基于半固態加入P對過共晶鋁合金制備方法的研究

劉 亮

（東華理工大學 機械與電子工程學院，江西 南昌 330013）

1 引言

近些隨著社會經濟的發展，汽車產業成為了國民經濟不可或缺的重要支柱產業之一。據國務院發展中心一項研究表明：汽車工業對于相關工業的拉動作用達到1：10，即汽車工業1個單位的產出可以帶動國民經濟總體10個單位的產出，由此可見汽車行業在國民經濟舉足輕重的地位。汽車的核心部件之一是發動機，發動機的心臟就是活塞，因而活塞性能的好壞直接影響到發動機和整車的性能，所以對活塞材料的選擇至關重要。常采用活塞的材料是亞共晶或共晶鋁硅合金，但隨著對發動機的發展方向趨向高速低耗，亞共晶或共晶鋁硅合金材料已不能完全滿足需求。本項目在結合前期對半固態鋁合金坯料制備的研究工作，又同時加入變質劑磷，對過共晶鋁硅合金做細化處理，獲得最佳工藝參數，使方案具有實用價值，提供新型活塞材料制備方式。在此背景下，本項目擬開展對過共晶鋁硅合金坯料制備的研究，過共晶鋁硅合金含硅量高達17%～26%，具有合金密度小，線膨脹系數低、耐磨損、耐熱、耐腐蝕，是理想的活塞材料。但過共晶鋁硅合金的顯微組織中，初生晶呈粗大板塊狀，共晶硅呈針條狀，從而對基體產生嚴重的割裂，使得抗拉強度低，鑄造性能差。項目針對此點，開展對過共晶鋁硅合金的細化處理，選用含20%硅的過共晶鋁硅合金，在坩堝中熔化，根據隔絕空氣、保溫等要求，研制適宜的攪拌裝置，采用半固態成形方式賴控制硅相的技術，并確定最佳的攪拌溫度、攪拌速度等工藝參數，半固態時采用磷作為變質劑進行細化處理，磷在合金液中與鋁生成溶點高且細小的AIP化合物，AIP具有與硅相近的晶格結構和晶格常數，因而成為了Si結晶時的異質核心，產生異相生核作用，促使熔液中的硅晶坯和原子快速生長為晶核，使晶核數量大大增加，從而實現細化的目標。

2 解決的關鍵技術問題

基主要問題：①攪拌裝置的設計（包括攪拌器材質的選擇、攪拌器形狀的選擇、實現隔絕空氣、保溫調節的功能）；②磷作為變質劑對過共晶鋁合硅晶粒度的影響（包括變質劑磷的加入方式、變質劑磷的加入量、變質劑磷的加入時處理溫度、去氣、保溫的影響因素）；③機械攪拌對半固態時過共晶鋁合硅晶粒度的影響（攪拌強度、攪拌時間的確定、攪拌溫度的確定）。

關鍵技術：①新型攪拌裝置及各控制器的設計；用磷做變質劑對半固態時的過共晶鋁硅合金作細化處理。

實驗方案

圖2 方案流程圖

圖1 所示為鋁硅合金二元相圖，由圖清楚可看其溫度區間包括：固相線約577℃，液相線溫度約為700℃。根據此圖所示，可以初步確立攪拌溫度基本數值范圍。

解決方案：首先進行攪拌器裝置設計，制作合乎要求的攪拌器裝置；通過坩堝爐加熱熔化后，進行機械攪拌，加入變質劑進行變質處理；取樣做金相分析。通過分析對比，比較各種方式、參數下的金相圖片，獲得最佳工藝參數，如圖2所示。

3 結語

結合前期對半固態鋁合金坯料制備的研究工作，考慮應用半固態成形技術，應用熔體攪拌法在合金半固態時進行攪拌處理，同時加入變質劑，對過共晶鋁硅合金做細化處理，獲得最佳工藝參數，使方案具有實用價值，提供新型活塞材料制備方式的方法。

[1]王龍.中國汽車產業國家競爭力研究[M].武漢武漢理工大學，2006.

[2]賴華清.活塞材料的運用及發展[J].上海汽車，2005，（2）：33－34.

[3]劉迭利，齊丕驤.鋁合金活塞IM].北京：國防工業出版社，1999.