劉士斌, 王 靜, 許建偉, 李洋洋

(1.佳木斯大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江 佳木斯 154007;2.百色學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院,廣西 百色 533000)

0 引 言

鋁硅合金由于良好的可鑄造性,成本低廉,產(chǎn)量高,低熱膨脹系數(shù)和高比強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸、活塞轉(zhuǎn)子等關(guān)鍵零部件[1]。但是熔鑄法制備的鋁硅合金中,共晶硅通常以層片狀形式存在,層片狀的共晶硅容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,導(dǎo)致共晶鋁硅合金綜合力學(xué)性能下降,影響了其使用效果。變質(zhì)處理是目前細(xì)化鑄造鋁硅合金最有效的方法[2-5]。早在上世紀(jì)20年代,研究者就對(duì)變質(zhì)處理對(duì)共晶鋁硅合金形貌的影響做了大量的研究,研究表明,變質(zhì)劑Sr的加入能夠有效的抑制共晶鋁硅合金的生長(zhǎng),達(dá)到細(xì)化共晶硅尺寸的目的[6]。變質(zhì)劑的加入雖然在一定程度上能夠細(xì)化共晶硅尺寸,但變質(zhì)元素的添加會(huì)使共晶鋁硅合金熔體產(chǎn)生十分嚴(yán)重的吸氫現(xiàn)象,使鑄件的孔隙率增加,影響共晶鋁硅合金的綜合力學(xué)性能。針對(duì)變質(zhì)劑的上述缺點(diǎn),研究者提出化學(xué)變質(zhì)法,通過(guò)加入微量變質(zhì)金屬元素來(lái)達(dá)到變質(zhì)效果,由于其成本低廉,易于操作等優(yōu)點(diǎn)成為工業(yè)生產(chǎn)中廣為使用的變質(zhì)處理方法。在鋁硅合金中加入Ti可以有效的提高材料的硬度和拉伸強(qiáng)度,同時(shí)能夠提高共晶鋁硅合金的耐蝕性和抗氧化性[7]。微量Ti的添加可以大大細(xì)化共晶鋁硅合金中的α鋁相,起到枝晶強(qiáng)韌化的效果。楊滌心等認(rèn)為在鋁合金中加入鈦細(xì)化了晶粒,增加了晶界面積[8]。綜上所述,通過(guò)研究Ti摻雜對(duì)共晶鋁硅合金中共晶硅組織結(jié)構(gòu)影響的研究,對(duì)制備高性能共晶鋁硅合金具有重大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)熔煉所選用的合金為Al-10%Si,Al-20%Si,Al-13%Si,Al-3%Ti。合金均購(gòu)買(mǎi)自徐州思源鋁業(yè)有限公司。其化學(xué)成分如表1—3所示。

表1 Al-10%Si的化學(xué)成分

表2 Al-20%Si的化學(xué)成分

表3 Al-3%Ti的化學(xué)成分

熔煉工藝:將Al-20%Si與Al-10%Si中間合金按照一定的配比在電阻爐中熔煉,在720℃條件下保溫30min,使Al-20%Si與Al-10%Si中間合金全部熔化,進(jìn)行扒渣,在720℃加入不同含量的Al-3%Ti中間合金(0%,0.3%,0.6%,0.9%),大約保溫5min 后通入氬氣,在720℃保溫10min,對(duì)液體進(jìn)行2次扒渣,繼續(xù)在720℃下保溫10min,倒入四種不同冷卻速率(5℃/s,10℃/s,50℃/s,500℃/s)的模具中制得Al-13wt%Si金屬鑄錠。

選用Zeiss MX82-X 顯微鏡對(duì)鋁硅合金金相組織進(jìn)行觀察,樣品用水砂紙磨到1200#后進(jìn)行拋光,采用0.5wt%的氫氟酸對(duì)樣片進(jìn)行腐蝕5-10s,深腐蝕采用10m LHF + 15m LHCl +75m LH2O 為腐蝕液,腐蝕120s。共晶硅尺寸的測(cè)量方法采用測(cè)量視場(chǎng)中的共晶硅尺寸的平均值。在變質(zhì)或過(guò)冷后,共晶硅形貌的變化使得其長(zhǎng)度難以測(cè)量故采用其寬度的測(cè)量來(lái)代表其細(xì)化程度。選用Hitachi S4800掃描電子顯微鏡對(duì)制備材料的形貌進(jìn)行檢。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖1為未摻雜Ti元素與摻雜Ti之后共晶鋁硅合金的XRD 圖譜,由圖中可以看到,沒(méi)有摻雜Ti元素的共晶鋁硅合金中只出現(xiàn)了Al,Si的峰值,合金主要有Al相,Si相組成,而摻雜Ti之后的共晶鋁硅合金,合金中除了有Al相、Si相,還出現(xiàn)了Al2Ti相。說(shuō)明Ti元素成功摻雜到共晶鋁硅合金中形成了Al2Ti化合物。而Al2Ti化合物的峰值與Al的峰值幾乎重合,說(shuō)明Al2Ti可作為共晶鋁硅合金的異質(zhì)形核點(diǎn)。

圖1 Ti摻雜前后Al-13wt%Si的XRD圖譜

2.1 Ti摻雜對(duì)共晶鋁硅合金組織的影響

圖2為不同Ti摻雜量制備的共晶鋁硅合金的金相組織,由圖2(a)可以看出,未摻雜Ti的共晶鋁硅合金中初生硅以層片狀形式存在,尺寸較為粗大,對(duì)基體割裂比較嚴(yán)重。隨著Ti的摻雜,但Ti摻雜量較小時(shí),如圖2(b)所示,共晶鋁硅合金中的初生硅雖然割裂為較小的尺寸,但仍以層片狀形式存在于基體中,繼續(xù)增加Ti的摻雜量,如圖2(c)所示,當(dāng)Ti的摻雜量增大到0.6%時(shí),共晶硅組織由層片狀逐漸細(xì)化為球狀,分布也更加的均勻,繼續(xù)增加Ti的摻雜量到0.9%時(shí),共晶硅的尺寸基本不在發(fā)生變化。

圖2 不同Ti摻雜量對(duì)Al-13wt%Si組織結(jié)構(gòu)的影響(a)未摻雜Ti(b)0.3%Ti(c)0.6%Ti(d)0.9%Ti

2.2 冷卻速率對(duì)Ti摻雜共晶鋁硅合金組織的影響

圖3為不同冷卻速率對(duì)Ti摻雜共晶鋁硅合金中共晶硅形貌的影響?？梢钥闯隼鋮s速率對(duì)Ti摻雜的共晶鋁硅合金形貌的影響較大、隨著冷卻速率的不斷加快,共晶硅的尺寸不斷細(xì)化,同時(shí)共晶硅的形貌也發(fā)生了明顯的變化,當(dāng)冷卻速率較慢時(shí),如圖3(a)所示,共晶硅組織呈現(xiàn)較大的層片狀。當(dāng)冷卻速率加大到10℃/s時(shí),如圖3(b)所示,緩慢的增加冷卻速率對(duì)共晶硅形貌影響并不大,共晶硅仍以層片狀形式存在于基體中。隨著冷卻速率的進(jìn)一步加大到50℃/s,如圖3(c)所示,進(jìn)一步加大冷卻速率,可使共晶硅組織形貌發(fā)生明顯的變化,共晶硅完全變質(zhì),無(wú)未變質(zhì)的塊狀或?qū)悠瑺畹慕M織存在。共晶硅以纖維狀均勻分布于基體中。但同時(shí)冷卻速率對(duì)Ti摻雜共晶鋁硅合金的影響也存在臨界冷卻速率,當(dāng)繼續(xù)加大冷卻速率到500℃/s時(shí),如圖3(d)所示,由于過(guò)高的冷卻速率引起的成分偏析,使共晶鋁硅合金出現(xiàn)明顯的成分分布不均勻的現(xiàn)象,細(xì)化效果反而減弱。

圖3 不同冷卻速度對(duì)Ti摻雜Al-13wt%Si組織結(jié)構(gòu)的影響(a)5℃/s(b)10℃/s(c)50℃/s(d)500℃/s

2.3 冷卻速率對(duì)Ti摻雜共晶鋁硅合金變質(zhì)機(jī)制的探討

關(guān)于共晶硅的變質(zhì)機(jī)理,Lu等[8]提出的雜質(zhì)誘發(fā)孿晶機(jī)制是目前最被廣泛接受的。有研究結(jié)果顯示,共晶硅的變質(zhì)效果,很大程度上取決于其形核過(guò)程。Ti的加入主要是在熔體中與Al發(fā)生反應(yīng)生成Al2Ti化合物,Al2Ti化合物可作為異質(zhì)形核點(diǎn),從而細(xì)化初生硅組織。Ti的摻雜可以使共晶鋁硅合金中初生硅組織尺寸明顯減小。根據(jù)Lu的理論[8],Ti摻雜后,Ti吸附于Si的(111)晶面,共晶硅以孿晶的方式生長(zhǎng),在其(111)晶面上會(huì)有突出的生長(zhǎng)臺(tái)階。Ti作為變質(zhì)劑原子就作用于其生長(zhǎng)臺(tái)階上,抑制其繼續(xù)生長(zhǎng)。同時(shí)由于變質(zhì)劑原子的作用,會(huì)在臺(tái)階表面生成大量的高密度孿晶,共晶硅會(huì)以Ti為形核點(diǎn),改變其原有的生長(zhǎng)方向,使其繼續(xù)以孿晶的形式生長(zhǎng)為球狀或纖維狀。冷卻速率的提高會(huì)增加Ti摻雜在Si的(111)晶面的吸附效果,致使附著在共晶硅上的Ti含量得到提高,有利于孿晶的產(chǎn)生。因此,冷卻速率的提高,可以提高Ti元素對(duì)共晶硅的變質(zhì)效果。

3 結(jié) 論

(1)Ti摻雜可以有效的細(xì)化共晶鋁硅合金中的共晶硅組織,當(dāng)摻雜量為0.6%時(shí),共晶硅組織由70μm 左右細(xì)長(zhǎng)的層片狀細(xì)化為5μm 左右的球狀。隨著摻雜量的繼續(xù)增加,共晶硅組織不在發(fā)生變化。

(2)冷卻速率與Ti摻雜交互作用會(huì)提高變質(zhì)劑的變質(zhì)效果,冷卻速率存在明顯的臨界值,當(dāng)?shù)竭_(dá)臨界速度50℃/s時(shí),與Ti摻雜共同作用,對(duì)共晶硅組織細(xì)化效果最好,共晶硅由原來(lái)的層片狀變?yōu)槔w維狀。