王雨旋，石為喜，楊 俊，劉 陽，羅心怡，鄢嘉誠，張繼源

(遼寧科技學(xué)院 冶金工程學(xué)院，遼寧 本溪 117004)

A390合金系典型的多元過共晶鋁硅合金，該合金主要由鋁、硅、銅和鎂等構(gòu)成，其化學(xué)成分為：Si 16%～18%，Cu 4.0%～5.0%，Mg 0.45%～0.65%，Mn﹤0.1%，F(xiàn)e﹤0.5%，Zn<0.1%，Ti<0.2%，余量為Al。A390合金除了具有良好的鑄造性能以外，還有較低的線膨脹系數(shù)、較高的耐磨性及優(yōu)良的耐腐蝕性能等，因而在汽車工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，尤其被用于制造發(fā)動機(jī)活塞等零部件〔1-2〕。采用常規(guī)鑄造方法所制得的A390合金，其組織中初晶硅一般呈粗大的板片狀或者多角塊狀，共晶硅一般以長針狀形態(tài)存在，造成合金性能降低，切削加工性變差。在決定A390合金的性能方面，合金中的初晶硅相的形狀、尺寸及分布起了非常關(guān)鍵的作用，因此需要對其進(jìn)行細(xì)化處理以提高合金的機(jī)械性能〔3-4〕。

磷是初晶硅的理想變質(zhì)劑，P對初晶硅具有很好的細(xì)化效果。目前在對過共晶鋁硅合金中初晶硅的變質(zhì)處理研究中，常用的磷類變質(zhì)劑有鋁磷、銅磷、磷鹽和赤磷等〔5-6〕，因此，文章以Cu-14%P合金為變質(zhì)劑來細(xì)化處理過共晶A390合金，對變質(zhì)前后合金的組織和硬度進(jìn)行詳細(xì)的研究。

1 試驗方法

以過共晶A390合金為實(shí)驗原材料，Cu-14%P合金為變質(zhì)劑。在A390合金中分別加入0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.5%和2.0%的P變質(zhì)劑。

變質(zhì)工藝過程：將稱量好的A390合金放置于井式電阻爐內(nèi)的石墨坩堝中，調(diào)節(jié)溫控儀程序升溫至780 ℃，保溫一定時間，合金熔化后，攪拌熔體，除去表面浮渣，將變質(zhì)劑Cu-14% P加入石墨坩堝中，保溫全部熔化后，用C2Cl6對合金液進(jìn)行除氣精煉處理，保溫10 min后除渣，澆注于鐵質(zhì)模具中，獲得合金鑄錠。

從鑄錠相同位置利用線切割車床割成15 mm×20 mm的圖形試樣，按照金相制樣程序制得樣品，采用0.5 wt% HF酸對樣品表面進(jìn)行腐蝕。采用金相顯微鏡(OM，蔡司Axio Imager M2m型)、掃描電鏡(SEM，蔡司EVO18型掃描電鏡，裝有牛津X-Max能譜儀)對變質(zhì)前后的A390合金樣品表面形貌、組織和成分進(jìn)行觀察和分析。采用X射線衍射儀(XRD，布魯克D8-ADVANCE型)分析變質(zhì)前后的合金樣品物相的變化。采用布氏硬度計(HB-3000)測量變質(zhì)前后合金樣品的硬度，壓頭直徑選用5 mm，試驗載荷力選用為250 kg，載荷保持時間選為30 s。用讀數(shù)顯微鏡測量壓痕直徑，相互垂直方向各測一次，取其平均值，對照金屬布氏硬度數(shù)值表讀出試樣的硬度值。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀組織

利用金相顯微鏡對合金微觀組織形貌進(jìn)行觀察，未加入變質(zhì)劑的 A390合金及不同加入量的P變質(zhì)劑變質(zhì)處理后的A390合金的微觀組織如圖1(a)-(h)所示。

(a)未變質(zhì)

從圖1可以看到，P變質(zhì)前后的A390合金的鑄態(tài)組織中都存在著初晶硅、共晶硅和灰色的組織。初晶硅以多角形狀或者不規(guī)則形狀分布(黑色有棱角的塊狀)，而共晶硅為長針狀(黑色細(xì)條狀)，灰色組織為CuAl2相(在后來的XRD和SEM檢測中，證明該組織的存在)分布于白色鋁基體上。同時在P變質(zhì)后的A390合金中還發(fā)現(xiàn)了細(xì)長針狀的黑色組織(該相組織將在后續(xù)開展研究)，如圖1(f)、圖1(g)和圖1(h)所示。隨著P加入量的增加，A390合金中的初晶硅的晶粒尺寸變小，其尖角形狀鈍化，灰色組織的CuAl2相明顯增加。由此得出變質(zhì)劑P的加入，可細(xì)化A390合金中的初晶硅相，同時對其形態(tài)也有影響，還可以看出，Cu-14%P的加入對A390合金中的共晶組織也有一定的作用。

通過用Ruler電子尺軟件測量加入P變質(zhì)劑前后A390合金中初晶硅的晶粒尺寸，每個試樣都選取了3張有代表性的金相圖片，利用軟件對圖像中的初晶硅進(jìn)行測量，計算求得晶粒尺寸平均數(shù)值，將其測量結(jié)果繪制成圖2。

P的加入量(wt/s)

從圖2可看出，初晶硅晶粒尺寸在P變質(zhì)劑加入后細(xì)化效果比較明顯。初晶硅晶粒尺寸隨著P的加入量的增加呈先減小后增大的趨勢。當(dāng)P變質(zhì)劑的加入量為0.8%時，初晶硅的晶粒尺寸達(dá)到最小值，約為15 μm。這表明在過共晶A390合金中，P變質(zhì)劑的加入量有一個區(qū)間范圍，大約0.8%。

2.2 XRD分析

采用X射線衍射儀對P變質(zhì)前后A390合金相的變化進(jìn)行測試和分析，其圖譜如圖3所示。

(a)未加變質(zhì)劑，(b)0.8%P變質(zhì)后

由圖3可知，P變質(zhì)前后的試樣中的主峰值與Al、Si和CuAl2的衍射峰都具有良好的對應(yīng)關(guān)系。與未添加P的試樣相比較，在加入Cu-14%P的試樣中檢測到了AlP的衍射峰。Si的晶格常數(shù)(aSi)為5.45?，而AlP的晶格常數(shù)(aAlP)為5.42?，兩者從其數(shù)值來看相差無幾。從圖中可看出AlP化合物在圖譜上顯示出了五條不同角度的衍射峰，相比于Si相的衍射峰，AlP的峰值與Si相比較吻合，這說明A390合金中加入P變質(zhì)劑后，P可能與Al生成大量的AlP相，AlP的熔點(diǎn)大約為1 000℃，可為初晶硅提供大量的形核核心，使初晶硅得到細(xì)化，其變質(zhì)機(jī)理符合異質(zhì)形核理論。

2.3 SEM分析

采用掃描電鏡對變質(zhì)后的合金進(jìn)行分析，P的加入量為0.8%的掃描電鏡圖片如圖4(a)所示。對圖4(a)中的淺灰色組織進(jìn)行能譜分析，如圖4(b)所示。

(a)淺灰色組織

經(jīng)掃描電鏡能譜成分分析，淺灰色組織其元素成分比例如表1所示，其中Si的原子百分比含量只有0.78%，Al和Cu原子百分比含量分別為38.39%和16.74%，Al和Cu的原子比大約為2∶1，因此可判斷該組織為CuAl2相。

表1 淺灰色組織EDS成分

2.4 硬度試驗

過共晶A390合金組織中存在著初晶硅相、共晶硅相、CuAl2相和Al基體組織，其硬度不同且存在較大差異，因此適宜采用布氏硬度實(shí)驗測量合金材料硬度。P加入量對A390合金硬度的影響如圖5所示。

圖5 P加入量對A390合金硬度的影響

由圖5知，A390合金的硬度隨P變質(zhì)劑加入量的增加而不斷增大。當(dāng)P為0.8%時，合金的硬度最佳，即168 HB，而繼續(xù)增加P的加入量，合金的硬度呈下降趨勢。金屬材料的微觀組織對其硬度值有著重要的影響，A390合金的硬度反比于初晶硅的晶粒尺寸，初晶硅晶粒尺寸越小，合金的硬度越大。

3 結(jié)論

(1)P變質(zhì)劑對A390鋁硅合金中的初晶硅細(xì)化效果良好，初晶硅的晶粒尺寸明顯減小，其尖角鈍化，其變質(zhì)機(jī)理符合異質(zhì)形核理論。

(2)當(dāng)P的加入量為0.8%時，A390合金中的初晶硅晶粒尺寸最小，大約為15 μm，繼續(xù)增加P的加入量，初晶硅的晶粒尺寸開始粗化。

(3)A390合金的硬度達(dá)到最大時約168 HB，此時對應(yīng)P的加入量為0.8%，效果最為明顯，繼續(xù)增加P的加入量，合金硬度值隨之降低。