張小平

(渭南市職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 渭南 711711)

隨著鋁合金中硅含量的增加，合金組織中會生成板片狀、針狀的共晶硅以及大量粗大且不規(guī)則的塊狀初生硅，在材料受力時，硅粒子的尖端及其棱角部位會形成應(yīng)力集中，割裂較軟的鋁合金基體，這不但會使合金的抗拉強(qiáng)度降低，而且明顯降低合金的塑性和耐磨性。同時，材料在機(jī)械加工時，合金中硬質(zhì)大塊硅相會導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重，切削加工困難。所以，研究如何細(xì)化過共晶鋁硅合金中的初生硅，提高材料的加工性能及力學(xué)性能，對變質(zhì)理論的完善發(fā)展及其應(yīng)用具有極其重要的意義。由于過共晶鋁硅合金中存在各類不規(guī)整形態(tài)的硬質(zhì)硅相，使其力學(xué)性能和加工性能都比較差，為了使初生硅在工業(yè)生產(chǎn)中得到更廣泛的應(yīng)用，必須對初生硅進(jìn)行細(xì)化變質(zhì)[1-3]。長期以來，人們研究并應(yīng)用多種變質(zhì)劑對過共晶鋁硅合金的初生硅進(jìn)行變質(zhì)細(xì)化，但目前為止，所有類型單一的變質(zhì)劑都未能得到令人滿意的變質(zhì)效果[4-8]。所以，為了得到更好的變質(zhì)效果，目前人們傾向于采用復(fù)合變質(zhì)的方法，而復(fù)合變質(zhì)也是未來對過共晶鋁硅合金變質(zhì)的新途徑和趨勢。

鑒于此，本課題采用新型復(fù)合變質(zhì)劑，通過一系列實驗，研究其變質(zhì)效果、作用機(jī)制以及熱處理前后合金的力學(xué)性能變化。開展的研究內(nèi)容如下：復(fù)合變質(zhì)劑對Al-18Si-2Cu鑄態(tài)下組織及力學(xué)性能的影響，包括Al-P變質(zhì)、Al-P與鐵基非晶復(fù)合變質(zhì)、Al-P與鎳基非晶復(fù)合變質(zhì)、Al-P與TiC復(fù)合變質(zhì)等；復(fù)合變質(zhì)劑對Al-18Si-2Cu熱處理后組織及力學(xué)性能的影響；變質(zhì)溫度對非晶變質(zhì)效果的影響。

1 實驗部分

1.1 化學(xué)試劑

鋁磷，分析純，山東呂美熔體技術(shù)有限公司；鐵非晶，分析純，成都錦尚科技責(zé)任有限公司；鎳非晶，分析純，成都錦尚科技責(zé)任有限公司；TiC，分析純，天津市元立化工有限公司。

1.2 實驗儀器及設(shè)備

MTS-810型電液伺服實驗機(jī)，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；QT08型線切割機(jī)，鄭州長城科工貿(mào)有限公司；JSM-5310型掃描電子顯微鏡，Edinburgh Instrμments；XJZ-6型顯微鏡(oM)(配有數(shù)碼相機(jī))，德國布魯克光譜儀器公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 各類變質(zhì)劑的制備

(1)實驗用重500g的圓錠狀A(yù)l-4.5P，用手工鋸將其鋸成1cm3～2cm3大小的鋁磷塊，然后用鋁箔紙包好。(2)實驗用鐵基非晶與鎳基非晶均為厚30μm的金屬薄帶，為使非晶快速熔化，需將非晶剪成0.2cm2～0.5 cm2的小碎片。(3)實驗用的TiC粉末為吉林大學(xué)鑄造實驗室老師制備，TiC粉末在銅合金的變質(zhì)處理上取得了顯著效果，本實驗之一是把TiC粉末用于鋁合金變質(zhì)，試圖研究TiC粉末對Al-18Si-2Cu的初生硅是否有細(xì)化作用。

1.3.2 過共晶鋁硅合金的變質(zhì)過程

以加入Al-P和Ni非晶復(fù)合變質(zhì)劑為例：把600g左右的Al-18Si-2Cu合金板放入坩堝中，把爐溫調(diào)到850 ℃，等待鋁合金熔化；用打渣勺清除鋁合金液體上方的氧化物；用鋁箔紙包裹Al-P，用打渣勺將其按入坩堝底部，待Al-P熔化后，充分?jǐn)嚢瑁缓蟊?0min；將Ni非晶碎片均勻撒入到坩堝中，充分?jǐn)嚢?，然后保?min；加入清渣劑，加入量約為0.5%，將清渣劑用鋁箔包裹，用打渣勺將其按入爐子底部，待打渣劑熔化后攪拌，保溫2min～3min，用打渣勺將爐渣清出；用坩堝鉗夾出坩堝，從模具的一側(cè)，將金屬液澆注到金屬模中，待其冷卻后，取出鋁板。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 鑄態(tài)組織與性能

2.1.1 未變質(zhì)Al-18Si-2Cu合金

如圖1所示，圖中深灰色片狀部分為初生硅，顏色稍淺條狀部分為共晶硅，而近白色部分為共晶鋁?？梢钥闯觯醋冑|(zhì)的過共晶Al-18Si-2Cu合金中的初生硅形狀不規(guī)整，呈多角形且初晶硅晶粒粗大，平均尺寸在130μm左右。此外，由圖1(a)可以看出，未經(jīng)變質(zhì)的初晶硅分布及其不均勻。這樣的過共晶鋁硅合金力學(xué)性能很差，不經(jīng)過變質(zhì)細(xì)化是很難在工業(yè)生產(chǎn)中使用的。

圖1 未變質(zhì)過共晶Al-18Si-2Cu合金的組織Fig.1 Microstructure of unmodified eutectic Al-18Si-2Cu alloy

2.1.2 Al-P變質(zhì)

試驗中加入0.5wt.%的Al-P變質(zhì)劑。如圖2所示，Al-P對過共晶Al-18Si-2Cu合金的變質(zhì)作用十分明顯，經(jīng)過Al-P變質(zhì)劑變質(zhì)之后，初生硅的尺寸明顯變小，平均尺寸為20μm左右，初晶硅分布變得更均勻。初生硅形態(tài)由粗大的五角星形或者板形變?yōu)樾螤罹鶆虻亩噙呅?，且變得更加圓滑。Al-P變質(zhì)的機(jī)理是可以作為初生硅形成的核心，使得初生硅形成的核心增多，從而使初生硅變小，分布更加均勻。

圖2 Al-P變質(zhì)后過共晶Al-18Si-2Cu合金的組織Fig.2 Microstructure of hypereutectic Al-18Si-2Cu alloy modified by Al-P

Al-P變質(zhì)的Al-18Si-2Cu合金，試樣(0-1號)尺寸3.74mm×1.62mm×10mm，抗拉強(qiáng)度220.5MPa，延伸率2.84%；試樣(0-2號)尺寸3.74mm×1.76mm×10mm，抗拉強(qiáng)度208.0MPa，延伸率1.96%?？梢钥闯?，單獨(dú)使用Al-P變質(zhì)的Al-18Si-2Cu合金，平均抗拉強(qiáng)度為214MPa，平均延伸率為 2.4%。而通過查閱資料可知，未變質(zhì)的Al-18Si-2Cu抗拉強(qiáng)度大約為170MPa，變質(zhì)后其拉伸性能得到了大幅提高。

2.1.3 Al-P和Fe基非晶復(fù)合變質(zhì)

試驗中，在爐內(nèi)加入0.5wt.%的Al-P和0.05wt.%的鐵基非晶復(fù)合變質(zhì)劑。如圖3所示，使用Al-P和Fe非晶復(fù)合變質(zhì)后，過共晶Al-18Si-2Cu合金中初晶硅的形狀大小并沒有明顯變化，共晶硅形態(tài)變得更加復(fù)雜，尺寸也有所減小，可以初步判斷Fe-非晶的作用機(jī)理是影響共晶硅或者共晶鋁的生長方式，但是還需進(jìn)一步驗證。

圖3 Al-P和Fe非晶復(fù)合變質(zhì)后過共晶Al-18Si-2Cu合金的組織Fig.3 Microstructure of hypereutectic Al-18Si-2Cu alloy modified by Al-P and Fe amorphous composite

Al-P和Fe非晶復(fù)合變質(zhì)的Al-18Si-2Cu，試樣(1-1)號尺寸3.90mm×1.68mm×10mm，抗拉強(qiáng)度195.2MPa，延伸率1.97%；試樣(1-2)號尺寸3.94mm×1.52mm×10mm，抗拉強(qiáng)度200.4MPa，延伸率2.25%?？梢钥闯?，使用Al-P和Fe非晶復(fù)合變質(zhì)的Al-18Si-2Cu合金，平均抗拉強(qiáng)度為197.8MPa，平均延伸率為 2.11%，相對于只用Al-P變質(zhì)后的Al-18Si-2Cu力學(xué)性能略有下降。

2.1.4 Al-P 和Ni非晶復(fù)合變質(zhì)

試驗中，在爐內(nèi)加入0.5%的Al-P和0.1%的鐵基非晶復(fù)合變質(zhì)劑。如圖4所示，使用Al-P和Ni非晶復(fù)合變質(zhì)劑對過共晶Al-18Si-2Cu合金進(jìn)行變質(zhì)后，初晶硅與共晶硅變質(zhì)更為均勻，初晶硅不但尺寸變小而且形態(tài)變得更加圓滑，棱角不是很明顯，初晶硅平均尺寸為20μm。變質(zhì)效果比單獨(dú)使用Al-P變質(zhì)效果更好。

圖4 Al-P和Ni非晶復(fù)合變質(zhì)后過共晶Al-18Si-2Cu合金的組織Fig.4 Microstructure of hypereutectic Al-18Si-2Cu alloy modified by Al-P and Ni amorphous composite

Al-P 和Ni非晶復(fù)合變質(zhì)的Al-18Si-2Cu，試樣(2-1)號尺寸3.54mm×1.82mm×10mm，抗拉強(qiáng)度255.4MPa，延伸率3.18%；試樣(2-2)號尺寸3.78mm×1.96mm×10mm，抗拉強(qiáng)度247.6MPa，延伸率3.22%。可以看出，使用Al-P和Ni非晶復(fù)合變質(zhì)的Al-18Si-2Cu合金，平均抗拉強(qiáng)度為251.5MPa，平均延伸率為 3.20%。合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率都比較高，原因是經(jīng)過Al-P和Ni非晶復(fù)合變質(zhì)后，Al-18Si-2Cu合金的初晶硅和共晶硅分布都比較均勻，初晶硅細(xì)小且圓滑。

2.1.5 Al-P 和TiC復(fù)合變質(zhì)

如圖5所示，使用Al-P和Ni非晶復(fù)合變質(zhì)劑對過共晶Al-18 Si-2Cu合金進(jìn)行變質(zhì)后，共晶硅和初晶硅的分布都相對均勻，初晶硅晶粒尺寸也有所減小，平均粒度尺寸為30μm左右，初生硅形態(tài)不規(guī)整，而且出現(xiàn)了條狀初晶硅，這會在材料受力時產(chǎn)生應(yīng)力集中，影響使用。

Al-P 和TiC復(fù)合變質(zhì)的Al-18Si-2Cu，試樣(3-1)號尺寸3.66mm×1.98mm×10mm，抗拉強(qiáng)度183.7MPa，延伸率1.63%；試樣(3-2)號尺寸3.64mm×1.92mm×10mm，抗拉強(qiáng)度181.7MPa，延伸率1.43%?？梢钥闯?，經(jīng)過Al-P和Fe非晶復(fù)合變質(zhì)后，合金的平均抗拉強(qiáng)度為182.7 MPa，平均延伸率為1.53%。無論是抗拉強(qiáng)度還是延伸率都表明，Al-P和TiC復(fù)合變質(zhì)效果并不好。

圖5 使用Al-P和TiC復(fù)合變質(zhì)后過共晶Al-18Si-2Cu合金的組織Fig.5 Microstructure of hypereutectic Al-18Si-2Cu alloy modified by Al-P and TiC composite

2.2 熱處理對變質(zhì)Al-18Si-2Cu合金組織與性能的影響

為了提高力學(xué)性能、加工性能和穩(wěn)定尺寸，需對過共晶鋁硅合金進(jìn)行熱處理。本次實驗對Al-18Si-2Cu采用T6熱處理。T6熱處理包括固溶處理和完全人工時效，即把合金加熱到高溫單相區(qū)恒溫保持，使過剩相充分溶解到固溶體中后快速冷卻(水冷)，以得到過飽和固溶體。較高的時效溫度和較長的保溫時間可使合金獲得最大的硬度和最高的抗拉強(qiáng)度，但會使其伸長率較低。根據(jù)合金成分不同，參數(shù)的選取也不同，本實驗所選取的工藝參數(shù)為：500℃固溶處理8h，60℃～100℃水冷，然后在180℃進(jìn)行完全人工時效6h，空冷。

圖6為Al-P變質(zhì)Al-18Si-2Cu合金的熱處理組織，可以看出，T6熱處理使初生硅棱角鈍化，長針狀的共晶硅變得更加細(xì)小。試樣在1822.8N的拉力下被拉斷，最大伸長量為0.38mm，經(jīng)計算，試樣的抗拉強(qiáng)度為259.2MPa，延伸率為3.08 %。通過對比可以看出，試樣在T6熱處理之后抗拉強(qiáng)度和延伸率有一定提高，這主要是初生硅和共晶硅被球化減小了其對鑄件的割裂作用，提高了拉伸性能。

圖6 Al-P變質(zhì)Al-18Si-2Cu的熱處理組織Fig.6 Heat treatment structure of Al-18Si-2Cu alloy modified by Al-P

圖7為Al-P和Fe基非晶復(fù)合變質(zhì)Al-18Si-2Cu的熱處理組織。試樣在1761.6N的拉力下被拉斷，最大伸長量為0.32mm，經(jīng)計算，試樣的抗拉強(qiáng)度為263.7MPa，延伸率為3.19%。與未經(jīng)熱處理的合金相比，試樣在T6熱處理之后抗拉強(qiáng)度和延伸率有一定提高。

圖8為Al-P和鎳非晶復(fù)合變質(zhì)Al-18Si-2Cu的熱處理組織。試樣在1761.0N的拉力下被拉斷，最大伸長量為0.29mm，經(jīng)計算，試樣的抗拉強(qiáng)度為270.4MPa，延伸率為3.23%。T6熱處理使得基體得到了固溶強(qiáng)化，變質(zhì)Al-18Si-2Cu的硬度會有較大提高，完全人工時效使其抗拉強(qiáng)度有所提高。

圖7 Al-P和Fe基非晶復(fù)合變質(zhì)Al-18Si-2Cu的熱處理組織Fig.7 Heat treatment microstructure of Al-18Si-2Cu alloy modified by Al-P and Fe

圖8 Al-P和Ni基非晶復(fù)合變質(zhì)Al-18Si-2Cu的熱處理組織Fig.8 Heat treatment microstructure of Al-P and Ni amorphous composite modified Al-18Si-2Cu

圖9為Al-P和TiC復(fù)合變質(zhì)Al-18Si-2Cu的熱處理組織。試樣在1027.7N的拉力下被拉斷，最大伸長量為0.081mm，經(jīng)計算，試樣的抗拉強(qiáng)度為182.5MPa，延伸率為1.91%。Al-P和TiC復(fù)合變質(zhì)Al-18Si-2Cu合金在鑄態(tài)下的抗拉強(qiáng)度和延伸率不高，經(jīng)過T6處理之后，試樣的性能與非晶處理的試樣仍有一定的差距。

圖9 Al-P和TiC復(fù)合變質(zhì)Al-18Si-2Cu的熱處理組織Fig.9 Heat treatment microstructure of Al-P and TiC composite modified Al-18Si-2Cu

2.3 非晶變質(zhì)處理溫度對Al-18Si-2Cu組織及性能的影響

通過實驗和對比分析可以看到，使用Al-P和Ni基非晶作為變質(zhì)劑對Al-18Si-2Cu合金進(jìn)行復(fù)合變質(zhì)，變質(zhì)效果良好，無論是在鑄態(tài)下還是在T6熱處理后，變質(zhì)合金都具有較高的抗拉強(qiáng)度和延伸率。所以，我們有必要以溫度為變量，探討非晶變質(zhì)溫度對過共晶鋁硅合金組織及性能的影響，研究最適合Al-P和Ni基非晶復(fù)合變質(zhì)劑的變質(zhì)溫度。我們分別對變質(zhì)溫度為790 ℃、820 ℃、850 ℃進(jìn)行了實驗。

2.3.1 變質(zhì)溫度790℃

在850℃條件下熔化Al-18Si-2Cu合金板，然后把爐溫降低，用溫度計測量為790℃后，加入Al-P變質(zhì)劑，然后加入Ni基非晶。圖10為變質(zhì)后Al-18Si-2Cu合金的金相組織。試樣(0-1)號尺寸3.70mm×1.38mm×10mm，抗拉強(qiáng)度232.4MPa，延伸率3.10%；試樣(0-2)號尺寸3.70mm×1.32mm×10mm，抗拉強(qiáng)度224.1MPa，延伸率3.13%；經(jīng)計算，材料的平均抗拉強(qiáng)度為228.3 MPa，平均延伸率為3.12 %。

圖10 變質(zhì)溫度790℃下Al-18Si-2Cu合金的金相組織Fig.10 Metallographic structure of Al-18Si-2Cu Alloy at metamorphic temperature 790℃

2.3.2 變質(zhì)溫度820℃

圖11為變質(zhì)后Al-18Si-2Cu合金的金相組織。在相同試樣長度下，變質(zhì)溫度為820 ℃時試樣的伸長量高于變質(zhì)溫度為790℃的試樣。試樣(1-1)號尺寸3.36mm×1.80mm×10mm，抗拉強(qiáng)度292.1MPa，延伸率3.45%；試樣(1-2)號尺寸3.52mm×1.82mm×10mm，抗拉強(qiáng)度265.8MPa，延伸率3.24%；經(jīng)計算，試樣的平均抗拉強(qiáng)度為265.8MPa，平均延伸率為3.24%。相比之下，抗拉強(qiáng)度和延伸率均高于變質(zhì)溫度為790℃的試樣。

圖11 變質(zhì)溫度820℃下Al-18Si-2Cu合金的金相組織Fig.11 Metallographic structure of Al-18Si-2Cu Alloy at metamorphic temperature 820℃

2.3.3 變質(zhì)溫度850 ℃

圖12為變質(zhì)后Al-18Si-2Cu合金的金相組織。試樣(2-1)號尺寸3.50mm×1.66mm×10mm，抗拉強(qiáng)度249.5MPa，延伸率3.11%；試樣(2-2)號尺寸3.54mm×1.82mm×10mm，抗拉強(qiáng)度223.6MPa，延伸率3.19%；試樣(2-3)號尺寸3.64mm×1.28mm×10mm，抗拉強(qiáng)度237.5MPa，延伸率3.03%；經(jīng)計算，試樣的平均抗拉強(qiáng)度為236.8 MPa，延伸率為3.11%。相比于變質(zhì)溫度為820 ℃的試樣，其抗拉強(qiáng)度和延伸率都有所降低，說明850 ℃的變質(zhì)溫度下，Ni非晶的孕育效果受到了弱化。

圖12 變質(zhì)溫度850℃下Al-18Si-2Cu合金的金相組織Fig.12 Metallographic structure of Al-18Si-2Cu Alloy at metamorphic temperature 850℃

3 結(jié)論

本文研究了復(fù)合變質(zhì)對Al-18Si-2Cu合金組織及性能的影響，得到了如下結(jié)論：

(1)Al-P是一種有效細(xì)化過共晶鋁硅合金中初生硅的變質(zhì)劑，加入Al-P后，Al-18Si-2Cu中的初晶硅變得均勻，平均晶粒尺寸由130μm降低到20μm。Al-P變質(zhì)后Al-18Si-2Cu合金平均抗拉強(qiáng)度為214MPa，平均延伸率為2.4%。

(2)非晶對初生硅影響不大，但能增加共晶硅的形核數(shù)量，使針狀的共晶硅得到細(xì)化。加入非晶后，Al-18Si-2Cu合金的抗拉強(qiáng)度有一定提高，其中Ni非晶的變質(zhì)效果比Fe非晶好。在拉伸試驗中，Al-P與Fe非晶的復(fù)合變質(zhì)后，材料的抗拉強(qiáng)度為197.7MPa，延伸率為 2.11%；而Al-P與Ni非晶的復(fù)合變質(zhì)后，材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了251.5MPa，延伸率為3.20%。

(3)Al-P與TiC復(fù)合變質(zhì)對Al-18Si-2Cu的變質(zhì)效果不太明顯。變質(zhì)后，試樣的延伸率為1.53%，抗拉強(qiáng)度為182.7MPa。

(4)T6熱處理不能改變初生硅的大小，但能使初生硅晶粒圓鈍化，此外，熱處理能使針狀和條狀的共晶硅?；?。在拉伸試驗中，圓鈍化的初晶硅和粒狀的共晶硅能減少應(yīng)力集中，減小了其對鑄件的割裂作用，使變質(zhì)后的Al-18Si-2Cu抗拉強(qiáng)度都有所提高。

(5)最適合Ni基非晶的變質(zhì)溫度是820℃，此時，變質(zhì)后的Al-18Si-2Cu具有最大的抗拉強(qiáng)度278.9MPa和最高的延伸率3.39%，當(dāng)溫度達(dá)到850℃時，Ni基非晶的變質(zhì)效果受到了弱化。