劉寶志，閆春雷，黃 斌，李守軍，李艷霞，邢淑清

(1.包頭市威豐稀土電磁材料股份有限公司，內蒙古 包頭 014010；2.內蒙古科技大學 材料與冶金學院(稀土學院)，內蒙古 包頭 014010)

汽車發(fā)動機活塞在高溫、高壓的環(huán)境下工作，這對活塞的性能提出了較高的要求[1]。制備活塞通常采用Al-Si-Cu-Mg-Ni合金。Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金流動性好、密度低、強度高、耐腐蝕、耐磨、高耐熱，是航空、汽車業(yè)等領域不可缺少的材料[2-4]。

晶粒細化可以基本消除偏析、縮孔、疏松，同時提高材料的強度、塑性和韌性。Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金微觀組織是由初生相α-Al、共晶硅、耐熱相組成[5]。細化晶?？梢愿淖儾牧系男阅芎褪褂脡勖?。添加變質劑、Al-5Ti-1B中間合金可以有效減少Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金微觀組織中初晶硅、共晶硅的尺寸；但向熔體添加化合物，可能會對熔體產(chǎn)生污染[6]。物理場晶粒細化技術操作方便，可以滿足金屬潔凈度要求，同時具備節(jié)能等優(yōu)點，成為近些年來研究熱點之一。脈沖電磁場作為一種新型晶粒細化方法，適用于多種金屬。由于其低頻率、低電壓等特點，具備工業(yè)化應用價值[7]。

活塞合金凝固時容易出現(xiàn)成分分布不均勻的情況，即合金出現(xiàn)成分偏析，損害合金的各項性能。本研究基于脈沖電磁場攜帶能量的特性，對Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金熔體施加脈沖電磁場，并分別對常規(guī)鑄造和施加電磁能鑄造生產(chǎn)的Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金鑄錠進行微觀組織觀察與成分檢測，分析電磁能對Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金微觀組織、成分偏析的影響，并探究其影響機制。

1 試驗材料及方法

本試驗所用設備由電磁能晶粒細化裝置、3 t半連續(xù)鑄造系統(tǒng)、澆鑄盤、引錠裝置、結晶器組成，如圖1所示。試驗材料為Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金，化學成分見表1。在整個試驗過程中保持鑄造工藝參數(shù)不變。開始澆鑄后，熔體經(jīng)流槽進入澆鑄盤。電磁能晶粒細化裝置安置于主流槽正上方，電磁能發(fā)生器與鋁合金熔體表面間距小于10 mm。鑄造過程穩(wěn)定后，對熔體進行電磁能處理，處理后的熔體流入澆注口開始半連續(xù)鑄造凝固過程。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the test device

表1 Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金化學成分(質量分數(shù)/%)Table 1 Chemical composition of Al-Si-Cu-Mg-Ni piston alloy (wt/%)

鑄造參數(shù)如表2所示。電磁參數(shù)處理頻率為40 Hz，電流為40 A，占空比分別取0.2、0.3。取未施加磁場與施加不同磁場的鑄錠進行徑向切割、取樣。采用光學顯微鏡(OM)與場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)二次電子相模式觀察Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金微觀組織，觀察位置為鑄錠中心部位及邊部，取樣位置如圖2所示。腐蝕劑采用Keller試劑。沿鑄錠橫斷面徑向取5點進行成分檢測，使用等離子發(fā)射光譜儀測量合金鑄錠橫斷面元素分布。

表2 Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金鑄造工藝參數(shù)Table 2 Casting process parameters of Al-Si-Cu-Mg-Ni piston alloy

圖2 取樣位置示意圖Fig.2 Sampling location diagram

2 試驗結果

2.1 電磁能對Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金凝固組織的影響

圖3為Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金X射線衍射圖。由圖3可知，Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金由Si、α-Al、Al3CuNi、Al7Cu4Ni、Al3Ni、Al2Cu、Q-Al5Cu2Mg8Si6、Mg2Si等相組成[8]。

圖3 不同占空比條件下Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金X射線衍射圖Fig.3 X-ray diffraction patterns of Al-Si-Cu-Mg-Ni piston alloy with different duty cycles

圖4為不同占空比條件下Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金鑄錠微觀組織。未施加電磁能，Al-Si-Cu-Mg-Ni合金鑄錠中心位置金相組織中初生相α-Al平均尺寸為310 μm，邊部組織中初生相α-Al平均尺寸為200 μm。施加0.2占空比脈沖電磁場，初生相α-Al平均尺寸減小，心部位置初生相α-Al平均尺寸減小到240 μm，邊部組織中α-Al平均尺寸為170 μm。當施加0.3占空比脈沖電磁場時，發(fā)現(xiàn)初生相α-Al平均尺寸增大。金相組織中心部初生相α-Al平均尺寸為290 μm，邊部組織中初生相α-Al平均尺寸為181 μm。試驗結果表明，脈沖電磁場的變化，會影響組織的晶粒尺寸。電磁場可以減小初生相α-Al一次枝晶臂間距、二次枝晶臂間距。

圖4 不同占空比參數(shù)下Al-Si-Cu-Mg-Ni合金鑄錠微觀組織照片 Fig.4 Microstructure photos of Al-Si-Cu-Mg-Ni alloy ingot with different duty cycle parameters

圖5為不同占空比參數(shù)Al-Si-Cu-Mg合金鑄錠微觀組織尺寸變化圖。未施加電磁能，心部組織中初生相α-Al一次枝晶臂間距為76 μm，二次枝晶臂間距尺寸為15.28 μm；施加0.2占空比脈沖電磁場，心部組織中初生相α-Al一次枝晶臂間距為60.4 μm，二次枝晶臂間距尺寸為13.67 μm；施加0.3占空比脈沖電磁場，心部組織中初生相α-Al一次枝晶臂間距為71.63 μm，二次枝晶臂間距尺寸為15.17 μm。 未施加電磁能，邊部組織中初生相α-Al二次枝晶臂間距尺寸為9.06 μm，一次枝晶臂間距長度為32.91 μm；施加0.2占空比脈沖電磁場，邊部組織中初生相α-Al二次枝晶臂間距尺寸減小到7.8 μm，初生相α-Al一次枝晶臂間距尺寸為22.63 μm；施加0.3占空比脈沖電磁場，邊部組織中初生相α-Al二次枝晶臂間距尺寸為8.96 μm，一次枝晶臂間距尺寸為26.98 μm。從以上數(shù)據(jù)可知，脈沖電磁場占空比的改變影響了Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金的細化效果。

圖5 不同占空比參數(shù)Al-Si-Cu-Mg活塞合金鑄錠微觀組織尺寸變化Fig.5 Variation of microstructure size of Al-Si-Cu-Mg piston alloy ingot with different duty cycle parameters

施加脈沖電磁場后，電磁能作用下，總自由能變化為

ΔGtot=VΔGm+Sσ

(1)

式中：

V—晶核體積；

S—表面積；

ΔGm—磁場中固液相吉布斯自由能增量；

σ—為固-液界面能[8]。

電磁能作用于合金熔體，磁場中固液相吉布斯自由能增量計算公式為

ΔGm=ΔGv+(μ0ΔχSLH2)/2

(2)

激活能計算公式表示為[9]

(3)

將式(2)代入式(3)可得

(4)

電磁能計算公式為

(5)

磁感應強度B為

B=Hμ0μr

(6)

得到

(7)

ΔχSL=χS-χL…

(8)

式中：

H—磁場強度；

μr—相對磁導率；

μ0—真空磁導率；

w—電磁能密度；

ΔχSL—固液相體積磁化率的變化；

χL—液相體積磁化率；

χS—固相的體積磁化率；

ΔGv—單位體積吉布斯自由能差。

液相線以上一定溫度區(qū)間有序排列原子集團的演變規(guī)律[10]：

R(T)=

T0≤T≤TC

(9)

式中：

R(T)—T溫度下有序排列原子集團的平均半徑；

α—幾何形狀因子，0<α≤1；

z1—金屬熔化前的配位數(shù)；

r—原子集團中原子之間的距離；

k—玻爾茲曼常數(shù)；

C0—熔點處被激活原子的相對濃度；

Tm—熔點；

T0—過冷熔體中臨界形核溫度；

TC—熔體從液態(tài)到氣態(tài)轉變過程中發(fā)生第一次原子集團失穩(wěn)的溫度。

電磁場攜帶的能量可以降低激活能，激活能的變化，會影響原子集團的平均半徑，激活能減小，原子集團尺寸減小，熔體中原子集團數(shù)目增加，使形核過程中形核率提高[11]。

2.2 電磁能對Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金耐熱相的影響

圖6為不同占空比參數(shù)下Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金微觀組織，合金微觀組織包括六種耐熱相，其中δ-Al3CuNi為亮色，Q-Al5Cu2Mg8Si6為黑色，θ-Al2Cu為網(wǎng)狀， ε-Al3Ni為塊狀?；钊辖鹬心蜔嵯嗟臄?shù)量、形狀、尺寸會影響合金的力學性能[12-13]。未施加電磁能，耐熱相尺寸較大，聚集程度高。當施加0.2占空比脈沖電磁場后，耐熱相ε-Al3Ni的形態(tài)發(fā)生變化、由長條狀轉變?yōu)榱睿蜔嵯唳?Al3CuNi數(shù)目增多，耐熱相Q-Al5Cu2Mg8Si6的分布狀態(tài)發(fā)生改變，分布更加均勻，同時數(shù)目增多。當施加0.3占空比脈沖電磁場后，耐熱相尺寸更加細小，白色的Q-Al5Cu2Mg8Si數(shù)目增多，Q-Al5Cu2Mg8Si6所占的面積增大。電磁能作用下，耐熱相形態(tài)、分布、尺寸的改變，有利于提高材料的力學性能。施加0.2占空比脈沖電磁場時，微觀組織中耐熱相尺寸變得最細小，δ-Al3CuNi數(shù)目最多，同時Q-Al5Cu2Mg8Si6所占的面積最大。從以上數(shù)據(jù)可知，電磁能不僅可以細化初生相，在液相線溫度上施加脈沖電磁場，耐熱相的尺寸、分布也發(fā)生變化。

圖6 不同占空比參數(shù)下Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金微觀組織中耐熱相變化Fig.6 Variation of heat-resistant phase size in the microstructure of Al-Si-Cu-Mg-Ni piston alloy with different duty cycle parameters

2.3 電磁能對Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金宏觀偏析的影響

在鑄錠橫斷面沿徑向打5點, 利用等離子發(fā)射光譜儀測量Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金中溶質元素Si 和Cu、Mg在鑄錠橫斷面上的分布情況。圖7為Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金鑄錠橫斷面元素相對偏析程度。

如圖7所示，占空比為0.2，溶質元素Si、Cu及Mg的成分偏析現(xiàn)象得到改善[14]。

圖7 Al-Si-Cu-Mg合金-Ni活塞合金鑄錠橫斷面元素相對偏析程度分布情況Fig.7 Relative segregation distribution of elements of Al-Si-Cu-Mg-Ni piston alloy ingots in the cross-section

鑄錠(橫斷面上)的局部元素相對偏析程度用Δw表示[15]：

(9)

式中：

wi—各個位置所測定的元素質量分數(shù);

w0—檢測元素質量分數(shù)的平均值。

通過改變電磁參數(shù)，合金宏觀偏析被改善。電磁能作用下，熔體的溶質元素分布更加均勻。

3 結 論

1)電磁能作用下，Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金凝固組織中初生相α-Al平均尺寸、一次枝晶臂間距、二次枝晶臂間距減小。耐熱相尺寸減小，數(shù)目增多，分布狀態(tài)發(fā)生改變。

2)施加占空比為0.2脈沖電磁場，熔體的溫度場與流場發(fā)生改變，溶質元素分配更加均勻，溶質元素Si、Cu、Mg的成分偏析現(xiàn)象得到改善。

3)電磁場降低激活能，熔體中有序排列原子集團數(shù)目增加是形核過程中形核率提高的主要原因之一。