二次加熱對(duì)Al-Si-Cu合金中Cu元素偏聚的影響

任 鶴，胡 冰

（1.沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)核電泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽 110869；2.沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽 110869）

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

金屬熔配采用高純Al（≥99.7%）、Al-50Cu和Al-26Si合金；合金成分為Al-17Si-4Cu。合金在750℃的電阻爐中熔化。二次加熱重熔是在箱式電阻爐中進(jìn)行的。在加熱溫度為630℃的環(huán)境下，保溫時(shí)間分別為5天、10天和15天以及25min和35min，然后通過使用冷水進(jìn)行淬火。最后的組織分析通過使用日立S-3400N型掃描電鏡進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

二次加熱工藝對(duì)Cu元素偏聚的影響。半固態(tài)觸摸成型的重要環(huán)節(jié)是二次加熱保溫，合金的二次加熱溫度要通過差熱分析來進(jìn)行確定，然后對(duì)合金表面的掃描形貌進(jìn)行仔細(xì)觀察分析，進(jìn)而討論二次加熱過程對(duì)銅元素分布產(chǎn)生的影響。

圖1為合金面掃描形貌，由此圖可以看出，當(dāng)加熱溫度為500℃，保溫時(shí)間為5min時(shí)，合金的液相含量較少，多角形主相和層狀共晶硅相具有十分明顯的結(jié)構(gòu)和分布。大部分Cu元素與Si元素結(jié)伴出現(xiàn)，并且在晶界處聚集，只有少量的Cu元素在聚集，見圖1（a）；當(dāng)溫度升高至630℃的二次加熱溫度并且保溫5min時(shí)，液相就會(huì)出現(xiàn)，而此時(shí)就會(huì)發(fā)現(xiàn)初生Si邊緣圓整，數(shù)量以及尺寸減小，并且大量Si元素形成的α+Si+Al2Cu共晶體出現(xiàn)在液相凝固區(qū)，銅的偏析十分明顯。有大量銅元素富集在晶界處，如圖1（b）所示。

可以看出，在晶界處出現(xiàn)的液相中的溶質(zhì)在第二次加熱保溫的過程中含量較高，界面能也較高。液相中的Cu和Si元素在保溫結(jié)束后不能擴(kuò)散到基體中，從而形成大量的三相共晶，導(dǎo)致Cu元素在晶界富集[1]。

圖1 Al-17Si-4Cu合金面掃描形貌

在630℃的環(huán)境中重熔試驗(yàn)分別以15min、25min、35min進(jìn)行保溫時(shí)間測(cè)定。從實(shí)踐中可以看出，在保溫時(shí)間為15min時(shí)，合金的微觀結(jié)構(gòu)并沒有產(chǎn)生十分明顯的變化，然而，當(dāng)保溫時(shí)間增加到25min時(shí)，少量液體可以首先出現(xiàn)在具有較高界面的三晶粒的結(jié)合處，并且初始Si的邊界也開始慢慢變得平滑，保溫時(shí)間繼續(xù)增加，當(dāng)達(dá)到至35min時(shí)，液體數(shù)量明顯比之前有所增多，多晶硅交界處的液體聚集并擴(kuò)展晶界分布，最終形成圍繞晶界的液體，經(jīng)過快速冷卻后組織變得細(xì)化，初晶Si相邊界不僅會(huì)隨之變得更圓滑，而且尺寸也會(huì)比之前有所減小，大量條狀共晶Si以及富銅三相共晶體在由液相凝固的合金中出現(xiàn)，它的尺寸也有所減小。

通過對(duì)二次加熱后不同保溫時(shí)間對(duì)應(yīng)的能譜分析，結(jié)果表明，銅的含量在15min后占共晶化合物中的49.70%；增加保溫時(shí)間至25分時(shí)，Cu含量占共晶化合物中的50.06%；當(dāng)保溫溫度繼續(xù)增加至35min時(shí)，Cu元素含量在共晶化合物中的百分比也增多至55.15%。Cu元素在共晶化合物中的含量隨著保溫時(shí)間的增加而逐漸增加，Cu元素在化合物中也逐漸積累。第二次加熱使基體中銅含量降低，重熔區(qū)與未熔區(qū)銅含量之差增大。

重熔過程中，晶粒間銅的偏析明顯降低，但重熔區(qū)銅的偏析趨勢(shì)明顯減弱。Al-Si-Cu金屬間化合物的銅和固溶的擴(kuò)散是二次加熱的重熔所引起的銅分布的變化的原因。在攪拌過程中，銅在晶界處發(fā)生偏析，晶界先熔融，然后熔融區(qū)逐漸擴(kuò)大，液相含量不斷增加，晶界中的銅金屬間化合物也溶化熔融，溶解在液態(tài)金屬中，使得Cu元素在液體中均勻分布的原始晶界偏聚。加熱時(shí)間短，二次重熔量小，晶界銅的初始偏析以液態(tài)均勻分布，凝固后仍有偏析現(xiàn)象，當(dāng)延長(zhǎng)二次加熱時(shí)間后，由于液相區(qū)擴(kuò)大，冷卻速率增大，以及Cu在液相中的再分配延遲或不足，導(dǎo)致凝固后Cu在液態(tài)金屬中的分布均勻。結(jié)果表明，采用重熔法可以改善熔融部分銅的偏聚。

3 結(jié)論

①二次加熱重熔可以改變半固態(tài)鋼錠中銅元素的分布，且重熔液體積分?jǐn)?shù)越小，高溫?cái)U(kuò)散效應(yīng)是未重熔的晶粒中Cu含量進(jìn)一步增加的條件，因此沒有經(jīng)過重熔的晶粒中Cu含量就會(huì)進(jìn)一步降低；重熔液體積分?jǐn)?shù)高，銅元素在重熔區(qū)內(nèi)凝固后分布均勻。②重熔帶和非重熔銅的平均含量差將通過重熔和再加熱進(jìn)一步擴(kuò)大。