探析熔體過熱處理對亞共晶Al-Si合金凝固特性和組織的影響

牛 玉

（吉林化工學(xué)院，吉林 吉林 132022）

Al-Si合金在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，表現(xiàn)出優(yōu)異的鑄造性能。相關(guān)研究指數(shù)，對Al-Si合金進(jìn)行熔體過熱處理，可將共晶硅轉(zhuǎn)變成棒狀或點(diǎn)狀，無需使用變質(zhì)劑，規(guī)避其帶來的環(huán)境污染、性能衰退等問題，進(jìn)而優(yōu)化其凝固組織，強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。

1 熔體過熱處理實(shí)驗(yàn)

在合金從熔體轉(zhuǎn)變?yōu)槟虪顟B(tài)的過程中，熔體溫度與均勻化時(shí)間，會(huì)影響合金熔體的狀態(tài)；凝固時(shí)的冷卻條件，會(huì)影響合金的凝固組織性能。就此，實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟谔骄咳垠w熱處理對熔體狀態(tài)的影響、冷卻條件對凝固組織的影響，為Al-Si合金生產(chǎn)中共晶硅的控制提供幫助。

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

選擇99.995%的鋁和99.999%的單晶硅為原材料，通過高真空中頻感應(yīng)爐進(jìn)行材料的熔煉，獲得進(jìn)行Al-Si合金，其硅含量為17.59%。將Al-Si合金置于鋼模中澆筑。澆筑結(jié)構(gòu)為φ8×150mm，呈小棒狀，用于熔體狀態(tài)影響實(shí)驗(yàn)，分析熔體過熱處理對Al-Si合金組織的影響。

選擇高純鋁和多晶硅為原材料，通過高真空中頻感應(yīng)爐進(jìn)行材料的熔煉，獲得Al-Si合金，其硅含量為17.42%。將Al-Si合金置于鋼模中澆筑[1]。澆筑結(jié)構(gòu)為φ26×130mm，呈圓柱型，用于凝固組織影響實(shí)驗(yàn)，分析熔體過熱處理對Al-Si合金凝固特性的影響。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 熔體過熱處理對熔體狀態(tài)的影響實(shí)驗(yàn)

首先應(yīng)用顯微鏡、金相分析儀等設(shè)備，觀察母材Al-Si合金的金相組織特征，發(fā)現(xiàn)初生硅粗大、分散在組織結(jié)構(gòu)中；共晶硅以針狀為主。說明該合金組織性能較差，需進(jìn)行進(jìn)一步處理。在此基礎(chǔ)上，本文開展熔體過熱處理實(shí)驗(yàn)，對Al-Si合金熔體進(jìn)行等溫液淬處理，分析其對初生硅的影響，明確熔體過熱處理對Al-Si合金組織的影響。實(shí)驗(yàn)條件如下：

（1）過熱溫度為700℃，觀察保溫時(shí)間10min、30min、60min、120min的液淬組織特征；過熱溫度為800℃，觀察保溫時(shí)間10min、30min、60min、90min的液淬組織特征；過熱溫度為900℃，觀察保溫時(shí)間10min、30min、60min、90min的液淬組織特征；過熱溫度為1000℃，觀察保溫時(shí)間15min、30min、60min、90min的液淬組織特征；過熱溫度為1100℃，觀察保溫時(shí)間7min、20min、30min的液淬組織特征。觀察不同等溫液淬條件下，Al-Si合金組織的初生硅變化，其對組織的影響。

（2）將1號液淬組織在622℃溫度條件下保溫10min；將2號液淬組織加熱至900℃，隨爐冷卻至622℃，保溫10min，對比兩種處理方式下初生硅的變化，明確熔體熱經(jīng)歷對Al-Si合金組織的影響。

1.2.2 冷卻條件對凝固組織的影響實(shí)驗(yàn)

按照700℃、900℃、1100℃的過熱條件，對硅含量為17.42%的Al-Si合金進(jìn)行處理，設(shè)置不同冷卻速率，分析冷卻條件對凝固組織的影響。在實(shí)驗(yàn)中，不同冷卻速率通過Al-Si合金的不同臺階厚度來實(shí)現(xiàn)，共設(shè)置四個(gè)臺階，其對應(yīng)的降溫速率分別為904℃/s、139℃/s、28℃/s、5℃/s。在三種過熱條件下保溫30min，觀察凝固組織、共晶組織形態(tài)特征。同時(shí)，對Al-Si合金熔體反復(fù)重熔，分別進(jìn)行循環(huán)一次、循環(huán)三次的加熱處理，分析循環(huán)過熱對凝固組織的影響[2]。

2 熔體過熱處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 熔體狀態(tài)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 等溫液淬條件影響

通過顯微鏡觀察不同等溫液淬條件下的Al-Si合金組織可知，在同樣的過熱溫度下，保溫時(shí)間越長，合金組織內(nèi)的初生硅數(shù)量越少，結(jié)構(gòu)越小；在同樣的保溫時(shí)間下，過熱溫度越高，合金組織內(nèi)的初生硅數(shù)量越少，結(jié)構(gòu)越小。在1100℃的過熱溫度、30min的保溫時(shí)間下，Al-Si合金內(nèi)的初生硅結(jié)構(gòu)最小、數(shù)量最少，且在組織內(nèi)均勻分布，難以分辨初生硅和共晶硅。隨著過熱溫度與保溫時(shí)間的增加，共晶組織也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的變化，即分布均勻、結(jié)構(gòu)細(xì)化。但熔體過熱處理對其的影響顯著低于初生硅組織。

根據(jù)定量金相分析，在某一個(gè)熔體過熱溫度下，只有保溫時(shí)間達(dá)到一定數(shù)值后，初生硅組織方可表現(xiàn)出均勻化、細(xì)化的成果。在700℃的過熱溫度下，該數(shù)值為60min；在800℃與900℃的過熱溫度下，該數(shù)值為630min；在1000℃的過熱溫度下，該數(shù)值為20min；在1100℃的過熱溫度下，該數(shù)值為30min。在保溫時(shí)間超過該數(shù)值后，即可在合金組織內(nèi)形成偽共晶狀態(tài)。

2.1.2 熔體熱經(jīng)歷影響

在對熔體進(jìn)行不同處理后，組織內(nèi)初生硅的變化不同。將熔體直接在622℃保溫時(shí)，初生硅相出現(xiàn)溶解現(xiàn)象，受組織內(nèi)曲率影響，初生硅表現(xiàn)出不同的溶解速率。組織內(nèi)尖角位置的初生硅溶解速度，要高于組織內(nèi)的平面內(nèi)位置，使得組織內(nèi)平面區(qū)域的初生硅，大都以多邊形結(jié)構(gòu)存在，且具備鈍化與球化特征。將熔體在900℃條件下過熱處理，再置于622℃條件下保溫，初生硅出現(xiàn)生長現(xiàn)象。在組織內(nèi)部，小平面區(qū)域的初生硅聚集并生長。根據(jù)熱力學(xué)理論可知，在同一溫度條件下，合金熔體狀態(tài)大致相同。但觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在同樣保溫溫度條件下，合金熔體是否經(jīng)過過熱處理，會(huì)對其組織形態(tài)產(chǎn)生影響。可見，在合金熔體狀態(tài)下，其高溫環(huán)節(jié)出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)變化，在溫度降低后，不能完全恢復(fù)，可以判斷合金組織與其熔體狀態(tài)息息相關(guān)。

2.2 凝固組織影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 冷卻條件對初生硅的影響

在700℃的過熱溫度下，不同冷卻速率下的組織結(jié)構(gòu)不同，在904℃/s、139℃/s的降溫速率下，組織內(nèi)的初生硅表現(xiàn)出細(xì)小、分布均勻的特征；在28℃/s、5℃/s的降溫速率下，組織內(nèi)的初生硅表現(xiàn)出粗大聚集特征，說明降溫速率越快，越能夠抑制初生硅的生長。

在900℃的過熱溫度下，不同冷卻速率下的組織結(jié)構(gòu)不同，在904℃/s、139℃/s、28℃/s的降溫速率下，組織內(nèi)的初生硅表現(xiàn)出細(xì)小特征，呈羽毛狀分布，降溫速率越高，該特征越顯著。在904℃/s的降溫速率下，組織內(nèi)的初生硅甚至難以辨別。在5℃/s的降溫速率下，組織內(nèi)的初生硅較為粗大。在1100℃的過熱溫度下，所有降溫速率下的組織初生硅均表現(xiàn)出細(xì)小、分布均勻的特征。可見，在合金凝固組織中，初生硅不僅受降溫速率影響，還受熔體過熱處理時(shí)的熔體狀態(tài)影響。

同時(shí)，在不同的過熱溫度下，組織內(nèi)初生硅的形態(tài)有所差異。在過熱處理過程中，組織內(nèi)初生硅不僅表現(xiàn)為星形，還出現(xiàn)羽毛狀，更為均勻地分散在組織中，強(qiáng)化合金組織的性能。另外，根據(jù)各個(gè)組織的定量金相分析結(jié)果，在過熱溫度升高的條件下，不同冷卻速率的組織內(nèi)初生硅的面積差值縮小，說明冷卻速率對組織內(nèi)初生硅的影響程度逐漸降低，可判斷過熱處理會(huì)降低初生硅對降溫速率的敏感性。

2.2.2 冷卻條件對共晶組織的影響

為深入分析冷卻條件對凝固特性的影響，本文還對冷卻處理后的共晶組織進(jìn)行觀察與分析。分析結(jié)果顯示，在對合金熔體進(jìn)行過熱處理時(shí)，降溫速率與過熱溫度，均會(huì)對共晶組織形態(tài)產(chǎn)生影響。在降溫速率加大或過熱溫度升高的條件下，共晶組織內(nèi)的共晶硅從長片狀轉(zhuǎn)變?yōu)榱睿f明共晶硅的過冷度有所增加，對共晶硅的生長產(chǎn)生影響，強(qiáng)化合金性能。

同時(shí)，在Al-Si合金組織中，共晶硅過冷度的提升，還會(huì)導(dǎo)致非平衡凝固現(xiàn)象，使組織中的偽共晶區(qū)在相圖內(nèi)更為靠近硅的一側(cè)。就此，可以判斷，在Al-Si合金組織中，熔體過熱處理溫度越高，降溫速率越大，共晶組織內(nèi)的含硅量越大。而實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也驗(yàn)證該結(jié)論。在降溫速率固定的條件下，過熱溫度為700℃時(shí)，含硅量為10.32%；在過熱溫度為900℃時(shí)，含硅量為12.21%；在過熱溫度為1100℃時(shí)，含硅量為17.35%。

2.2.3 循環(huán)過熱的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，和普通過熱處理相比，一次循環(huán)過熱的組織初生硅細(xì)化與均勻化程度更高；和一次循環(huán)過熱相比，三次循環(huán)過熱的組織初生硅細(xì)化與均勻化程度更高。可見，在熔體過熱處理中，循環(huán)過熱措施可強(qiáng)化熔體內(nèi)初生硅的細(xì)化與均勻化程度。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因在于循環(huán)過熱可為熔體提供更多的熱量，提高熔體的均勻性，進(jìn)而提高熔體在凝固再結(jié)晶過程中的過冷度，使合金組織得到細(xì)化。通過多次循環(huán)過熱，可優(yōu)化凝固再結(jié)晶過程，不僅可消除合金組織內(nèi)具備生長特征的結(jié)構(gòu)相，還可消除合金組織內(nèi)的異質(zhì)形核，有效抑制二者生長，優(yōu)化合金組織結(jié)構(gòu)。

綜合上述分析結(jié)果可知，在Al-Si合金生產(chǎn)中，熔體過熱處理的溫度與降溫速率，是影響其凝固特性與組織結(jié)構(gòu)的主要因素。為避免Al-Si合金中出現(xiàn)粗大的初生硅，使初生硅與共晶硅細(xì)化，優(yōu)化合金組織，制造企業(yè)可提升熔體過熱處理的溫度，并采取循環(huán)過熱處理手段，提高Al-Si合金冷卻時(shí)的降溫速率，提高初生硅的細(xì)化程度，使其在Al-Si合金組織內(nèi)均勻分布，提高共晶硅組織的含硅量，進(jìn)而提升Al-Si合金組織的強(qiáng)度、硬度，使Al-Si合金的工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用更為廣泛。同時(shí)，在設(shè)定Al-Si合金熔體過熱處理的溫度時(shí)，制造企業(yè)需考慮合金材料的零件結(jié)構(gòu)，對于尺寸較小、結(jié)構(gòu)簡單、壁薄的零件，以較低的溫度進(jìn)行熔體過熱處理即可；對于尺寸較大、結(jié)構(gòu)壁厚的零件，以較高的溫度進(jìn)行熔體過熱處理，實(shí)現(xiàn)Al-Si合金熔體熱處理參數(shù)的最優(yōu)化，保障合金質(zhì)量。

3 結(jié)論

綜上所述，在熔體過熱處理中，處理參數(shù)會(huì)影響Al-Si合金的組織，處理時(shí)的過熱溫度越高、保溫時(shí)間越長，初生硅結(jié)構(gòu)越小，在合金組織內(nèi)的分布越均勻，Al-Si合金的性能越強(qiáng)。同時(shí)，冷卻條件會(huì)影響Al-Si合金的凝固特性，制造企業(yè)可通過冷卻速率提升、熔體處理溫度升高、循環(huán)過熱等方式，強(qiáng)化凝固特性，制備更優(yōu)質(zhì)的Al-Si合金，推動(dòng)工業(yè)發(fā)展。