李明峰，劉 學(xué)，薛力強(qiáng)，高 敏，王國(guó)衛(wèi)，岳旭東

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Bi、Mn變質(zhì)對(duì)過(guò)共晶鋁硅合金組織的影響

李明峰，劉 學(xué)，薛力強(qiáng)，高 敏，王國(guó)衛(wèi)，岳旭東

（遼寧工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

研究了Bi、Mn變質(zhì)對(duì)過(guò)共晶鋁硅合金組織的影響。結(jié)果表明：經(jīng)3.4%Bi元素變質(zhì)后，過(guò)共晶鋁硅合金中的初生硅尺寸明顯變大，經(jīng)3%Mn元素變質(zhì)后，組織中初晶硅形貌并沒(méi)有改變，棱角仍很尖銳，而共晶硅則都由長(zhǎng)針狀變成短棒狀或顆粒狀。加入合金元素后都形成了復(fù)合相，消耗了P的變質(zhì)作用，減少了初晶硅的異質(zhì)核心，使初晶硅尺寸變大，同時(shí)減少了共晶硅所占比例。

變質(zhì); 初晶硅; 共晶硅

過(guò)共晶鋁硅合金具有密度小、熱膨脹系數(shù)小、熱穩(wěn)定性好、耐磨性高等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，被廣泛應(yīng)用于汽車和摩托車的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、缸體缸套中[3-4]，是制造發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、缸體缸套的理想材料。但在未細(xì)化變質(zhì)的過(guò)共晶鋁硅合金中，初生硅呈粗大的多角形塊狀或板片狀，共晶硅呈長(zhǎng)針狀，嚴(yán)重割裂了基體，易引起裂紋使合金的延伸率降低，限制了過(guò)共晶鋁硅合金的使用。因此通過(guò)改變外界條件[5-10]和添加變質(zhì)劑[11-13]處理使過(guò)共晶Al-Si合金中的組織得到細(xì)化，研究過(guò)共晶Al-Si合金中變質(zhì)效果、變質(zhì)機(jī)制具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

對(duì)過(guò)共晶Al-Si合金進(jìn)行變質(zhì)，P是細(xì)化初晶硅主要的元素[14-20]，任何復(fù)合變質(zhì)劑都含有P。而對(duì)共晶硅進(jìn)行變質(zhì)時(shí)，選擇變質(zhì)元素的主要一點(diǎn)是不與P發(fā)生反應(yīng)，不能使變質(zhì)效果相互抵消。國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者對(duì)過(guò)共晶鋁硅合金的復(fù)合變質(zhì)劑細(xì)化情況作了大量的研究工作，但對(duì)P與Bi、Mn復(fù)合變質(zhì)過(guò)共晶鋁硅合金的研究還比較少。本文主要研究在P變質(zhì)初晶硅的情況下，分別在合金中加入Bi、Mn元素對(duì)過(guò)共晶鋁硅合金組織的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

合金試樣的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

采用K0-11型箱式高溫電爐熔化，將溫度升至850 ℃。待其完全熔化后，向坩堝內(nèi)加入Al-30%Si中間合金，將其加熱到850 ℃保溫10 min。用C2Cl6采用鐘罩壓入法進(jìn)行攪拌除氣精煉，靜止10 min。精煉后放入爐內(nèi)繼續(xù)加熱，在850 ℃時(shí)保溫10 min后，將Al-13%Si-5%P中間合金采用鋁箔包裹后，直接投放到溶液中進(jìn)行變質(zhì)，變質(zhì)后保溫10 min澆入金屬型，獲得未加其它元素的鑄件。另取兩爐變質(zhì)后在850 ℃時(shí)（Mn1 100 ℃）保溫10 min，用鋁箔包裹Bi（Al-8.5Mn）顆粒投入到熔體中，將坩堝放回爐內(nèi)，在850 ℃時(shí)（Mn1 100 ℃）保溫30 min。保溫后用C2Cl6進(jìn)行二次精煉，攪拌，除氣、除渣。除氣后將坩堝放回爐內(nèi)，在850 ℃時(shí)（Mn1 100 ℃）保溫10 min。出爐后，待溶液溫度降至780 ℃時(shí)（Mn1 000 ℃）充分?jǐn)嚢韬鬂踩虢饘傩?，在Axiovert200MAT金相顯微鏡下觀察金相組織。

表1 合金試樣的化學(xué)成分表 （g）

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 Bi對(duì)過(guò)共晶鋁硅合金組織的影響

在Al-20%Si-0.1%P溶液中加入3.4%的Bi元素，在金屬型中冷卻得到的組織如圖1所示。

（a） Al-20Si-0.1P金屬型

（b）Al-20Si-0.1P-3.4Bi金屬型

圖1 過(guò)共晶Al-Si合金鑄態(tài)微觀組織

從圖1(a)和1(b)中發(fā)現(xiàn)，未添加Bi變質(zhì)的Al-20%Si-0.1%P過(guò)共晶鋁硅合金中，共晶硅呈長(zhǎng)針狀分布，雜亂無(wú)章，數(shù)量較多，尺寸較大。初晶硅呈塊狀，尺寸比較細(xì)小，數(shù)量較多。經(jīng)過(guò)Bi變質(zhì)后，組織中初晶硅的數(shù)量減少，尺寸明顯增大，共晶硅則由長(zhǎng)針狀變?yōu)榧?xì)小的短棒狀和顆粒狀。

2.2 Mn對(duì)過(guò)共晶鋁硅合金組織的影響

在Al-20%Si-0.1%P溶液中加入3%的Mn元素，在金屬型中冷卻得到的組織如圖2所示。

（a） Al-20Si-0.1P金屬型

（b）Al-20Si-0.1P-3Mn金屬型

圖2 過(guò)共晶Al-Si合金鑄態(tài)微觀組織

從圖2(a)和2(b)中發(fā)現(xiàn)，未添加Mn變質(zhì)的Al-20%Si-0.1%P過(guò)共晶鋁硅合金中，共晶硅呈長(zhǎng)針狀分布，尺寸較大，嚴(yán)重割裂了基體。初晶硅呈塊狀，棱角尖銳，易引起應(yīng)力集中，并發(fā)生了明顯的聚集現(xiàn)象。添加Mn元素后，組織中初晶硅形貌并沒(méi)有改變，棱角仍很尖銳，共晶硅則由長(zhǎng)針狀變?yōu)榧?xì)小的短棒狀和顆粒狀，減少了裂紋擴(kuò)展的路徑。

從圖2可以看出，Mn與Al、P、Si形成復(fù)合相鑲嵌或貫穿，形貌多為長(zhǎng)片狀和多角形塊狀，它能成為初生硅和共晶硅的形核核心，使硅相依附在復(fù)合相上生長(zhǎng)，使過(guò)共晶鋁硅合金中共晶組織得到明顯細(xì)化，相反，初晶硅相尺寸變得粗大。變質(zhì)處理時(shí)加入的P與Al反應(yīng)形成AlP，同時(shí)又形成了AlMnPSi相，由此可以確定，AlMnPSi、AlP相是在高溫的鋁液內(nèi)形成的，Mn元素的加入將消耗一小部分起變質(zhì)作用的P，而大部分是以AlP的形式存在以極小的點(diǎn)狀彌散分布在α-Al基體上。

將P加入到過(guò)共晶鋁硅合金中，P與Al生成AlP化合物，這種化合物熔點(diǎn)較高，晶體結(jié)構(gòu)與Si相同，晶格常數(shù)和原子間距相差較小，可以作為初晶硅的異質(zhì)核心，起到了細(xì)化的作用，使初晶硅數(shù)量增多，尺寸明顯減小，彌散分布。然而加入了Bi元素后，由圖3，Al-20Si-0.1P-3.4Bi合金元素面分布可以看出，Bi與P、Fe形成的復(fù)合相位于初生Si的周圍，它沒(méi)有成為初生Si的形核核心。復(fù)合相中的Al量很少，Bi、Fe與P含量較高，說(shuō)明變質(zhì)處理時(shí)加入的P沒(méi)有與Al反應(yīng)形成AlP，而形成了BiPFe相，由此可以確定，BiPFe相是在高溫的鋁液內(nèi)形成的，Bi元素的加入將消耗一部分起變質(zhì)作用的P，使初晶硅異質(zhì)核心數(shù)量減少，初晶硅數(shù)尺寸明顯增加，相反組織中共晶硅所占比例降低，減少了初晶硅尖角產(chǎn)生的裂紋的擴(kuò)展路徑。

圖3 Al-20Si-0.1P-3.4Bi合金元素面分布

3 結(jié)論

（1）在過(guò)共晶Al-Si合金中加入3.4%Bi后，合金中初晶硅尺寸明顯增大，共晶硅則由長(zhǎng)針狀變?yōu)榧?xì)小的短棒狀和顆粒狀。Bi與P、Fe形成了復(fù)合相，消耗了一定量的P，使初晶硅數(shù)尺寸明顯增加，相反組織中共晶硅所占比例降低。

（2）在過(guò)共晶Al-Si合金中加入3%Mn后，組織中初晶硅形貌并沒(méi)有改變，棱角仍很尖銳，共晶硅則由長(zhǎng)針狀變?yōu)榧?xì)小的短棒狀和顆粒狀，Mn與Al、P、Si形成復(fù)合相鑲嵌或貫穿組織，使初晶硅和共晶硅依附其上生長(zhǎng)。

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責(zé)任編校：劉亞兵

Effect of Bi and Mn Metamorphism on Hypereutectic Al-Si Alloy Organization

LI Ming-feng, LIU Xue, XUE Li-qiang, GAO Min, WANG Guo-wei, YUE Xue-dong

（Material Science and Engineering College, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）

The Effect of Bi and Mn Metamorphism on Hypereutectic Al-Si Alloy Organization is studied. The results show that the size of the primary Si in hypereutectic Al-Si alloy becomes significantly larger after adding 3.4% Bi element. The morphology of the primary Si in the microstructure whose edges are sharp doesn’t change and the shape of eutectic Si is short rod or graininess. Compound phase is formed after adding alloy elements to consume the effect of P metamorphism and decrease heterogeneous nuclei of the primary Si. So the size of the primary Si becomes larger and the proportion of eutectic Si is reduced.

metamorphism; primary silicon; eutectic silicon

10.15916/j.issn1674-3261.2017.02.009

TG131

A

1674-3261(2017)02-0107-04

2016-02-29

李明峰(1993-)，男，遼寧營(yíng)口人，本科生。岳旭東(1963-)，男，遼寧錦州人，教授，博士。