熔体温度处理对高硅铝合金的初生硅相组织的影响
熔体温度处理对高硅铝合金的初生硅相组织的影响
王连登1，2，王尤生１，朱定一1，易炜发1，黄利光2
（1.福州大学材料科学与工程学院; 2.福州大学机械工程及自动化学院福州350108)
摘要：本文研究了成分互补熔体温度处理工艺对于含20%Si的高硅铝合金对组织的影响规律，
研究表明，该工艺能够对高硅铝合金的初生Si相产生明显的变质效果，经成分互补熔体温度处理工艺处理后，初生Si的晶粒在100min内尺寸可稳定在36μm左右，这表明对高硅铝合金的变质效果具有长效性，是一种简单实用的高硅铝合金变质处理工艺。
关键词：高硅铝合金；成分互补；熔体温度处理
中图分类号: TG113 文献标识码：Ａ
1 绪言
高硅铝合金具有比重小、良好的耐磨、耐热性及低热膨胀系数、易于铸造成型等诸多优点，是一种代替铁基材料制备汽车活塞、连杆、空调压缩机转子及叶片等重要部件的理想材料。广泛应用在航空、航天、汽车、造船、机械等工业生产部门中[1]。但因高硅铝合金的凝固组织中的初生Si 相多呈粗大的多角形的形态生长，严重割裂了基体，恶化了材料的性能，限制了其在工业上的广泛应用。因此，必须改变合金中的硅相形态，减小其对基体性能的削弱作用[1-3]。目前对硅相细化处理的方法主要有：添加变质剂法，超声波振动法，激冷法，低温铸造法，加压铸造法，电磁搅拌法，快速凝固技术，固液混合铸造处理工艺、过热处理以及电脉冲技术等[4-7]。其中研究较多是添加变质剂法[7-9]，但变质工艺通常较为复杂，难以控制，而且变质元素的加入还会对合金以及环境产生污染，往往达不到预期目的；其他方法[10-12]不是效果不显著，就是技术条件复杂、成本过高，不适合进行大规模工业生产。因此，开发一种工艺简单，灵活性强，绿色无污染的新工艺，以改善硅粒子形态、大小及分布，提高其力学性能，最终制作出能满足各种用途且综合性能优异的高硅铝合金材料，是近年来国内外材料研究者研究的重点。
近年来，人们分别对熔体混合处理和过热处理进行了广泛的研究，探讨了熔体温度处理对液态熔体结构和合金凝固组织的影响[13-16]，但所研究的熔体成分在混合前后基本不变,也鲜见将熔体混合处理与过热处理相结合进行研究的报道，因此本文通过综合熔体温度处理工艺与过热处理工艺来研究这两者对20%Si的高硅铝合金组织的影响规律。
熔体温度处理就是根据材料熔体结构与温度的对应关系及其在冷却和凝固过程中的演化规律，借助于一定的热作用来人为地改变熔体结构以及变化进程，从而改善材料和制品的铸态组织、结构和性能的工艺过程[13-16]。本文利用成分互补熔体温度处理工艺的原理，通过将不同成分的高低温熔体相混合，以及对混合熔体进行适当的过热处理制备过共晶Al-20%Si合金，并研究了在熔体温度处理过程中熔体处理温度与时间状态的改变对合金显微组织的影响，为探索初晶硅的细化措施提供了新的途径。
2 实验方法
试验用原料为纯度为99.70％的纯铝锭，纯度为99.66%的工业结晶硅。为了研究成份互补熔体温度处理，本试验分两组进行，第一组实验采用常规熔炼工艺制备Al-20%Si合金，并进行不同温度的过热处理。Al-20%Si合金的熔炼在SG2-7.5-12型坩埚电阻炉中进行，将炉温升至750℃分批加入工业结晶硅，待其完全熔解后，保温20min以促进合金成分的均匀化。然后将熔体升温至800℃~1100℃范围内的不同过热温度，本次实验的过热温度分别为800℃、900℃、1000℃、1100℃，最后等熔体温度达到所要求的过热温度，保温15min后直接浇入φ100mm×20mm的圆形金属型中。
作者简介:王连登(1977-),男,福建南安人,讲师,博士研究生,福建省福州大学机械学院,
350108,135********,liandeng@https://www.wendangku.net/doc/2b5705163.html,
第二组试验通过成分互补熔体温度处理工艺制备Al-20%Si合金。所谓的成分互补指得是，两种成分不同的合金熔体经过混合后，形成另一种我们所要求成分的熔体处理工艺，如在本实验，我们先含10%Si的铝硅合金熔体与含30%Si的过共晶硅铝合金按1：1混合后，得到我们所要的含20%Si 的高硅铝合金；熔体温度处理在本实验指的是将两种不同温度含不同成分的高低温熔体进行混合处理，然后将混合后的熔体进行过热处理，使得含有第二粗大硬脆相得到细化或变质的处理工艺。该实验分为两种的实验，第一种实验是在两个电阻炉中分别配制熔化质量相同的Al-30%Si高温熔体和Al-10%Si低温熔体，然后将Al-30%Si高温熔体升温至900℃，将Al-10%Si低温熔体降温至586℃左右(在该温度下，Al-10%Si处于液固两相区)。两种不同成分的高低温熔体分别保温20min后，将高温熔体浇入低温熔体中进行熔体混合处理，然后将混合熔体重新放入电阻炉中过热至不同的温度，保温15min后直接浇入圆形金属型中。另一种成分互补熔体温度处理实验只是改变熔体混合的成分，将Al-30%Si与纯铝按2：1比例来制备20%Si的铝硅合金，其它条件同上。
取圆形试样的同一位置经磨平抛光并用0.5％HF溶液腐蚀适当时间后在XJZ-6A型显微镜上观察金相组织并拍照。分别对同一个金面上的5~10个视场做组织观察，利用Image Pro软件进行初生Si尺寸的计算，其计算方法是对金相照片中每一个初晶硅颗粒每隔2度进行测量一次穿过该初晶硅颗粒的直线长度，旋转一周后，求出所有直线长度的平均值，即为该初晶硅粒的平均直径(Average Diameter)。求出金相照片中所有初晶硅颗粒的直径，取其平均值作为该试样的初生Si尺寸。
3 实验结果
3．1 成分互补熔体温度处理工艺对Al-20%Si合金显微组织的影响
不同成分的高低温熔体混合前后合金的显微组织如图１所示。图l(a)为混合前Al-30%Si高温熔体在900℃浇注的金属型试样金相组织，其组织中的初晶硅呈非常粗大的板块状或薄片状，厚度为60~100 μm，最大长度可达600 μm，且初晶Si的分布很不均匀，内部破碎严重；图1(b)为混合前亚共晶Al-10%Si低温熔体在586℃浇注的金相组织，其组织由白色的α(Al)固溶体和灰色针状片状共晶Si组成，为典型亚共晶组织。图l(c)是Al-30%Si高温熔体与Al-10%Si低温熔体按1:1混合后在680℃浇注得到的过共晶Al-20%Si合金的显微组织。其组织中的初晶Si多为细小的四边形或不规则多边形颗粒，平均尺寸在40μm以下，尺寸细小且分布均匀，得到了显著的变质细化效果。
(a) Al-30%Si高温熔体(900℃浇注) (b) Al-10%Si低温熔体(586℃浇注) (c) Al-20%Si混合熔体(680℃浇注)
图１Al-30%Si与Al-10%Si以1：1进行高低温熔体混合前后合金的显微组织Fig.1 Microstructures of melts mixed with Al-30%Si and Al-10%Si under different temperature: (a)Al-30% Si high-temperature melt，(b) Al-10% Si low-temperature melt，(c) Al-20%Si mixing melt
图2为Al-30%Si与纯铝按2：1进行高低温熔体混合后合金的显微组织，由图也可见，组织中的初晶Si多为细小的块状或不规则多边形颗粒，平均尺寸在40μm左右，初生硅也得到明显地细化。因此通过成分互补熔体温度处理工艺能够对高硅铝合金的初生硅进行明显地变质细化。
(a) 混合熔体(40×) (b) 混合熔体(100×)
图2Al-30%Si与纯铝按2：1进行高低温熔体混合后合金的显微组织Fig.1 Microstructures of melts mixed with Al-30%Si and pure aluminum under different temperature:
(a)the microstructure of the mixed melt，(b) the macrostructure of the mixed melt
图3所示为不同工艺条件所获得的Al-20%Si合金在900℃过热保温15min后直接浇铸所得试样的显微组织。从图3(a)可见，常规工艺熔炼的Al-20%Si合金经过900℃过热处理后，初生Si相仍然为粗大的块状，内部依然存在破碎现象，其平均尺寸为73μm，这些粗大的Si相组织对基体产生严重的割裂作用。经过高低温熔体混合处理后的Al-20%Si合金在900℃过热浇注的条件下(见图3(b))，组织中的初生Si相变的更加细小，且部分初晶Si边缘趋于圆钝化，形态逐渐向近球状转变，其平均尺寸为31μm。经过高低温熔体混合处理的过共晶Al-20%Si合金再经过适当的过热处理，可以进一步减小初生Si尺寸，并且在一定程度上改善其形貌，达到很好的细化效果。
(a) 常规熔炼后900℃过热浇注(b) 熔体混合处理后900℃过热浇注
图3 Al-20%Si合金过热处理组织
Fig，3 Superheating microstructures of Al-20%Si alloy:
(a) 900℃superheating after conventional smelting ，(b) 900℃superheating after melt mixing treatment
2. 2 熔体温度处理对初晶硅尺寸的影响
图4显示了不同过热温度对Al-20%Si合金初晶硅尺寸的影响。在未经熔体混合处理的常规工艺条件下，随着过热温度的升高，初生硅的尺寸先逐渐增大，在过热温度为900℃时达到最大值73μm；随后继续升高过热温度，初生硅的尺寸又逐渐减小。经过高低温熔体混合处理的Al-20%Si 合金熔体中的初生Si相显著细化，在整个过热温度范围内其尺寸均不大于35μm，远小于常规熔炼条件，并且随着过热温度的升高，合金中的初晶Si尺寸呈现持续减小的趋势。
P r i m a r y s i l i c o n s i z e /μm Superheating temperature/℃
图4 不同过热温度对Al-20%Si 合金初晶硅尺寸的影响
Fig 4 Influence of superheating temperature on primary silicon size of Al-20 %Si alloy:
图5所示为混合熔体在830℃过热保温不同时间后浇铸所得试样的初晶Si 尺寸。由图可见，混合熔体在830℃过热保温100min 以内，合金组织中初晶Si 尺寸变化不大，均在36μm 左右，显示出良好的尺寸稳定性；当过热保温时间大于100min 后，随着保温时间的延长，初晶Si 尺寸逐渐增大。文献[17][18]指出，熔体混合处理存在一个最佳混合有效期，将混合熔体直接置于炉外停放时，其最佳有效期不大于4min 。而在本实验条件下，将混合熔体重新置于炉内过热保温，
熔体混合的最佳有效期大大延长，过热保温100min 以内均可以取得良好的组织细化效果，即使保温时间超过200分钟后，细化效果仍然可以达到生产要求，一般生产要求的初生硅相控制在50~60μm 。 因此本工艺对初生硅相的变质细化处理具有一定的长效性。
综上所述，成分互补熔体温度处理对高硅铝合金的初生硅相有明显的细化效果，随着过热温度的提高，细化效果更加显著，且经过长时间的保温处理后，初生硅相仍然有明显细化效果。
P r i m a r y s i l i c o n s i z e /μm
Superheaing time/min
图5混合熔体的过热保温时间对初晶Si 尺寸的影响（过热温度为830℃）
Fig 5 Relationship between primary Si size and the superheating time of mixing melt (Superheating
temperature: 830℃)
4结论
（1）不管是Al-30%Si与Al-10%Si按1：1混合或者是Al-30%Si与纯Al按2：1混合，通过成分互补熔体温度处理工艺将明显地对高硅铝合金中的初生硅进行变质细化，一般初生硅相的平均尺寸可控制在40μm以下。
（2）经过高低温熔体混合处理的过共晶Al-20%Si合金再经过适当的过热处理，可以进一步减小初生Si尺寸，并在一定程度上改善其形貌，达到更明显的细化效果。
（3）成分互补熔体温度处理工艺在变质细化高硅铝合金中初生硅相方面具有长效性，时间超过100min后，其晶粒尺寸基本稳定在36μm左右。
通过成分互补熔体温度处理工艺可以明显细化高硅铝合金中初生硅相，该工艺不添加任何变质剂，不用特殊的设备，就能对高硅铝合金的初生硅相进行变质细化处理，具有简单实用，灵活多样，低成本的高硅铝合金变质细化处理工艺，市场潜力强，是一种深入研究的变质细化工艺。
但是该工艺仍缺少系统研究，不同的浇注温度之间、不同成分之间，以及时间等工艺参数对高硅铝合金中组织具体影响规律仍需要深入探讨。
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The effect of the melt thermal treatment with composition compensation on the microstructure of the primary silicon of the silumin.
WANG Lian-deng1,2, WANG You-sheng1, ,ZHU Ding-yi1,YI Wei-fa1 ,HUANG Li-guang
(1.College of Materials Science and Engineering, Fuzhou University; 2.College of Mechanical
Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China)
Abstract: The influence of the melt thermal treatment with composition compensation on the microstructure of the primary silicon of the hypereutectic Al-20%Si alloy is studied. The result shows that the technology has great modification effect on the primary silicon of the silumin, which can control the size of primary silicon below 32μm. The modification effect on the primary silicon of the technology also has a long lasting characteristic. Thus it proves the melt thermal treatment with composition compensation is an easy, practical and low-cost way to modify the primary silicon of the silumin without addition of the modificator.
Keyword: silumin；composition compensation；melt thermal treatment.