗原材料，鋁硼中間合金(Al-3%B)為變質劑，B的加入量分別為0、0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.10%和0.12%。

變質工藝過程：將石墨坩堝放置于坩堝形電阻爐中，預熱至300 ℃，再把稱好的鋁塊加入到坩堝中，等到爐子升溫到820 ℃，開始保溫，待鋁塊熔化后，向鋁液中加入稱量好的硅塊，繼續(xù)保溫，等待硅全部熔化后，攪拌熔體，除去表面浮渣，再向合金液中加入變質劑Al-3%B中間合金，保溫全部熔化后。再向合金溶液中加入C2Cl6除氣劑，繼續(xù)保持十分鐘。保溫結束后，快速用石墨棒除去合金液表層的浮渣，然后再將合金液澆注于金屬型模具中，獲得鋁合金鑄錠。

利用線切割車床從鑄錠上切割Φ15 mm×15 mm的金相試樣，按標準金相制樣程序磨制樣品，其表面用0.5 wt% HF酸腐蝕用于微觀組織觀察。用金相(OM，蔡司Axio Imager M2m型)、掃描電鏡(SEM，蔡司EVO18型掃描電鏡，裝有牛津X-Max能譜儀)和X射線衍射儀(XRD)對變質前后的A390合金樣品表面形貌及物相的變化進行測試和分析。用車床將金屬錠車成Φ10 mm標準拉伸試樣，用于力學性能測試。拉伸試驗采用WAW100型電液伺服萬能材料試驗機，在室溫條件下以1 mm/min的位移速度進行。

2 結果與討論

2.1 微觀組織

采用金相顯微鏡對變質前后的合金微觀組織形貌進行觀察，如圖1(a)-(g)所示。

(a)Al-25%Si

(b) Al-25%Si-0.02%B

(c)Al-25%Si-0.04%B

(d) Al-25%Si-0.06%B

(e)Al-25%Si-0.08%B

(f)Al-25%Si-0.10%B

(g)Al-25%Si-0.12%B

從圖1可以看出，Al-25%Si變質前后的合金樣品中都存在著初晶硅、共晶硅和α(Al)相組織。圖1(a)為未經變質處理的Al-25%Si合金，其組織中初晶硅大部分以五星花瓣狀或不規(guī)則復雜多角形狀(深黑色有棱角的塊狀)存在，而共晶硅是以細長的針狀(黑色細條狀)存在。從圖1(b)-1(e)可以看出，隨著變質劑B添加量的不斷增加，合金組織中的初晶硅晶粒尺寸明顯變小。如圖1(e)所示，當B的加入量為0.08%時，變質效果最好，合金中的初晶硅晶粒尺寸明顯細化，從未變質的90 μm～120 μm細化至40 μm～60 μm，初晶硅由五星花瓣狀和不規(guī)則復雜多角形狀變成了板片狀，其尖角圓潤，發(fā)生了鈍化，長針狀的共晶硅組織的細化效果不是很明顯。如圖1(f)和1(g)，繼續(xù)增大變質劑B的添加量，合金中的初晶硅又呈現(xiàn)出粗大的不規(guī)則多角形狀。

經分析認為，由于未變質的過共晶鋁硅合金熔體中Si含量較高，從而導致初晶硅的近平衡生長條件被破壞，使得初晶硅沿<211>晶向的生長速度要高于沿{111}面的生長速度，從而導致復雜多角形狀的初晶硅的形成；而在加入B后，當Si結晶時，B很可能富集在硅晶體生長前沿，吸附在Si生長表面，使初晶硅的生長條件得到改善，Si晶體產生多重的孿晶凹面，使初晶硅各向平衡生長，最終形成規(guī)則的板片狀或多面體形狀，而過量的B又會使初晶硅粗化[8]。

2.2 XRD分析

采用X射線衍射儀對B變質前后Al-25%Si合金相的變化進行測試和分析，其圖譜如圖2所示。

圖2 Al-25%Si合金變質前后的XRD圖譜

由圖2可知，不同B變質劑添加量的Al-25%Si合金試樣中的主峰值與Al和Si衍射峰有著良好的對應關系。在本XRD測試的角度(20°～100°)范圍內，變質前后的合金試樣中Al共出現(xiàn)了6條不同角度的衍射峰，Si共出現(xiàn)7條不同角度的衍射峰。在經B變質處理后的合金樣品中未檢測到新相生成。

2.3 SEM分析

采用掃描電鏡對變質后的合金進行分析，B的加入量為0.08%的掃描電鏡圖片如圖3(a)所示。對圖3(a)中的淺灰色組織進行能譜分析，如圖3(b)所示。

(a)0.08%B的SEM

(b)0.08%B的EDS能譜

從圖3可看出，經過SEM和EDS能譜分析，經0.08%B變質處理后Al-25%Si合金試樣中未有新相產生，與上面的圖2 XRD衍射圖譜相對應。

2.4 拉伸試驗

圖4是變質劑B不同添加量的Al-25%Si合金抗拉強度變化曲線圖。

圖4 不同B添加量的Al-25%Si合金的抗拉強度變化曲線圖

由圖4可知，經B變質處理后，Al-25%Si合金的抗拉強度都得到很好提升，但是變質劑B的添加量為0.12%時，變質后的Al-25%Si合金的抗拉強度要低于未經B變質的Al-25%Si合金抗拉強度。當B的添加量為0.08%時，在Al-25%Si合金的抗拉強度曲線上對應的是最大值。合金的抗拉強度從未變質的151 MPa提高到變質后的187 MPa，提高了23.0%，經計算合金的伸長率也有明顯提升，從未變質1.8%提高到變質后的4.2%。當B的添加量超過0.08%時，Al-25%Si合金的抗拉強度呈下降趨勢。

Al-25%Si合金試樣未經變質細化處理時，其力學性能較低，其原因是合金中存在著粗大多角形的初晶硅相和長針狀的共晶硅相，對合金基體產生嚴重的割裂作用，在其硅相的棱邊及尖角處易形成應力集中，造成未變質合金的抗拉強度和伸長率均較差。經B變質處理后的合金中，其硅相組織明顯細化，尖角鈍化，形狀得到改善，降低了其對基體的割裂作用，因此合金的抗拉強度和伸長率都有較明顯的提升。

3 結論

(1)B對Al-25%Si合金中的初晶硅有著明顯的細化作用，當變質劑B的添加量為0.08%時，合金中的初晶硅最為細小而又規(guī)則，初晶硅的晶粒尺寸從未變質的90 μm～120 μm細化至40 μm～60 μm，初晶硅由五星花瓣狀或不規(guī)則復雜多角形狀變成板片狀，其尖角鈍化，長針狀的共晶硅組織的細化效果不明顯。

(2)XRD和SEM分析表明，在變質后的Al-25%Si合金中未有新相生成。

(3)力學性能測試表明，變質后合金的力學性能提升較為明顯。當變質劑B的添加量為0.8%時，過共晶Al-25%Si合金的抗拉強度值最大，其值為187 MPa，伸長率從未變質的1.8%提高到4.2%。