徐 通，張宇飛，李詠凱

合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 合肥 230009

高性能亞共晶鋁硅合金的研究

徐 通，張宇飛，李詠凱

合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 合肥 230009

通過成分優(yōu)化、變質(zhì)、合金化和熱處理等方法，來提高合金的硬度和強度．試驗結(jié)果表明：對亞共晶鋁硅合金進行變質(zhì)處理，能將共晶Si由針片狀變質(zhì)成細小纖維狀，促使合金力學(xué)性能得到改善；亞共晶合金中加入Cu和Ni等元素，經(jīng)固溶+時效處理后亞共晶Al-Si合金的力學(xué)性能得到大幅度提高；當Cu含量為3.5%和Ni含量為2.0%時，合金的硬度和抗拉強度達到最大值，分別為155HBS和347.72 MPa，與鑄態(tài)下的相比硬度提高了38.3%、強度提高了66.8%．

變質(zhì)；熱處理；合金化；力學(xué)性能

鋁硅系鑄造合金因具有密度小、比強度高、鑄造性能好、可回收性強及資源豐富等一系列優(yōu)點，而被廣泛應(yīng)用[1]．但鋁硅系鑄造合金的共晶硅呈片狀，使其力學(xué)性能較差.特別是塑韌性較差.在實際生產(chǎn)中采取了多種工藝方法，以改善共晶硅的形態(tài)，提高鋁硅鑄造合金的力學(xué)性能．

本實驗對亞共晶Al-Si活塞合金性能提高的研究主要集中于合金化、熱處理及變質(zhì)處理三方面[2]．將Cu，Ni和Mg等強化元素添加到共晶Al-Si合金中配制成多元合金．一方面，經(jīng)熱處理工藝將元素形成的強化相不同程度地溶入到α-Al基體中，形成過飽和固溶體，并在隨后的時效過程中重新析出，起到固溶強化和沉淀強化作用，增強合金力學(xué)性能[3]；另一方面，某些元素在合金中形成金屬間化合相，以共晶團形式分布在α-Al晶粒邊界上，促使合金組織發(fā)生復(fù)雜性變化[4]．這些強化相不但能改善合金高溫力學(xué)性能，而且還能降低合金線膨脹系數(shù)．

1 試驗材料及制備方法

1.1 試驗材料

試驗所用的亞共晶鋁硅合金(w(Si)=10.5%)是由純Al和工業(yè)純Si(純度為99.9%)按一定比例熔煉而成．在進行亞共晶鋁硅合金化試驗時，變質(zhì)劑采用的是Al-Sr(w(Sr)=10%)合金，添加的中間合金為Al-Cu(w(Cu)=50%)和Al-Ni(w(Ni)=10%)，以及添加純Mg、純Zn、覆蓋劑、精煉劑等．

1.2 合金的熔煉

制備亞共晶鋁硅合金時，用電阻式坩堝爐進行熔煉．先將純鋁在780 ℃下熔化并保溫30 min，待其完全熔化后將純Si按一定比例壓入熔體中并保溫30 min，待其完全熔化后用鐘罩將六氯乙烷壓入熔體中進行一次精煉處理，保溫10 min后撇渣，得到鋁硅二元合金熔液．然后再分別加入不同量的中間合金Al-Ni和Al-Cu，攪拌均勻后在熔體表面均勻地撒上適量的覆蓋劑，靜置30 min后撇渣，加熱待溫度升至780 ℃時，再加入變質(zhì)劑Al-Sr并靜置30 min，最后澆注到模具中以制備金相試樣．在澆鑄的經(jīng)不同變質(zhì)處理的鋁硅合金鑄塊的同一部位上切取試樣，然后用0.5%的HF溶液腐蝕3 s，最后進行顯微組織觀察與研究．

2 結(jié)果與討論

2.1 Sr變質(zhì)處理

為了得到Sr對共晶鋁硅合金最佳的變質(zhì)效果，設(shè)計了4組試驗，Sr加入量分別為0.04%，0.06%，0.08%和0.10%.Sr加入量對共晶鋁硅合金組織形態(tài)的影響如圖1所示．圖1(a)為未經(jīng)變質(zhì)處理的亞共晶鋁硅合金組織形貌．從圖1(a)可見，組織中有大量鋸齒狀共晶硅，其嚴重割裂基體，影響了合金的力學(xué)性能，這樣的合金在實際生產(chǎn)中無法達到使用要求．圖1(b)～圖1(e)是Sr加入量分別為0.04%，0.06%，0.08%和0.1%的鋁硅合金組織形貌．從圖1(b)～圖1(e)可見，隨著Sr加入量的增加，共晶硅逐漸球化，形狀從鋸齒狀向纖維狀和蠕蟲狀轉(zhuǎn)變．當Sr含量為0.06%時，微觀組織α(Al)樹枝晶略有細化，蠕蟲狀的共晶硅大部分細化成圓點狀；當Sr含量增加到0.08%乃至0.10%時，α(Al)開始變粗，出現(xiàn)粗大樹枝晶，圓點狀共晶硅開始粗化，發(fā)生過變質(zhì)現(xiàn)象．Sr變質(zhì)對合金中微觀組織有顯著的細化作用，α(Al)樹枝晶得到了細化，其形狀更規(guī)則、圓滑，沒有明顯的一次及二次分支；共晶硅由粗大的針片狀變成細小蠕蟲狀．

圖1 Sr對亞共晶鋁硅合金組織形態(tài)的影響(a)0；(b) 0.04%；(c) 0.06%；(d) 0.08%；(e) 0.10%Fig.1 The effect of Sr modification on the structural morphology of hypo-eutectic Al-Si alloy

采用Image-Pro-Plus軟件進一步對Sr變質(zhì)后的亞共晶鋁硅合金微觀組織中共晶Si相晶粒尺寸進行了分析，結(jié)果列于表1．由表1可知：當Sr加入量為0.04%時，合金微觀組織中共晶Si相平均尺寸從未變質(zhì)的73 μm減小為34 μm；當Sr加入量增加到0.06%時，合金微觀組織中共晶Si相平均尺寸急劇減小到8 μm；進一步增加Sr含量到0.08%時，合金微觀組織中共晶Si相平均尺寸略微增加到19 μm；當Sr含量增加到0.1%時，合金微觀組織中共晶Si相平均尺寸增加到21 μm．綜上所述，亞共晶鋁硅合金中Sr的加入量以0.06%較為合適，對組織的細化效果最好．

表1Sr含量對共晶硅相平均尺寸的影響

Table1TheeffectofSrcontentontheaveragesizeoftheeutecticsiliconphase

Sr加入量w/%00 040 060 080 10共晶硅平均尺寸/μm733481921

2.2 合金化對亞共晶鋁硅合金力學(xué)性能的影響

選取四個不同組成成分的亞共晶鋁硅合金試樣(表2)，將它們分別經(jīng)過變質(zhì)處理(Sr加入量為0.06%)和熱處理(510 ℃下固溶6 h，185 ℃下時效6 h)后，對合金進行硬度及室溫下抗拉強度的測定，所得結(jié)果分別列于表3和表4．

表2 試樣合金元素含量

表3鑄態(tài)下合金的硬度和抗拉強度

Table3Thehardnessandtensilestrengthofthealloyincasting

序號合金元素含量w/%CuNi硬度(HBS)抗拉強度/MPa13 01 093 9151 1423 51 098 3194 2433 02 099 5164 5843 52 0112208 43

由表3可知，鑄態(tài)下當其它合金元素含量相同時，隨著Cu和Ni含量的增加合金的硬度及抗拉強度逐漸增加，當Cu和Ni含量為3.5%和2.0%時，合金硬度及抗拉強度達到最大值,分別為112 HBS和208.43 MPa．

表4 時效后合金的硬度和抗拉強度

由表4可知，經(jīng)熱處理后合金的力學(xué)性能大幅度提高，當Cu含量3.5%和Ni含量2.0%時合金的硬度及抗拉強度達到最大值，分別為155 HBS和347.72 MPa，與鑄態(tài)合金相比硬度提高了38.3%、強度提高了66.8%．綜上所述，在加入3.5%的Cu和2.0%的Ni，同時經(jīng)過適當?shù)臒崽幚砉に嚭?，Al-Si合金力學(xué)性能達到最佳．

對亞共晶Al-Si合金來說，固溶和時效處理對其力學(xué)性能有顯著影響．在固溶溫度下保溫的目的是使合金中的強化相充分溶入基體中，從而形成過飽和固溶體，同時球化Si相．固溶處理可提高合金基體過飽和程度及組織均勻化程度，為時效時沉淀相的析出提供驅(qū)動力，從而影響沉淀相的數(shù)量、大小及分布狀態(tài)，最終決定合金的力學(xué)性能．亞共晶Al-Si合金在固溶處理后需要進行時效處理，時效處理過程中合金元素沉淀過程一般需要經(jīng)過四個階段：形成GPⅠ區(qū)，合金力學(xué)性能提高；形成GPⅡ區(qū)，合金強度進一步提高；形成亞穩(wěn)相，使合金得到更高的強度；形成第二相質(zhì)點的聚集，顯著降低合金強度，提高合金塑性． Cu和Ni對鋁硅合金的強度及硬度有強化效果，直徑更大的Cu和Ni原子會置換合金中的Al原子，從而使晶格發(fā)生畸變，阻止位錯的滑移[5].同時，Cu和Ni會與Al生成金屬化合物CuAl2或Ni3Al且彌散分布在基體周圍，阻礙位錯的運動，使位錯切割需要更大的力，從而使合金的強度及硬度增加．所以Cu和Ni的加入，經(jīng)過熱處理后在合金組織中形成強化相，對提高合金力學(xué)性能有很大的幫助．

3 結(jié) 論

(1)Sr變質(zhì)對亞共晶Al-Si(w(Si)=10.5%)合金中微觀組織有顯著的細化作用，當Sr含量為0.06%時對組織的細化效果最好．

(2)亞共晶Al-Si合金的力學(xué)性能隨著Cu和Ni含量的增加而提高，鑄態(tài)下當Cu含量為3.5%和Ni含量為2.0%時，合金硬度達到最大值112HBS，抗拉強度最大值208.43 MPa．

(3)經(jīng)過固溶+時效處理之后，亞共晶Al-Si合金的力學(xué)性能得到大幅度提高，當Cu含量3.5%和Ni含量2.0%時硬度和抗拉強度達到最大值，分別為155HBS和347.72 MPa，與鑄態(tài)的相比硬度提高了38.3%、強度提高了66.8%．

[1] 陳琪云．鋁合金活塞材料的研發(fā)與應(yīng)用進展[J]．合肥學(xué)院學(xué)報，2012，22(3)：46-49．

[2] 孫進寶．Al-15.5Si-4.5Cu-1.0Zn-0.7Mg-0.5Ni變形合金組織與性能研究[D]．沈陽：東北大學(xué)，2011．

[3] ASGHAR Z，REQUENA G，KUBEL F．The role of Ni and Fe aluminides on the elevated temperature strength of an AlSi12 alloy[J]．Materials Science and Engineering：A，2010，527(21)：5691-5698．

[4] BELOV N A，ESKIN D G，AVXENTIEVA N N．Constituent phase diagrams of the Al-Cu-Fe-Mg-Ni-Si system and their application to the analysis of aluminium piston alloys[J]．Acta Materialia，2005，53(17)：4709-4722．

[5] 張洋．Sr加入量及微量Cu元素對A357合金組織和性能的影響[D]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2010．

Thestudyofhighperformancehypo-eutecticaluminumsiliconalloy

XU Tong，ZHANG Yufei，LI Yongkai

SchoolofMaterialsScienceandEngineering，HefeiUniversityofTechnology，Hefei230009，China

Through the composition methods of optimization metamorphism，alloying and heat treatment to improve the hardness and strength of the alloy. The results show that the modification treatment of hypoeutectic Al-Si alloy, eutectic Si by needle plate can be metamorphosed into tiny fibrous and mechanical properties of alloy can be improved. When adding the element such as Cu and Ni, after solid solution and aging treatment, the mechanical properties of hypo eutectic Al-Si alloy are improved greatly; When Cu content is 3.5% and the content of Ni was 2.0%, alloy reach maximum hardness and tensile strength, 155 HBS and 347.72 MPa, respectively, compared with the as-cast alloy the hardness increased by 38.3%, the intensity is increased by 66.8%.

metamorphism；heat treatment；alloying；mechanical properties

2017-08-28

徐通(1992-)，男，安徽安慶人，碩士研究生.

1673-9981(2017)04-0236-04

TG146.21

A