熔體過熱對Al-18%Si合金中初生硅形態的影響

楊凱雯，劉淑琪，徐金山，鐘魯寧，孫 虎

（江蘇省宿遷學院材料工程系，宿遷223800）

0 前言

過共晶鋁硅合金有著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[1]。但由于過共晶鋁硅合金中含有大量粗大板狀的初生硅相，會使合金的力學性能大大降低，而且初生硅的硬度高，如不改善其形態則會嚴重降低合金的切削性能，也會導致其應用極大受限[2-3]。為了使過共晶鋁硅合金能有更好的力學性能和切削性能，使初生硅變得規則和圓整，改善初生硅的形態是重要的研究課題[4-5]。

熔體過熱處理技術是熔體溫度處理技術中最為簡單的一種，即合金熔體過熱到一個很高溫度后，保溫一段時間后再進行澆注[6]。經過適當的熔體過熱處理，可以控制熔體變化進程并獲取對合金性能最有利的熔體結構，能夠有效地改善和細化組織，提升其綜合力學性能[7]。該技術工藝簡單，熔體純凈，效果較為顯著，已成為國內外學者研究的熱點。目前對于鑄造鋁合金熔體溫度處理技術中的熔體混合法的研究開展得較多[8-10]，而對于熔體過熱技術，特別是對過共晶鋁硅合金的應用研究報道較少[11，12]。因此，本研究對Al-18%Si合金進行了熔體過熱處理，然后研究熔體過熱溫度及保溫時間對合金中初生硅形態的影響。

1 實驗方法

試驗用原料為純度99.95%的純鋁錠和99.95%純硅，置于井式爐中熔煉制得含Si 量（質量分數）為18%的過共晶鋁硅合金。合金在井式爐中通過850 ℃、950 ℃、1 050 ℃保溫1 h 的熔體過熱處理后，澆入鋼模具中凝固。另外將合金升溫至1 050 ℃分別保溫30 min、1 h、2 h，然后澆入鋼模具中凝固。因鋁的化學性質比較活潑，試驗中加入C2Cl6 精煉劑，在750 ℃下精煉15 min。將澆注完成的試樣經打磨拋光，用0.5%的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ImagePro金相分析軟件進行分析。

2 實驗結果

2.1 熔體過熱溫度對Al-18%Si合金組織的影響

從Al-18%Si 二元平衡相圖中可知本次試驗采用的Al-18%Si 合金的共晶溫度為577 ℃，液相線為660 ℃，常規鑄造的澆注溫度一般選擇在700～750 ℃。本次研究選擇在850 ℃、950 ℃和1 050 ℃溫度下進行熔體過熱處理，并保溫1 h，其合金組織如圖1所示。

圖1 不同過熱溫度保溫1h后的Al-18%Si合金組織

在未經熔體過熱處理，經750 ℃進行澆注的鑄造組織（圖1（a））中可見粗大板狀和塊狀的初生硅，且初生硅的分布非常不均勻，經金相分析軟件統計其平均直徑約為155 μm；隨著熔體過熱處理的溫度升高，初生硅的尺寸和形態都發生了明顯改變。合金組織中大部分的初生硅在熔體過熱處理溫度達到850 ℃時，發生了一定的細化，板狀的初生硅基本消失，初生硅的形態主要以塊狀為主，且其大小發生了明顯的細化，經金相分析軟件統計其平均直徑約為76 μm（圖1（b））；在熔體過熱處理溫度達到950 ℃時，合金組織中初生硅的大小進一步的細化，平均直徑約為50 μm（圖1（c））；當熔體過熱溫度提升至1 050 ℃時，發現有少量初生硅發生了球化作用，不規則的多邊形顆粒不斷變小，平均直徑約為43 μm（圖1（d））。熔體過熱處理之后合金熔體中硅原子團簇發生了改變，溫度越高硅原子的排布越均勻，初生硅的顆粒尺寸也就越小。在微觀上金屬以及合金的熔體構造都存在著一定的不均勻性，熔體是由游動的有序原子集團和各種組元原子組成的呈紊亂分布的無序帶所組成的。當熔體過熱的溫度越高，無序帶會越大，有序原子集團尺寸就會越小，熔體結構也就越細小均勻，并最終凝固成細小的初生硅組織[13]。從熔體過熱溫度提升幅度看，熔體過熱至850 ℃較之常規澆注溫度雖然只提升了100 ℃，但初生硅的細化非常明顯，其平均直徑降低了51%。而隨著過熱溫度的進一步提升，初生硅的細化趨于平緩，這主要是因為過高的溫度雖然會提升熔體的不均勻性，但也會減少熔體中可充當核心的原子集團。另外過高的溫度使熔體的氧化程度增加，不利于合金的性能，因此過熱溫度以1 050 ℃為宜。

2.2 熔體過熱時間對Al-18%Si合金組織的影響

為了研究熔體過熱時間對Al-18%Si 合金組織的影響，將合金升溫至1050 ℃分別保溫30 min、1 h和2 h后再澆注，其合金組織如圖2所示。熔體升溫至1 050 ℃后保溫30 min，其初生硅顆粒與保溫1 h 的試樣（圖1（d））大小接近，經統計其平均直徑約為49 μm（圖2（a））。但從初生硅分布的均勻程度上看，其分布仍有一定的團聚現象，這說明熔體過熱需要一定的時間來使得游離狀態的硅原子團簇進行充分的分散，否則其凝固組織中會出現初生硅相團聚。而在熔體1 050 ℃過熱處理保溫2 h 后，初生硅的形貌和尺寸明顯發生了變化。由于時間的延長而促進了初生硅的熔斷和分離，部分初生硅產生一定的尖銳端部，但其初生硅的細化并不明顯，其平均直徑約為41 μm（圖2（b））。因此可見，熔體過熱需要一定的時間進行初生硅的細化并使其分布均勻，但過長的保溫時間并不會引起初生硅的進一步細化。

圖2 1 050 ℃下不同保溫時間的Al-18%Si合金組織

3 結論

（1）熔體過熱技術能有效細化Al-18%Si合金的初生硅相，過熱溫度越高越有利于獲得細小且均勻分布的初生硅。經1 050 ℃過熱1 h的熔體凝固的合金中初生硅相呈細小塊狀均勻分布，其平均直徑由原來的155 μm降至43 μm。

（2）熔體過熱需要一定的保溫時間進行初生硅的細化和均勻分布，但延長的保溫時間并未引起初生硅的進一步細化。