不同成分鋁硅合金熔體混合對初生硅相細化的研究_葉春生

2023年12月31日發(作者：周小琪)

Vol151 No13Mar.2002鑄造#145#FOUNDRY研究與開發不同成分鋁硅合金熔體混合對初生硅相細化的研究葉春生,宋俊杰,張新平,潘 冶1234(11康佳集團股份有限公司,廣東深圳518053;21洛陽自來水公司洛南水源,河南洛陽471023;31吉林大學南嶺校區材料科學與工程學院,吉林長春130025;41東南大學機械工程系,江蘇南京210096)lSi合金熔體和低溫亞共晶A-lSi合金熔體混合后對微觀組織的影響。結果表明:熔體混合摘要:研究了高溫過共晶A-并迅速攪拌后的初晶硅大大細化,在2min內澆注,可以獲得分布均勻且尺寸小于25Lm的初晶硅;隨著熔體保持時間的延長,初晶硅的尺寸有增大的趨勢。探討了對硅相的細化機理。關鍵詞:過共晶A-lSi合金;熔體混合;硅相細化;保持時間中圖分類號:TG113112 文獻標識碼:A 文章編號:1001-4977(2002)03-0145-03InvestigationonRefiningGranulesofPrimarySiPhabyMeltMixingwithDifferentComponentsofA-lSiAlloysYEChun-sheng1,SONGJun-jie2,ZHANGXin-ping3,PANYe4(.,Shenzhen518053,Guangdong,China;21Luoyangwatersupplycompany(Luonanfountain),Luoyang471023,Henan,China;31CollegeofMaterialsScienceandEngineering,JilinUniversity(NanlingCampus),Changchun130025,Jilin,China;41DepartmentofMechanicalEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,Jiangsu,China)Abstract:EffectofmelttreatmentbymixingthehightemperaturehypereutecticA-lSialloymeltandthelowtemperaturehypoundthatprimaryySipart-iclesizeisreducedto25Lmpouredintwominutes,eextendingofholdingtimes,ds:hypereutecticA-lSialloy;meltmixing;refiningofsipha;holdingtime 過共晶A-lSi合金的導熱性好,熱膨脹系數小,尺寸穩定性和耐磨耐蝕性好,有足夠的高溫強度和彈性模量,是制造汽車發動機活塞的理想材料,日本已應用在載重汽車和小轎車上,有逐漸取代灰鑄鐵的趨勢112。然而該合金結晶溫度范圍寬,組織中初晶硅尺寸大導致力學性能降低,使其應用受到限制。因此,對過共晶A-lSi合金組織的細化工藝和方法的研究比較活躍。目前,細化的方法有兩種:一是在熔體中加入細化元素的化學細化法;二是對金屬的凝固過程進行動力學處理的動力學處理法。但這兩種方法只能使初晶硅的尺寸細化到50~60Lm。根據凝固理論,金屬材料一般都是由液態金屬不平衡凝固得到,液態熔體凝固時的結構狀態對晶粒的形核、生長及最終的組織、性能有直接的影響12,32。近幾年,國內外研究人員對熔體混合和液態熔體結構進行了廣泛的研究14~72,但所研究的熔體成分在混合前后基本不變,而對不同成分熔體混合的研究鮮有報道。本文主要闡述不同成分的高、低溫熔體混合對所得的過共晶A-l17%Si合金微觀組織的影響,為探索初晶硅的細化措施提供了新的途徑,并為開發高性能、低成本的新型活塞材料提供一定的理論基礎。1 試驗方法試驗用原材料為高純鋁和1工業結晶硅。熔煉在8kW井式電阻爐(I)和(II)中進行,其中電阻爐(I)提前30min熔煉,720e時分批加入粒度為8~12mm的1#工業結晶硅,待結晶硅完全熔解后將爐溫升至780e,加入016%無毒精煉劑,精煉10~15min后繼續將爐溫升至至950e,配制過共晶A-l27%Si合金。電阻爐(II)中的熔體,待結晶硅完全熔解后升溫至780e進行精煉處理,然后將熔體溫度降低到610e,配制亞共晶A-l7%Si合金。最終將質量相同的兩種熔體混合并迅速攪拌,停放一定時間后澆注到已預熱至250~300e的金屬型中。試驗過程#收稿日期:2001-07-18收到初稿,2001-11-07收到修訂稿。作者簡介:葉春生(1970-),男,江蘇泰興人,碩士,主要研究方向是注塑模具結構設計和CNC編程。

# 146 # Mar.2002FOUNDRY Vol151 No13中分別采用電位差計和標準熱電偶檢測熔體的溫度,取試樣的同一位置經磨平拋光并用015%HF水溶液腐蝕后,用帶有標尺的OLYMPUS顯微鏡觀察金相組織,在相互垂直的方向上分別測定同一個初晶硅的尺寸,取其平均值作為該初晶硅的尺寸。每個試樣隨機測定10個初晶硅的尺寸,取其平均值作為該試樣的初晶硅尺寸。2 試驗結果圖1顯示了將950e澆注的過共晶A-l27%Si合金和610e澆注的亞共晶A-l7%Si合金以及將這兩種合金混合后澆注的過共晶A-lSi合金的金屬型試樣的金相組織。(a)A-l27%Si合金,950e澆注 (b)未變質A-l7%Si合金,610e澆注 (c)混合處理后4min的合金,670e澆注(d)0106%Sr變質A-l7%Si合金,610e澆注 (e)950eA-l27%Si合金與Sr變質A-l7%Si (f)950eA-l27%Si合金與Sr變質A-l7%Si 合金混合處理后2min澆注 合金混合處理后4min澆注圖1 由不同成分和溫度熔體混合后澆注試樣的金相組織Fig11 Microstructuresofthesamplespouredbymeltsmixedwithdifferentcomponentsandtemperature 圖1a為950e澆注的過共晶A-l27%Si合金的金屬型試樣金相組織,初晶硅呈典型的板片狀,厚度為40~50Lm,最大長度接近300Lm,共晶硅呈針片狀;圖1b為未經變質處理的亞共晶A-l7%Si合金在610e澆注試樣的金相組織,共晶硅呈針片狀;圖1c是950e過共晶A-l27%Si合金與610e未變質處理亞共晶A-l7%Si合金混合后4min在670e澆注試樣的金相組織,初晶硅細化,共晶硅呈針片狀;圖1d是0106%Sr變質的亞共晶A-l7%Si合金在610e澆注試樣的金相組織,共晶硅呈點鏈狀,有大量枝晶A相;圖1e、1f為950eA-l27%Si合金與0106%Sr變質的610eA-l7%Si合金混合后的金相組織,圖1e為混合后2min時澆注的組織,初晶硅的尺寸小于25Lm,共晶硅呈點鏈狀,并且枝晶A相也大大細化;圖1f為混合后4min時澆注的組織,初晶硅的尺寸變大,共晶硅仍然為點鏈狀,枝晶A相更加細小。 圖2表明了熔體混合后停放時間與初晶硅尺寸的關系,隨著停放時間的延長,初晶硅尺寸逐漸增大。

鑄造葉春生等:不同成分鋁硅合金熔體混合對初生硅相細化的研究#147#由此可以定性說明,高溫熔體與低溫熔體混合后是吸熱的。據此,可增大合金液在凝固過程中的過冷度。晶核的臨界半徑與過冷度之間的關系2RalTmRk=L$Tm式中 Rk)))晶核的臨界半徑 Lm)))金屬結晶潛熱圖2 停放時間與初晶硅尺寸的關系Fig12 RelationshipofprimarySisizewithholdingtime1112:(2) Tm)))凝固溫度 $T)))過冷度 Ral)))界面能過冷度與體積自由能之間的關系為:$GV=Lm$TTm(3)圖3所示為熔體停放時間與合金硬度的關系,剛開始硬度變化不大,超過4min后硬度增加很快。說明停放時間不能太長,熔體混合有一個最佳的有效期,故為了制備出滿足需求的材料應把握好停放時間。式中 $GV)))體積自由能由式(2)和式(3)可知,隨著過冷度的增大,臨界晶核半徑減小,體積自由能的變化增大,結晶過程中的驅動力增加,有利于形核。在結晶溫度范圍內,過冷度的增大,將促使形核速度增加,從而細化初生Si相。4 結論圖3 停放時間與硬度的關系Fig13 Relationshipofhardnesswithholdingtime(1)不同溫度的過共晶A-l27%Si合金和亞共晶A-l7%Si合金按1B1比例混合,獲得了過共晶A-l17%Si合金。(2)熔體混合后停放時間對初晶硅尺寸影響很大,隨著停放時間的延長,初晶硅的尺寸增大,停放2min后澆注獲得的組織中初晶硅分布均勻且尺寸小于25Lm。參考文獻:112 全燕鳴.過共晶型鋁-硅合金研究的進展1J2.輕合金加工技術,1996,(2):26~31122 黃良余.鋁及其合金的晶粒細化簡述1J2.特種鑄造及有色合金,1997,(3):41~43132 魏朋義,傅恒志.熔體溫度對快凝A-lSi過共晶合金條帶微觀組織及性能的影響1J2.金屬學報,1996,(8):816~821142 堅增運,楊根倉,周堯和.A-l18%Si合金的溫度處理1J2.中國有色金屬學報,1995,(4):133~135152 常芳娥,堅增運,嚴文.熔體溫度處理對A-l25%Si合金顯微組織的影響1J2.西安工業學院學報,2000,(1):39~42162 lkd,1996,87(4):295~301172 GENGHao-ran,MAJia-Ji,-ferrousMetSocChina,1991,(12:137~141182 桂滿昌,宋廣生,賈均,李慶春.A-l18%Si過共晶合金熔體結構特征及磷的影響1J2.金屬學報,1995,(4):177~182192 關紹康,沈寧福,石廣新.熔體預處理對過共晶A-lSi合金組織及性能的影響1J2.鄭州工業大學學報,1999,(2):5~71102 吳長春,郝德慶.物理化學1M2.北京:機械工業出版社,19881112 崔忠坼.金屬學及熱處理1M2.北京:機械工業出版社,19893 討論將一部分低溫熔體與一部分高溫熔體相混合,低溫熔體被迅速加熱,高溫熔體被迅速冷卻,這樣所形成的混合熔體既具有高溫熔體的性質,又具有低溫熔體的性質。一方面,高溫熔體快速混合并攪拌后,被低溫熔體快速冷卻而改善了散熱條件;另一方面,高溫熔體由微觀均勻的區域組成182,其結構狀態保持到混合熔體中,導致后續組織中初生Si相的均勻分布。因此,高溫熔體與低溫熔體的混合,既克服了高、低溫熔體各自的缺點,又利用了兩者的優點,從而達到細化初晶硅和共晶硅的目的。另外,由于高、低溫熔體的化學成分不同,快速混合時也發生成分的改變,最終變為過共晶A-l17%Si合金,即在最初的混合過程中熔體發生劇烈的反應。可以設想,過共晶A-l27%Si合金中的S-iSi原子對和亞共晶A-l7%Si合金A-lAl原子對發生反應生成A-lSi原子對,文獻19,102說明了發生這種反應的熱力學條件:1(UUA-A-lAl+US-iSi)lSi>2(1)式中 UA-lSi原子對的作用能lSi)))A- UA-lAl原子對的作用能lAl)))A- US-iSi原子對的作用能iSi)))S-(編輯:杜向才)