擴散加熱與半固態加熱球化初生硅顆粒的效果比較

孫 虎，吳斐斐，傅小明

（江蘇省宿遷學院三系，江蘇 宿遷 223800）

擴散加熱與半固態加熱球化初生硅顆粒的效果比較

孫 虎，吳斐斐，傅小明

（江蘇省宿遷學院三系，江蘇 宿遷 223800）

通過對磷鹽變質后的高硅鋁合金分別進行擴散加熱與半固態二次加熱處理，對兩種加熱處理后的初生硅組織特征進行了總結分析。擴散加熱處理可以讓初生硅相有一定的改善，而通過半固態二次加熱使初生硅的顆粒得到顯著球化，其形狀因子為0.61，但其顆粒長大嚴重。

高硅鋁合金；初生硅；擴散加熱；二次加熱

0　前言

高硅鋁合金具有熱膨脹系數小、密度小，耐磨和耐蝕性能好等特點，適合于目前內燃機向高功率、高速度發展的趨勢，節省燃料，降低污染，正成為傳統共晶鋁硅活塞的更新換代材料。但是高硅鋁合金中初生硅顆粒過于粗大，嚴重降低了材料的力學性能和切削性能。如何改善初生硅組織形貌成為國內外高硅鋁合金應用研究的重點[1～4]。目前控制初生硅形態主要有機械攪拌、電磁攪拌[5、6]、半固態成形等物理方法，或采用磷鹽或為含磷的中間合金作變質劑的化學方法。變質工藝雖簡單易行，但是變質效果提升有限，特別是初生硅的形態改善能力較弱。本文對變質后高硅鋁合金分別進行了擴散加熱和半固態加熱之后的初生硅晶粒的球化效果進行了對比，以探求一種廉價易行、適合工業生產的初生硅形態控制方法。

1　實驗方法

實驗采用材料為硅含量為20%的過共晶鋁硅二元合金。熔煉及變質細化過程在井式坩堝電阻爐內進行。為了減少合金的氧化，采用ZR-QF清渣覆蓋劑。實驗采用的變質劑為磷鹽，變質溫度為820℃，變質劑加入量為合金錠質量的1%，澆注溫度810℃。將澆注完成的試樣切割成φ15mm×10mm的小塊，放入箱式電阻爐內，分別進行擴散加熱以及半固態二次加熱。擴散加熱溫度控制在550℃，分別保溫3h、5h和7h；半固態二次加熱溫度控制在600℃分別保溫10min、15min、20min。試樣在加熱后，經磨平拋光，用0.5%HF腐蝕后，在雙目倒置金相顯微鏡4XBII下進行金相觀察。

2　實驗結果

2.1擴散加熱后初生硅顆粒的形態分析

擴散加熱處理工藝上類似于鋁合金的固溶處理，但是目的卻不同。對于高硅鋁合金，擴散加熱的最終目的是利用在低于固相線較高溫度長時間的保溫，充分利用硅原子的擴散作用而使得初生硅顆粒起到初步的鈍化、球化。為了便于半固態二次加熱效果對比，本實驗采用一個較高的溫度550℃進行加熱，圖1（a）、（b）、（c）所示為在550℃下分別保溫3h、5h、7h后的合金組織?？梢婋S著保溫時間的延長，初生硅的形態有所改善，在保溫5h后初生硅顆粒有部分球化，但大部分的初生硅仍以尖角的不規則形狀存在，同時發現在保溫7h后初生硅顆粒出現了相互搭接的現象，球化效果反而不如保溫5h的效果。

圖1　550℃擴散加熱工藝下的合金組織

2.2半固態二次加熱后初生硅顆粒的形態分析

根據Al-Si相圖分析，Al-20%Si合金的液相線溫度為684℃，固相線溫度為577℃。而通過變質處理后，其固液兩相區的范圍有所變化，這主要與變質合金元素的加入導致相變點發生變化有關。實驗利用所測的DSC放熱曲線，使用熱涵法[7、8]測知磷鹽變質后的Al-20%Si合金的液相線溫度為672℃，固相線溫度為577℃，并可繪出合金的液相率隨溫度變化曲線，如圖2所示。因此選定半固態二次加熱溫度為600℃，此時液相率約為50%。

圖2　使用熱涵法計算得到的液相率隨溫度變化曲線

在600℃對合金進行半固態二次加熱，其隨保溫時間延長組織變化如圖3所示。可見隨著保溫時間的延長，合金中初生硅顆粒有所長大，并且增長速度越來越快。同時初生硅也在逐漸鈍化，在保溫20min后有較多初生硅顆粒鈍化和球化，此時初生硅的平均直徑為39μm。在二次加熱過程中，合金處于半固態狀態，此時共晶相被熔化，處于液態。對于二次加熱時初生硅的長大機制，可以運用熟化的原理[9]。曲率半徑較小的第二相熔點要低于曲率半徑大的，凹谷部位曲率半徑小，其熔點低而首先熔化，繼而使該凹谷部位曲率進一步增大而越熔越細，并最終溶斷變成小顆粒組織，而塊狀的初生硅的凸起部位將不斷長大，最終使得大顆粒變大而小顆粒逐漸被熔化消失，凹凸部位會被逐漸抹平，形成近似球狀的粒狀組織。

圖3　600℃半固態加熱工藝下的合金組織

2.3兩種加熱工藝下初生硅顆粒的形態對比

運用專業金相分析軟件Image Pro Plus對平均直徑以及形狀因子進行定量分析。初生硅組織分析除了要測量出初生硅的尺寸，還要掌握初生硅的形狀是否圓整，因此常常使用圓整度[10]這個概念：

其中P為初生硅相的圓整度；L為初生硅相的周長；A為初生硅相的面積。在初生硅形狀分析中，常常使用形狀因子K這個參數，它與圓整度的換算關系為

一般情況下，0＜K＜1，形狀越復雜，K越??；形狀越接近于圓，K越大，最大為1。將兩種加熱工藝后初生硅的平均尺寸及形狀因子統計示于表1。

表1　兩種加熱工藝后初生硅的平均尺寸及形狀因子

由表1可以看出，擴散加熱雖然可以改善初生硅的形態，但是其效果非常有限，并且保溫時間較長，而半固態加熱對初生硅形態的改善更明顯，隨著保溫時間的延長，其形狀因子有大幅度的提升。這是因為這兩種加熱工藝改善初生硅的形態都依賴于硅原子的擴散作用，因而在更高溫度下的半固態加熱可以獲得更好的細化效果，同時也能得到球化的α相，因此對合金組織形態改善更為明顯，這是固態擴散加熱所不具備的。但是也應當注意隨著半固態加熱保溫時間的延長，初生硅的平均直徑的提高也是迅速的，這是因為Ostwald熟化以及部分顆粒凝并長大，因此也應注意控制好保溫時間。

3　結論

（1）擴散加熱及半固態二次加熱均能使初生硅顆粒鈍化、球化，但隨保溫時間的延長，初生硅顆粒會發生長大甚至搭接現象。

（2）半固態二次加熱球化初生硅顆粒的效果優于擴散加熱，并且保溫時間較短，是一種切實可行的改善初生硅形態的途徑。

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（編輯：余東梅）

Comparison of Effect of Diffusion Heating and Semi-solid Heating Spheroidizing Primary Silicon Particles

SUN Fu，WU Fei-fei，FU Xiao-ming
（Jiangsu Suqian College，Suqian 223800，China）

By means of diffusion heating high-silicon aluminum alloy after phosphorus salt modification and semi-solid heating treatment，microstructure characteristics of the two heated primary silicon are analyzed. The results show that primary silicon phase has been improved by diffusion heating，obvious spheroidizing has been obtained for primary silicon particles by semi-solid heating treatment，its shape factor is 0.61，but its particles grow seriously.

high-silicon aluminum alloy; primary silicon; diffusion heating; secondary heating

TG146.21

B

1005-4898（2016）02-0010-04

10.3969/j.issn.1005-4898.2016.02.02

江蘇省高校自然科學研究項目（15KJD430001）。

孫虎（1986-），男，江蘇宿遷人，碩士，講師。

2015-05-19