半固態加熱對熔體混合后鋁硅合金組織的影響

吳斐斐，孫虎，高袆鑫，余加興，王雪誠

（江蘇省宿遷學院材料工程系，江蘇宿遷223800）

半固態加熱對熔體混合后鋁硅合金組織的影響

吳斐斐，孫虎，高袆鑫，余加興，王雪誠

（江蘇省宿遷學院材料工程系，江蘇宿遷223800）

通過對熔體混合后的高硅鋁合金進行半固態加熱處理，采用金相分析等手段對半固態加熱后Al-20%Si合金組織演變規律進行研究。試驗表明：半固態加熱后的組織依賴于原始組織，熔體混合后得到的均勻細小的組織再進行半固態加熱后容易球化。在590℃下進行5min循環加熱3次可以獲得細小、近球形組織。

高硅鋁合金；初生硅；熔體混合；半固態加熱

0 前言

高硅鋁合金具有優良的耐磨性能和力學性能，是代替鋼材制備汽車活塞和各種機械部件的理想材料。但是高硅鋁合金中含有大量的粗大不規則初生硅顆粒，會使合金的力學性能大大降低。而當初生硅的硬質點較大時，會嚴重降低合金的切削性能，限制合金的應用范圍[1～3]。為了使過共晶鋁硅合金有更好的力學性能和切削性能，初生硅細化和球化是重要的研究課題[4]。熔體混合利用液態金屬瞬間過冷促進形核進而細化初生硅，并通過半固態加熱球化初生硅顆粒，以探求一種效果顯著、適合工業生產的高硅鋁合金半固態成形方法[5～8]。

1 實驗方法

實驗用材料為硅含量為20%的過共晶鋁硅二元合金。將Al-7%Si合金和Al-25%Si合金按1∶2.6的質量比，分別在石墨坩堝中加熱至680℃、1000℃。待合金完全熔化后將兩種合金混合，并用攪拌棒快速攪拌使其均勻混合，隨后將熔體澆入銅模中。

將澆注完成的試樣切割成?15mm×10mm的小塊，置于陶瓷坩堝中后，放入箱式電阻爐內，進行半固態加熱。半固態加熱后，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，并利用Image Pro金相分析軟件進行分析。

2 實驗結果

2.1 熔體混合后的合金組織

將Al-7%Si加熱至595℃保溫20 min，與加熱至1000℃保溫20 min的Al-25%Si混合，得到Al-20%Si合金，其金相組織如圖1所示。

圖1 熔體混合后的Al-20%Si合金組織

熔體混合技術是將一定過熱度的熔體與另一相對溫度較低的熔體進行混合，利用較低溫熔體的冷卻作用促使高溫熔體快速形核，并抑制晶粒長大，從而獲得細晶的方法。從圖1可見，熔體混合后雖然初生硅的尺寸得到明顯的細化，形態多為不規則多邊形狀，其平均直徑在45μm左右，但其尖銳的棱角依然存在，這種棱角引起的應力集中容易誘發裂紋。這種尖銳的棱角有待于后續的半固態加熱進行消除。

2.2 半固態加熱熔體混合后的合金

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℃。試驗中半固態加熱取590℃、600℃及610℃這三個溫度進行，此時合金處于液固兩相區。

為了增強初生硅相球化效果，對Al-20%Si合金進行循環加熱處理，利用多次循環加熱冷卻過程，使初生硅相充分球化。圖2是溫度在590℃、600℃、610℃時半固態加熱，保溫時間均為5min，循環加熱3次后所得到的Al-20%Si合金金相圖。

從圖2（a）中可見初生硅組織的形態較熔體混合后的組織有所改善，初生硅的棱角有一定的鈍化，但是并不是十分明顯。同時注意到合金組織中出現了初生硅顆粒搭接、凝并長大的現象，這也致使初生硅平均直徑較加熱前有所長大，利用金相分析軟件測得此時的初生硅平均直徑為51μm。圖2（b）為半固態加熱溫度控制在600℃下得到的顯微組織，部分初生硅有一定長大，其形態呈近球形、橢圓形，分布均勻，難以觀察到具有尖銳的棱角的初生硅相。圖2（c）為半固態加熱溫度控制在610℃下得到的顯微組織，初生硅進一步球化，初生硅粗大呈近球形，經金相分析軟件測得此時初生硅的形狀因子為0.78，但初生硅相互之間的搭接、凝并現象更明顯。

圖2 不同半固態加熱溫度下的合金組織

在半固態加熱時，初生硅相的長大及溶解符合Gibbs-Thompson效應，即

初生硅的棱角處的曲率半徑較小，因此其溶解度高，最終棱角逐漸被熔化消失，凹凸表面趨于平整，形成近似球狀的粒狀組織。但隨著半固態加熱溫度提高，初生硅尺寸也趨于變大，這是因為奧斯瓦爾德熟化以及部分顆粒凝并長大。

在熔體混合后的合金組織細化的基礎上進行半固態加熱，使初生硅的形態得到了進一步的改善，初生硅不僅細化而且趨于球化。同時半固態加熱的球化效果相當的依賴于原始組織的大小，因此熔體混合也是關鍵的一環。將熔體處理技術與半固態成形中的二次加熱技術相結合，是對初生硅控制技術的一種有效的試驗嘗試。

3 結論

（1）熔體混合技術能較好地將初生硅顆粒細化，但其形態較差，有尖銳的棱角存在。

（2）通過半固態加熱可有效球化初生硅顆粒，在610℃保溫5min循環加熱3次，可以獲得良好的合金組織。

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Effect of Semi-solid State Heating on Microstructure of High-silicon Al Alloy Melt

WU Fei-fei,SUN Hu,GAO Hui-xin，YU Jia-xing,WANG Xue-cheng
(Department of Materials Engineering,Jiangsu Suqian College,Suqian 223800,China)

Microstructure evolution rule of Al-20%Si alloy was researched using metallographical method etc..The results show that microstructure of semi-solid state after heating depend on original microstructure,uniform and fine microstructure obtained after mixing of melt would nodulized after heating.Fine and near-spherical microstructure can be obtained by 3 times of cyclic heating at 590℃for 5 min.

high-silicon aluminum alloy;primary silicon;melt mixing;semi-solid state heating

TG146.21，TG292

A

1005-4898(2017)03-0009-03

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.03.02

江蘇省高校自然基金項目（15KJD430001）；江蘇省大學生創新創業訓練計劃項目（201614160024X）。

吳斐斐（1995-），男，江蘇南通人，在讀本科生。

2016－12－03