攪拌時間對半固態過共晶鋁合金坯料制備的影響*

方嘉勤，智常建,2，王曉榮，莊文瑋

（1.東華理工大學機械與電子工程學院，南昌 330013；2.江西省新能源工藝及裝備工程技術研究中心，南昌 330013）

0 引言

對于Al-Si合金中，當硅質量分數超過12.6%時，稱為過共晶Al-Si合金，其硅含量超過共晶成分。由于過共晶Al-Si合金不僅擁有良好的耐磨性、耐蝕性、熱穩定性好和較低的熱膨脹系數，而且其鑄造性能和力學性能俱佳，因此廣泛應用于航空領域和汽車制造業[1-2]。汽車已經成為了人們生活中不可缺少的交通工具，發動機是汽車等機械設備中的重要驅動裝置，活塞是汽車發動機的“心臟”。相比于亞共晶Al-Si合金及共晶Al-Si，過共晶Al-Si合金優勢突出，是當前市場中一種較為理想的汽車活塞材料。過共晶Al-Si合金中初生Si相和共晶Si相的尺寸、形貌及分布對合金的力學性能影響較大[3-4]。因此，對過共晶Al-Si中初生Si和共晶Si尺寸、形貌的優化可以提高其力學性能，使其更適合應用在工業中。

由于過共晶Al-Si合金在鑄態過程中具有許多形貌復雜的初生Si組織，導致其合金基體的完整性被破壞，從而使其力學性能降低，因此過共晶Al-Si合金在工業上的應用受到了限制[5-6]。如何改善過共晶Al-Si合金的初生Si組織是提高其力學性能及擴大其應用研究極其重要的一點。國內外學者對過共晶Al-Si合金進行了大量研究，發現過共晶Al-Si合金凝固過程中組織中形成了較粗而不規則的塊狀及長條狀初生硅，嚴重破壞了其力學性能。學者們通過試驗發現細化過共晶Al-Si合金中初生Si組織形貌的主要方法有：半固態攪拌、變質處理、電脈沖處理、快速凝固等方法[7-11]。機械攪拌法是一種尤為經典的半固態鋁合金漿料制備方法，過共晶鋁合金在半固態溫度下，其組織會在攪桿葉片的攪拌作用下破碎，同時其顆粒的圓整度增加。最重要的一點是機械攪拌裝置具有搭建簡單、成本較低、操作方便等優點，適合在工業生產中大規模應用[12-13]。

本文以Al-20Si合金為研究對象，其含Si量為20%，查閱大量相關文獻發現，半固態攪拌對共晶及過共晶鋁合金的最佳攪拌溫度、攪拌速度分別為650℃、300 r/min左右，過共晶Al-20Si合金的液相線溫度為680℃左右。因此實驗中固定攪拌溫度為650℃，攪拌速度為300 r/min，通過改變攪拌時間來制備半固態Al-20Si合金，研究攪拌時間對該合金初生Si相的影響，獲得不同攪拌時間下其初生Si尺寸、形貌的變化規律，通過觀察其微觀組織、檢測其硬度，尋求最合適的攪拌時間。

1 實驗

1.1 實驗材料

Al-20Si合金是本文的研究對象，屬于過共晶型鋁硅合金。Al-Si合金二元相圖如圖1所示，由圖可知，此成分的合金液相線溫度為680℃左右。Al-20Si合金鑄態過程中的微觀組織在過共晶Al-Si合金中極具代表性，而且其含硅量與目前應用較廣的多種牌號高硅鋁合金如A390等合金相近。因此，Al-20Si合金是研究機械攪拌對過共晶Al-Si合金微觀組織及力學性能的影響規律的極佳材料。

圖1 Al-Si合金二元相圖

1.2 機械攪拌法實驗裝置

機械攪拌法操作簡單，易于搭建，并且可以制備性能較優的半固態坯料。為了進一步滿足機械攪拌對半固態過共晶鋁合金組織及性能影響實驗的需要，搭建出了如圖2所示的機械攪拌裝置。本實驗搭建的攪拌裝置主要由SG2-8-12型坩堝電阻爐、SN-OES-60SH攪拌器、熱電偶、隔熱保溫蓋、石墨坩堝5部分組成。在整個實驗過程中每部分的作用是不同的：熔化鋁合金原料主要用干鍋爐，在650℃時對其半固態進行保溫；而整個機械攪拌裝置的核心在于攪拌器，安裝攪拌器的目的是為了打碎Al-20Si合金在半固態溫度下的組織，增加其初生Si顆粒的尺寸和圓整度。為了保證攪拌桿在攪拌過程中的均勻性和充分性，自制了不銹鋼雙葉輪攪桿，即在攪拌桿下端焊接了2個4葉葉輪，進一步增加攪拌器的攪拌能力，可以讓攪拌結果變得更加均勻和充分。熱電偶主要作用是對鋁液溫度的變化進行實時監測。隔熱保溫蓋主要作用是對坩堝內部溫度進行保溫，防止在攪拌過程中，爐內的溫度大量散失，鋁液隨著攪拌時間增加快速下降，并且使得鋁液在攪拌過程中可以保持在一定的范圍之內。石墨坩堝采用的是高純石墨坩堝，主要用于盛裝鋁合金坯料，可以減少對鋁液的污染。搭建攪拌裝置力在獲得力學性能和組織較好的半固態坯料。

圖2 機械攪拌半固態Al-20%Si合金實驗裝置

1.3 實驗過程

首先，為了減小實驗外在因素的影響，制備試樣前要對石墨坩鍋加熱至200℃并保溫2 h，對其進行預熱處理。將鋁錠切割好并放入坩堝中，把Al-20Si合金隨爐加熱到液態溫度以上的一定溫度，同時對攪拌桿進行隨爐預熱，實驗過程中采用通氮氣的方式對合金進行保護，待其完全熔化成液態后，加入精煉劑對鋁液進行第一次精煉，待10 min之后對其進行扒渣，之后對其再進行第二次精煉，待10 min之后對其進行第二次扒渣，兩次精煉完成后讓其隨爐冷卻到預先設定好的半固態溫度，并通過熱電偶來實時監測其鋁液溫度。待達到650℃半固態溫度下后保溫5 min，然后設置攪拌裝置速率為300 r/min，分別設置攪拌時間10 min、20 min、30 min、40 min對其進行攪拌。取樣時采用快速冷卻方法固定高溫瞬態組織。

將制成的過共晶Al-Si合金坯料在車床上按標準的金相試樣、硬度試樣的尺寸進行加工。金相試樣的尺寸為φ12 mm×10 mm的圓柱，在觀察其顯微組織前需要將試樣進行粗磨、精磨、拋光、腐蝕、清洗等步驟以制備標準的金相試樣。待金相表面磨至如光亮時，用濃度為0.5%的氫氟酸將試樣進行腐蝕，腐蝕6～10 s，隨后取出，用無水乙醇清洗并烘干，借助DDM-300C金相顯微鏡觀察其組織。硬度試樣尺寸按φ12 mm×10 mm加工，用HB3000型布氏硬度試驗機對試樣進行測試，每個試樣測量3個點，記錄硬度值，求取平均值以減小實驗誤差。

2 實驗結果與分析

本實驗所得到的過共晶Al-Si合金坯料的硬度是在HB3000型布氏硬度機上測得的。布氏硬度機設置加載250 kg的載荷，鋼球壓頭直徑為5.0 mm，保壓時間為30 s。每個硬度測試試樣均采取3個點不重復測量，結果取3個測試點所得數據的平均值，測試結果如表1所示。

表1 攪拌剪切時間對半固態AI-20Si合金硬度的影響

圖3所示為不同機械攪拌時間下過共晶Al-20Si合金的均值布氏硬度曲線。經過機械攪拌后，該合金布氏硬度得到了一定程度上的提升。隨著機械攪拌時間的逐步增加，過共晶Al-20Si合金的布氏硬度值整體上呈現先上升后下降的變化趨勢。當機械攪拌時間為20 min時，材料的布氏硬度達到峰值，其值為87.43 HB，與未經機械攪拌的合金布氏硬度相比提高了17.78%。

圖3 不同攪拌時間AI-20Si合金的硬度變化曲線

圖4（a）是未攪拌的原始坯料的顯微組織，其初生硅呈現粗大的塊狀。圖4（b）～（e）是Al-20Si合金在不同的攪拌時間下，以650℃的半固態溫度、300 r/min轉速攪拌的顯微組織。由圖4可以看出，隨著攪拌時間的延長，初生Si形貌發生顯著改變，尺寸相比與未攪拌的顯微組織而言明顯減小，機械攪拌的破碎效果顯著。破碎的初生Si顆粒多為不規則的小塊狀。攪拌時間對初生硅的尺寸及形貌有一定的影響，攪拌時間不同其尺寸、形貌也有所不同。具體表現為：當攪拌時間為10 min，其初生硅的尺寸相對于未攪拌的有明顯的細化；當攪拌時間為20 min，微觀組織中初生硅的尺寸變得越來越小且分布較為均勻；當攪拌時間為30 min，初生硅的尺寸變化不大，但是出現了初生硅的團聚現象，其初生硅的分布有一定的聚集；當攪拌時間達到40 min，初生硅的尺寸相對于20 min、30 min的有一定的增大，由于攪拌時間過長，導致其初生硅聚集和長大。由此可見，攪拌時間在20 min左右，其初生硅組織得到了明顯的細化，并且分布也較為均勻。

圖4 不同攪拌時間的金相顯微組織

3 結束語

（1）Al-20Si合金用機械攪拌的工藝可以對其初生硅組織進行一定的細化，獲得力學性能及組織較好的半固態坯料。

（2）基于650℃的攪拌溫度、300 r/min的攪拌速度條件下，以此研究不同的攪拌時間對過共晶Al-20Si合金的組織及表面硬度的影響。隨著攪拌時間的延長，Al-20Si合金的初生硅組織細化程度不同，在攪拌作用及攪拌時間下，初生硅可被打碎從而細化其微觀組織。微觀組織的細化改變了Al-20Si合金的硬度，其合金的布氏硬度值整體呈現先上升后下降的變化趨勢。當攪拌時間為20 min時，材料的布氏硬度達到峰值，其值為87.43 HB，相比與未經攪拌的提高了17.78%。

（3）綜合Al-20Si合金的微觀組織及其硬度實驗結果可得：當攪拌溫度、攪拌速度為650℃、300 r/min時，Al-20Si合金性能最佳的攪拌時間為20 min，該條件下Al-20Si合金性能有較大的改善。為進一步完善對機械攪拌對Al-20Si合金力學性能及微觀組織的影響，需要對溫度和攪拌速度進行進一步的研究。