劉 學(xué),薛力強(qiáng)，常國(guó)威，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）

Sr變質(zhì)對(duì)過共晶鋁硅合金組織的影響

劉 學(xué),薛力強(qiáng)，常國(guó)威，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）

研究了變質(zhì)對(duì)過共晶鋁硅合金組織的影響。結(jié)果表明：經(jīng)3.2%Sr元素變質(zhì)后，消耗了一部分異質(zhì)核心AlP，使初晶硅變得粗大，數(shù)量較少，由板片狀變成了花瓣?duì)睿蚊舶l(fā)生了改變。Sr原子優(yōu)先吸附在Si界面前言的臺(tái)階處，細(xì)化了共晶硅，使共晶硅由長(zhǎng)針狀變成了顆粒狀和短棒狀，組織得到了細(xì)化。

變質(zhì);初晶硅;共晶硅

過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]。未變質(zhì)的過共晶鋁硅合金中，初生硅呈粗大的板片狀或塊狀，共晶硅呈長(zhǎng)針狀，限制了過共晶鋁硅合金的廣泛應(yīng)用。加入變質(zhì)劑可有效細(xì)化合金組織[5-6]，該方法由于工藝簡(jiǎn)單、方便、便于操作，在工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用。

Sr是細(xì)化共晶硅的主要元素[7-8]，可以將長(zhǎng)針狀的共晶硅細(xì)化成顆粒狀或短棒狀，已成為有效的共晶硅變質(zhì)劑被廣泛使用。在已有的研究中，Sr的加入量通常在0.02%-0.08%[9-10]，本文以中間合金的形式將Sr的含量增加到3.2%，研究含量為3.2%的Sr對(duì)過共晶鋁硅合金組織中初晶硅和共晶硅的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

首先制備Al-30%Si中間合金，使用20 kg中頻感應(yīng)爐進(jìn)行熔化，將爐料按照?qǐng)D1所示方式裝入爐中。將功率表緩慢提升到25 kW，隨著爐料的熔化，將功率逐步提升，直到45 kW為止。待爐料完全熔化后，溫度為1 300℃時(shí)保溫5 min，然后將其澆入圖2金屬模型中。

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。保溫后用C2Cl6采用鐘罩壓入法進(jìn)行攪拌除氣精煉。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)后在850℃時(shí)保溫10 min，用鋁箔包裹Sr顆粒投入到熔體中，將坩堝放回爐內(nèi)，在850℃時(shí)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)保溫10 min。出爐后，待溶液溫度降至780℃時(shí)充分?jǐn)嚢韬鬂踩肷靶?，在Axiovert200MAT金相顯微鏡下觀察金相組織。

圖1 Al-Si合金熔煉在感應(yīng)爐中的裝爐示意圖

圖2 金屬模型示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 Sr對(duì)過共晶鋁硅合金中初生硅的影響

在Al-20%Si-0.1%P溶液中加入3.2%的Sr元素，在砂型中冷卻得到的組織如圖3所示。從圖3(a)和圖3(b)中發(fā)現(xiàn)，未添加Sr變質(zhì)的Al-20%Si-0.1%P過共晶鋁硅合金中，初晶硅呈塊狀、尺寸比較小、數(shù)量較多、棱角尖銳、嚴(yán)重割裂了基體。經(jīng)過Sr變質(zhì)后，組織中初晶硅的數(shù)量減少，尺寸明顯增大，初生硅周圍出現(xiàn)了將初生硅包裹的α-Al相。Sr的加入沒有使初晶硅變得細(xì)小彌散，但是改變了初晶硅的形貌，初晶硅由較大的塊狀變成了花瓣?duì)?，尖角也有明顯的鈍化。

圖3 過共晶Al-Si合金鑄態(tài)微觀組織

2.2 Sr對(duì)過共晶鋁硅合金中共晶硅的影響

在Al-20%Si-0.1%P溶液中加入3.2%的Sr元素，在砂型中冷卻得到的組織如圖4所示。從圖4(a)和圖4(b)中發(fā)現(xiàn)，未添加Sr變質(zhì)的Al-20%Si-0.1%P過共晶鋁硅合金中，共晶硅呈長(zhǎng)針狀，嚴(yán)重割裂了基體，并且部分共晶硅與初晶硅相連在一起，粗大的初晶硅本身斷裂引起的裂紋易于沿著共晶硅擴(kuò)展，明顯降低了合金的伸長(zhǎng)性。經(jīng)過Sr元素變質(zhì)后，共晶硅的尺寸明顯降低，數(shù)量增多，彌散分布，由長(zhǎng)針狀變成了顆粒狀，共晶硅得到了明顯的細(xì)化。

未經(jīng)過Sr變質(zhì)的共晶硅表面很難產(chǎn)生孿晶，在硅晶體生長(zhǎng)前沿存在著許多的臺(tái)階，Si原子易于吸附在臺(tái)階上生長(zhǎng)，能量最低，共晶硅生長(zhǎng)成長(zhǎng)針狀。當(dāng)加入大量的Sr元素變質(zhì)后，Sr原子優(yōu)先吸附在Si的界面臺(tái)階處，使Si原子很難在臺(tái)階處生長(zhǎng)[11]。同時(shí)，Sr的加入使Si晶體表面誘發(fā)出高密度的孿晶，孿晶前沿存在孿晶凹槽，Si原子在孿晶凹槽處生長(zhǎng)，共晶硅的生長(zhǎng)改變了方向，由長(zhǎng)針狀變成了顆粒狀，細(xì)化了共晶硅。

在Al-20%Si合金中加入了0.1%的P后，細(xì)化了初晶硅。關(guān)于P細(xì)化初晶硅的機(jī)理，人們的看法比較一致，P的加入與鋁液中的Al生成了一種化合物AlP，這種化合物熔點(diǎn)在1 060℃左右，熔點(diǎn)較高，并且晶體結(jié)構(gòu)與硅相同，屬于金剛石立方晶格，而且晶格常數(shù)（Si為5.42×10-10m，AlP為5.45×10-10m）和原子間距相差很小。在過共晶鋁硅合金結(jié)晶過程中，AlP化合物在初晶硅的形核過程中起到了 非均質(zhì)核心的作用，因此細(xì)化了初晶硅。

圖4 過共晶Al-Si合金鑄態(tài)微觀組織

在經(jīng)P變質(zhì)后的過共晶鋁硅合金中，加入了3.2%Sr后，鋁液中形成的AlP一小部分作為初晶硅的異質(zhì)核心，起到了細(xì)化初晶硅的作用，大部分的AlP與Sr發(fā)生了如下反應(yīng)：

使作為異質(zhì)核心的AlP數(shù)量明顯降低，消耗了AlP和部分Sr，初晶硅變得粗大，同時(shí)Sr由于對(duì)初晶硅有裂解的作用，初晶硅由粗大的板片狀裂解成了花瓣?duì)?，形貌發(fā)生了改變，棱角部分得到了鈍化。由于Sr變質(zhì)劑的含量較高，剩余的Sr原子起到了細(xì)化共晶硅的作用，共晶硅由長(zhǎng)針狀變成了顆粒狀和短棒狀，細(xì)化了共晶硅。

3 結(jié)論

（1）在Al-20%Si-0.1%P過共晶鋁硅合金中加入3.2%Sr后，消耗了一部分異質(zhì)核心AlP，使初晶硅變得粗大，數(shù)量較少，由板片狀變成了花瓣?duì)睿蚊舶l(fā)生了改變。（2）在Al-20%Si-0.1%P過共晶鋁硅合金中加入3.2%Sr后，Sr原子優(yōu)先吸附在Si界面前言的臺(tái)階處，細(xì)化了共晶硅，使共晶硅由長(zhǎng)針狀變成了顆粒狀和短棒狀，組織得到了細(xì)化。

[1]張蓉,沈淑娟,趙志龍,等.熔體過熱處理及冷卻速度對(duì)Al-Si過共晶合金凝固[J].有色金屬,2002,54(3): 19-21.

[2]劉先蘭,張文玉,蘇廣才.高強(qiáng)度高耐磨性鋁硅合金的實(shí)驗(yàn)研究[J].鑄造技術(shù),2007,28(2):215-217.

[3]Lasa L,Rodriguez-Ibabe J M.Wear behaviour of eutectic andhypereutecticAl-Si-Cu-Mgcastingalloystested against a composite brake pad[J].Materials Science and EngineeringA,2003,363(1-2):193-202.

[4]Zhao Qian,Xiangfa Liu,Degang Zhao,et al.Effects of trace Mn addition on the elevated temperature tensile strength and microstructure of a low-iron Al-Si piston alloy[J].Mater Lett,2008,62(14):2146-2149.

[5]康福偉,彌寧,李晨,等.變質(zhì)及熔體處理對(duì)過共晶鋁硅合金組織的影響[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào),2013,18(4): 117-120.

[6]段海麗.鑄造鋁硅合金變質(zhì)處理組織性能及機(jī)理的研究[D].上海:上海大學(xué),2006.

[7]代雨成,樊自田,蔣文明,等.Sr變質(zhì)對(duì)ZL114A合金共晶硅形貌和拉伸性能的影響[J].鑄造,2014,63(3): 221-225.

[8]董光明,孫國(guó)雄,廖恒成,等.鋁硅合金中共晶硅的變質(zhì)機(jī)理：雜質(zhì)誘發(fā)共生成對(duì)孿晶[J].材料科學(xué)與工藝, 2008,16(1):34-37.

[9]李華基,吳玉露,胡慧芳.Al-24%Si過共晶合金的磷鍶變質(zhì)效果研究[J].金屬鑄鍛焊技術(shù),2010(17):35-38.

[10]孔凡校.P、Sr、RE變質(zhì)對(duì)過共晶Al-Si合金組織形態(tài)的影響[J].有色金屬:冶煉部分,2011(12):46-49.

[11]胥鍇,劉徽平,王甫,等．Sr變質(zhì)對(duì)ZL101合金中共晶Si形貌的影響[J],鑄造技術(shù),2009,30(05):646-649.

[12]胥鍇,劉微平,袁幫誼,等.過共晶鋁硅合金變質(zhì)處理的研究進(jìn)展[J].熱加工工藝,2009,38(3):32-35.

責(zé)任編校：劉亞兵

Effect of Sr on the Modification of HypereutecticAl-SiAlloy

LIU Xue,XUE Li-qiang,CHANG Guo-wei,YUE Xu-dong

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

Influence of Sr deterioration on hypereutectic Al-Si Alloy is studied.The results show that:after deterioration with 3.2%Sr element,which consumes a portion of heterogeneous core AlP,to make the primary Si become larger and the quantity is reduced,besides,the shape is changed from the flake to petaloid ambulacra.Sr atoms preferentially absorbed at the step of Si interface preface,which refined eutectic silicon,to make the shape of eutectic silicon to be changed from a long needle to a granular and short rod,and refined the organization too.

metamorphism;primary silicon;eutectic silicon

TG131

A

1674-3261(2017)01-0041-03

2016-03-04

劉學(xué)(1991-)，男，遼寧朝陽(yáng)人，碩士生。

10.15916/j.issn1674-3261.2017.01.011