復合變質高硅鋁合金熱分析研究

周鵬飛，閻峰云

（蘭州理工大學，甘肅蘭州 730050）

復合變質高硅鋁合金熱分析研究

周鵬飛，閻峰云

（蘭州理工大學，甘肅蘭州 730050）

本文主要分析了Al20wt%Si經過P、Sr、RE變質的反應。結果表明：經過4%CuP10+1%AlSr13+15%AlRE10變質的Al20wt%Si，初晶硅變的細小、圓整；等軸樹枝晶狀a-Al均勻分布在基體上，共晶硅呈點狀、纖維狀。同時本文記錄了其冷卻曲線，著重分析了合金內部形核與生長的過程，結合X衍射分析得出：合金內有多種化合物存在。

變質；初晶硅；a-Al；共晶硅；冷卻曲線

1 緒論

鋁合金應用范圍極其廣泛，僅次于鑄鐵合金。由于過共晶鋁硅合金的耐磨性好、密度小、熱膨脹系數小、熱穩定性好、導熱性好等優點被廣泛運用于汽車內燃機[1-5]。然而過共晶鋁硅合金的不規則、粗大、板塊狀的初晶硅和長針狀的共晶硅嚴重割裂了基體，影響了合金的性能，因此過共晶鋁硅合金的應用又受到了一定的限制。目前高硅鋁合金的制備，主要有普通鑄造、快速凝固、噴射沉積等。由于普通鑄造工藝簡單、成本低廉、適合工業化生產而被廣泛運用。但傳統鑄造得到的高硅鋁合金初晶硅粗大，共晶硅呈樹枝狀[6]，這無疑嚴重影響其性能。經過復合變質處理的高硅鋁合金能有效細化枝晶[4-11]。本文主要研究了經過P、Sr、RE復合變質的Al20wt%Si合金中的各相的變化。

2 實驗方法

Al20wt%Si合金由99.9%的工業純鋁和Al30 wt%Si中間合金制得。將原料放入石墨坩堝中置入硅碳棒爐中加熱至900℃，然后降溫至750℃加六氯乙烷精煉，扒渣保溫30min。然后在750℃加入CuP10,攪拌保溫 20min；仍保持在 750℃加入Al10wt%RE，攪拌后繼續保溫20min；將溫度降至720℃加入Al13wt%Sr并攪拌，保溫15min，最后扒渣澆注。模具為鋼模，預熱溫度200℃，模具尺寸?12mm×150mm。表1為各變質劑的加入量及加入溫度和保溫時間。

表1 變質劑加入量、加入溫度及保溫時間

3 結果與分析

3.1 顯微組織

圖1a為未變質Al-20Si,初晶硅呈粗大的塊狀，枝晶狀的共晶體 (a-Al+共晶Si)，幾乎等大的a-Al相。a-Al相嵌入共晶體中。灰色的共晶硅分布在初晶硅和a-Al相之間。經過4%CuP10+1%AlSr13+15%AlRE10變質后，初晶硅相初晶硅變的細小、圓整；等軸樹枝晶狀a-Al均勻分布在基體上，共晶硅呈點狀、纖維狀，如圖1b。

3.2 冷卻曲線

圖2是經過4%CuP10+1%AlSr13+15%AlRE10變質Al-20Si合金冷卻曲線。根據dT/dt曲線的變化，并對應到T－t曲線上，較為清楚地反應了合金凝固時的相變過程（見圖中標注與說明）。共晶形核溫度TN和共晶生長溫度TG是以再輝溫度TM前、后在dT/dt曲線第一個特變點，并對應到T－t曲線上，求出相應的共晶轉變的特征溫度。圖中點A到點N為初生硅相的析出過程；點N為共晶形核溫度；點M為共晶再輝(TMim)溫度，到共晶開始生長溫度(即點G，TG)，在T－t觀察到溫度有微小的上升，說明共晶大量晶核形成并開始生長；隨后出現共晶平臺，共晶析出的相變潛熱和體系的散熱達到動態平衡。

熱分析是反映凝固過程中相變潛熱與系統對外散熱的相互關系。dT/dt曲線是反映冷卻速率隨時間的變化關系，并能反映凝固過程中相的形核、生長的詳細信息。圖2中點A到N為初生硅的析出過程，隨著初生硅相的開始析出，│dT/dt│隨時間的變化一直到零線(即：│dT/dt│＝0，圖中點 B)，說明在這一過程中，初生硅相的大量析出，使系統處于瞬間平衡；進一步觀察dT/dt曲線的變化，點B到點P，│dT/dt│隨時間延長而增加(│dT/dt│≈0.38)，說明其相變潛熱相對要少，初生硅相的析出量較前要少，其生長已進入中后期。值得注意的是，在P、Q之間，│dT/dt│又向零線接近（即相變潛熱稍微增大），說明又有新相形核、生長。反之如果沒有新相形核生長，│dT/dt│的數值應該進一步增大，因為在初生硅相析出中后期，其析出數量、析出速度相對要小，也就是釋放的潛熱要少，即│dT/dt│要相應增大。這充分說明，在P-Q段，除了初生硅相析出外，一定有新的相析出、生長。由于合金中雜質元素較多，究竟是什么樣的相，就目前試驗結果難以確定。但可以推測這些先共晶前析出相有可能作為共晶形核的襯底。正如Stuart[12]所指出的在共晶轉變前，熔體中存在大量未知的晶核。同時，隨著共晶轉變將要發生，熔體溫度下降，各種有形核能力的雜質元素，都有可能成為共晶形核的襯底。反應到熱分析曲線上，即N-G段。說明是共晶的大量形核，隨后進入共晶生長階段。

3.3 XRD分析

在上面的熱分析中，知道有新相析出，但從熱分析曲線上并不能得出，本文繼續做了有關4%CuP10+1%AlSr13+15%AlRE10變質Al-20Si合金的X衍射分析。如圖3,圖中已經標出各種可能的化合物。驗證了熱分析中所提出的有化合物析出，但這些化合物是否是充當了異質形核的基底，這點通過前面的實驗還無法證實。單就從以上幾種化合物來講，復合變質時，稀土元素不但有去除合金的有害相—Fe相，還能和P發生反應形成CeP、CeP5等相。這些化合物以什么形式存在，現在還不清楚，需要進一步研究。

經過4%CuP10+1%AlSr13+15%AlRE10變質后，合金組織均勻，尺寸較小，形狀圓整，變質效果較好。本文認為，經過CuP10和AlRE10先變質后的合金獲得較小的初晶硅和共晶硅，再加入AlSr13時，由于鍶對初晶硅有裂解作用[13-17]，因此提供了更多的孿晶凹角，更有利于初晶硅的形核，所以初晶硅越來越小。

4 結論

（1）4%CuP10+1%AlSr13+15%AlRE10變質后，初晶硅相初晶硅變的細小、圓整；等軸樹枝晶狀a-Al均勻分布在基體上，共晶硅呈點狀、纖維狀。

（2）積分曲線中，在P-Q段，除了初生硅相析出外，一定有新的相析出、生長。

（3）經過CuP10和AlRE10先變質后的合金獲得較小的初晶硅和共晶硅，再加入AlSr13時，由于鍶對初晶硅有裂解作用，因此提供了更多的孿晶凹角，更有利于初晶硅的形核，所以初晶硅越來越小。

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The Thermal Analysis on High Al Si Alloys with Compound Modification

ZHOU PengFei,YAN FengYun
（Lanzhou University of Science and Technology,Lanzhou 730050,Gansu China）

The modification response of Al20wt%Si alloys has been studied with P、Sr、RE addition,resulting in that primary Si became smaller,finer,and rounder in modified alloys,cellulous equiaxed primary a-Al dendrites uniformly dispersed in the matrix,and eutectic Si presented punctiform or threadiness when adding 4%CuP10+1%AlSr13+15%AlRE10,with cooling curve registered.With emphasis on the analysis of the cooling process and the case of nucleation in the internal alloy,and combined with X-Ray analysis,it has been obtained that there were many chemical compounds in the alloy.

Modification;Primary Si;a-Al;Eutectic Si;Cooling curve

TG146.2+1;

A；

1006－9658（2012）02－0053-3

2011－12－06

稿件編號：2011－168

周鵬飛（1988-），男，碩士在讀，主要研究方向半固態鋁合金成形