脈沖磁場震蕩輔助制備鑄造Al-25%Si合金的研究

陳祥

摘要：本文研究了不同脈沖磁場頻率對Al-25%Si合金初生硅形貌尺寸及力學性能的影響，并對初生硅的形核與長大進行了簡單的分析。結果表明：隨著脈沖磁場頻率的不斷增大，初生硅平均尺寸不斷增大，Al-25%Si合金的布氏硬度隨著初生硅的尺寸增大而減小，當脈沖頻率為20Hz時初生硅的平均尺寸最小，且強化效果最佳布氏硬度為59.6HBW。

關鍵詞：脈沖磁場;頻率;初生硅

0? 引言

高硅鋁硅合金具有優良的耐磨性、低密度以及低的熱膨脹系數等優點，廣泛應用于汽車等發動機活塞、氣缸蓋等[1，2]。未做處理的鑄造高硅鋁硅合金，由于冷卻速度慢導致凝固組織中存在粗大的塊狀或板條狀的初生硅和針狀的共晶硅組織，使其力學性能惡化。添加孕育劑或者變質劑，變質處理應用最多的改善過共晶鋁硅合金微觀組織和性能的方法，但是當硅含量過高時，變質處理已經無法從根本上消除硅相的不利影響。而利用脈沖磁場對凝固過程進行控制，可以在不改變合金原有合金成分條件下的條件下達到細化組織增強合金力學性能的效果，而且脈沖磁場具有輸出峰值高、多參數可調節、無污染、操作簡單等優勢。因此研究脈沖磁場對合金凝固過程的影響機理，對推進該技術工業化大規模生產具有一定的意義。脈沖磁場強度不但與時間變化有關，并且突然發生、突然消失，在下一次脈沖出現之前，常有個間歇時間，這個間歇時間的長短與脈沖頻率有關，頻率低、脈沖寬度小，則每個間歇時間長。它是用間歇振蕩器產生間歇脈沖電流，將這種電流通入電磁鐵的線圈，即可產生各種形態的脈沖磁場。本文研究了不同工藝外加脈沖磁場對Al-25%Si合金組織及性能的影響，并對其機理進行分析。

1? 實驗方法

實驗所用材料為Al-25%Si中間合金。合金熔煉時，每次將稱量的600gAl-25%Si合金放入石墨坩堝內并放入井式熔煉爐內加熱到800℃進行熔煉，保溫30min待合金完全熔化后加入六氯乙烷除氣，在800℃保溫15min，然后扒渣將表面氧化渣撈出，攪拌均勻后澆注到已經預熱好？準50×80mm的石墨坩堝內，并在坩堝上方施加磁場，同時立即啟動脈沖裝置直至合金完全凝固，室溫條件冷卻一段時間后取出鑄錠。

2? 實驗結果與分析

如圖1所示未加磁場處理的Al-25%Si合金出現粗大的板條狀、五瓣花狀的初生硅顆粒，經過外加磁場輔助處理的Al-25%Si合金隨著脈沖磁場頻率的增大初生硅顆粒的尺寸不斷增大，由細小的較為圓整的顆粒狀初生硅不斷演變為板條狀、多瓣狀等大顆粒的初生硅。頻率為20Hz時初生硅尺寸最小，且形狀最為圓整。施加脈沖磁場通過增大過冷度增大初生硅相變驅動力[3]，進而減小初生硅形核尺寸。增大頻率縮短了間隙時長，增加了脈沖磁場處理時間，進而使得初生硅出現粗化現象。一方面由于處理時間的增加，即增加了初生硅長大粗化時間增大初生硅的尺寸;另一方面由于脈沖磁場震蕩作用，初生硅在磁場力的作用下發生遷移，增大了初生硅之間相互碰撞幾率，初生硅相互碰撞融合為一體，增大了初生硅的尺寸，因此隨著頻率的增大初生硅的尺寸不斷增大。

由圖2可知經過脈沖磁場輔助鑄造Al-25%Si合金的布氏硬度明顯高于未處理的Al-25%Si合金，當脈沖頻率為20Hz時強化效果最佳，隨著脈沖頻率的增大布氏硬度不斷減小。

3? 結論

結果表明：脈沖磁場震蕩對Al-25%Si合金微觀組織有一定的影響作用，且隨著頻率的增大初生硅的尺寸越大，當頻率為20Hz時初生硅的平均尺寸最小，且布氏硬度最大性能最佳。

參考文獻：

[1]張磊，楊濱.熱等靜壓對電子封裝60wt%Si-Al合金組織與性能的影響[J].塑性工程學報，2010（04）：122-125.

[2]Kapranos P ， Kirkwood D H ， Atkinson H V ， et al. Thixoforming of an automotive part in A390 hypereutectic Al–Si alloy[J]. Journal of Materials Processing Technology， 2003， 135（2-3）：271-277.

[3]鄢紅春，何冠虎.脈沖電流對Sn—Pb合金凝固組織的影響[J].金屬學報，1997，33（4）：352-358.