DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2002.s1.052

二次加热和冷却方式对过共晶铝硅合金半固态组织的影响

叶春生 叶康生 张新平 潘冶 吴海棠

  康佳集团股份有限公司  

  清华大学土木工程系  

  吉林大学南岭校区材料科学与工程学院  

  东南大学机械工程系  

  康佳集团股份有限公司 深圳518053  

  北京100084  

  长春130025  

  南京210096  

摘 要：

过共晶Al 17%Si 4.5 %Cu 0 .5 %Mg合金通过Sr优化变质处理获得初晶硅细小且有α枝晶的显微组织。在固液两相区保温 , 结合金相分析研究组织的转变规律 , 结果表明 :共晶硅经历着熔断、粒状化和粗化的过程 , 初晶硅有长大的趋势 ;随着保温时间的延长 , 共晶体不断熔化成液相 , 液相体积分数逐渐增加 , 直至液相薄膜包围着α相 , α相由不规则形状向球状转化 , α相的粗化和合并几乎同时进行 , 最终获得非常理想的半固态组织。从形状系数和等效直径两个方面评价了近球形α相的特征。

关键词：

半固态;过共晶铝硅合金;二次加热;近球形α相;

中图分类号： TG146.21

收稿日期：2001-10-17

Influence of partial reheating and cooling method on semi-solid microstructure of hypereutectic Al-Si alloy

Abstract：

Microstructures with fine primary Si and a number of dendrite α phases were obtained by Sr optimizing modification. Microstructure evolution during partial reheating through the liquidus solidus range was investigated by optical metallography. Eutectic Si experiences the course of dissolution, granular and coarsening, and the primary Si has a tendency of growth. With the extending of isothermal holding times, the eutectic melts down partially, and the liquid content increases gradually up until liquid film surrounds α phases. α phases tend to be changed into sphericity. The coarsening and bending of α phases go on homogeneously. The sphere like α phases obtained are quantitatively characterized by shape factor and equivalent diameter.

Keyword：

semi solid; hypereutectic Al Si alloy; partial reheating; sphere like α phases;

Received： 2001-10-17

半固态金属成型具有成型温度低、 凝固收缩小、 组织致密、 晶粒尺寸细小、 缺陷和偏析减少、 模具寿命延长等特点, 被专家学者誉为21世纪新一代的金属加工方法 ^[1,2] 。 近年来, 世界各国广泛开展了铝合金、 镁合金、 锌合金和铁基合金的半固态加工技术研究 ^[3,4,5] , 主要研究如何改变这些合金的亚共晶初生树枝晶结构, 获得球状初生晶组织, 而半固态过共晶Al-Si合金的研究报道相对较少。 过共晶Al-Si合金具有铸造及焊接性能好, 热膨胀系数小, 耐磨性能高等特点, 是制造发动机活塞的理想材料。 实践证明该合金的性能受到硅晶体的形状及分布的影响, 不论是共晶体中的硅还是初生晶的硅晶体, 如果既细又圆且分布均匀, 则合金具有较高的综合力学性能。 因此该合金的Si相细粒化成为国内外研究的焦点 ^[6,7,8] , 而对组织中共晶α相的形态变化研究鲜有报道。 共晶α相是软基体相, 如果组织通过特殊处理, 细小弥散初晶硅作为硬质点镶嵌在软基体上, 类似于内生颗粒增强复合材料, 既简化工序, 又大大提高合金的耐磨性和高温强度。

本文作者主要研究二次加热和冷却方式对Sr变质的过共晶Al-Si合金半固态组织的影响, 研究Si相和α相的转变规律, 希望在一定的条件下获得理想的半固态组织, 为探索高性能、 低成本的活塞材料组织提供理论和实践依据。

1实验方法

实验用高纯铝、 1^#工业结晶硅、 纯铜、 纯镁配制过共晶Al-17%Si-4.5%Cu-0.5%Mg合金 (类似美国A390合金) 。 熔炼在8 kW电阻炉中进行, 先加入高纯铝, 720 ℃时分批加入粒度8～12 mm的1^#工业结晶硅, 待结晶硅完全溶解后加入纯铜、 纯镁, 升温至820 ℃保温5 min; 当炉温降至780 ℃时加入变质剂, 5 min后加入0.6%的无毒精炼剂, 保温10 min后降低炉温到750 ℃, 然后浇入预热到250～300 ℃的金属型中。 将铸态试样切割成d18 mm×15 mm的圆柱形试样, 放入箱式电阻炉中进行二次加热, 加热温度控制在580 ℃, 分别保温20, 40, 60 min, 然后进行空冷和水冷试验。

实验过程中采用标准热电偶测温, 取试样的同一位置经磨平抛光, 用0.5%HF+99.5%H₂O腐蚀后, 用带有标尺刻度的OLYMPUS显微镜进行金相组织观察, 在相互垂直方向分别测定同一个初晶硅的尺寸, 取其平均值作为该初晶硅的尺寸。 每个试样随机测定10个初晶硅的尺寸, 取其平均值作为该试样的初晶硅尺寸。 用金相分析软件检测近球形α相的等效直径、 形状系数、 面积率, 根据α相的面积率和初晶硅的百分含量来近似计算液相体积分数。

2结果和讨论

2.1Sr变质后的组织

图1所示为0.06%Sr变质的组织, 共晶硅呈细小的纤维状, 同时初晶硅亦细小, 有大量树枝晶α相出现。 图2所示为Sr含量与初晶硅尺寸的关系, 随着Sr含量的增加, 初晶硅的尺寸先降低后增大, Sr含量为0.06%时, 初晶硅的平均尺寸为20 μm。

图1 0.06%Sr变质的金相组织

Fig.1 Microstructure of sample modified by 0.06%Sr

2.2水冷和空冷试样的组织和性能分析

图3所示为0.06%Sr变质处理试样二次加热后的组织, 580 ℃保温20, 40, 60 min, 空冷的组织分别如图3 (a) , (b) , (c) 所示。 共晶体中共晶硅由细小的纤维状向点链状转化, 分布均匀, 粒状化的共晶硅有粗化的趋势。 初晶硅有长大趋势且随着保温时间的延长, 棱角变得更加圆整, 因共晶硅与初晶硅具有相同的晶格常数, 在保温过程中, 部分粒状化的共晶硅原子发生剧烈的运动, 向初晶硅周围扩散, 促进初晶硅长大。

图2 含Sr量与初晶硅尺寸的关系

Fig.2 Primary Si size vs Sr content

图3 580 ℃组织演化与保温时间的关系

Fig.3 Microstructure evolution of hypereutectic Al-Si alloy for different isothermal holding times

(a) —Cooling in air, at 580 ℃ for 20 min; (b) —Cooling in air, at 580 ℃ for 40 min; (c) —Cooling in air, at 580 ℃ for 60 min; (d) —Cooling in water, at 580 ℃ for 20 min; (e) —Cooling in water, at 580 ℃ for 40 min; (f) —Cooling in water, at 580 ℃ for 60 min

同样条件下水冷的组织如图3 (d) , (e) , (f) 所示, 在二次加热的初期, 共晶硅和初晶硅的转化规律跟空冷组织的类似; 保温40 min时组织如图3 (e) 所示, Si相和α相已分离, 保温过程中当共晶硅粗化到一定的程度后, 部分共晶体 (α+Si) 开始熔化成液相, 可以设想起初熔化成的液相是相互独立的, 随着保温时间的延长, 更多的共晶体熔化成液相, 液相分数逐渐增大。 文献 [ 9] 认为当液相分数为20%, 如果液相恰好包围固相, 球形晶粒尺寸在50 μm, 则此时液相薄膜的平均厚度为1.8 μm。 随保温时间的延长, 共晶α相晶界不断被液相所渗透, 如果渗透的液相相互间连成一个连续的网状, 将共晶α相包围在其中, 则此时α相轮廓初步形成。 保温60 min时组织如图3 (f) 所示, α相近似球形, 与图3 (e) 相比, 此时α相的数量减少。 原因分析如下: 保温40 min时, 虽然液相已形成连续的网状, α相轮廓已形成, 但是部分α相的形态仍然不规则; 在液相分数不高时, 不规则α相主要是通过在凹陷处熔断, 因在凹陷处界面能最低, 比较大的部分有继续长大趋势且球化, 比较小的部分则熔化。 总之, 这需要一定的时间才能完成。 另外还要考虑α相的粗化熟化和颗粒合并几乎同时进行, 据文献 [ 10] 报道颗粒合并的速度跟相邻颗粒的数量成正比, 随着液相分数的增加, 则相邻的颗粒数量减少。 在低液相分数时, α相晶界的迁移且合并占主导地位; 然而在液相分数较高和保温时间较长时, 粗化熟化占主导地位, 促使α相颗粒直径增大。

图4所示为初晶硅的尺寸与保温时间的关系, 二次加热后初晶硅的尺寸均大于铸态时初晶硅的尺寸, 说明在二次加热时, 初晶硅有粗化的趋势。 保温相同时间时, 空冷组织中初晶硅的尺寸比水冷组织中初晶硅的尺寸略大。 原因是水冷时对加热试样有强烈的激冷作用, 有利于细化组织, 而空冷时由于在空气中冷却缓慢, 初晶硅和共晶硅有继续长大的趋势。 水冷和空冷试样的硬度与保温时间关系如图5所示, 随着保温时间的延长, 硬度均呈降低的趋势, 但空冷试样硬度降低没有水冷试样的硬度降低快, 保温60min后水冷试样的硬度值跟近共晶成分Al-Si合金硬度值非常接近, 这主要归功于水冷组织中出现了大量近球形α相的缘故。

图4 保温时间与初晶硅尺寸的关系

Fig.4 Primary Si size vs holding time

图5 保温时间与硬度值的关系

Fig.5 Hardness of sample vs holding time

保温60 min水冷组织中α相形状系数分布图如图6所示, 形状系数几乎在0.7～0.9之间, 且形状系数在0.8～0.9之间超过50%, 而此时的液相分数超过50%, 说明当液相分数逐渐增加时, 更有利于α相球化。 图7所示为保温60 min水冷组织中α相等效直径分布图, α相的等效直径大部分在60～100 μm之间, 其中等效直径在80～100 μm之间的达40%, 证明球化程度良好。

图6α相形状系数分布图

Fig.6 Distribution of shape factor of α phases

图7α相等效直径分布图

Fig.7 Distribution of equivalent diameter of α phases

3结论

1) 采用0.06%Sr变质处理后的试样, 在580 ℃保温60 min时, 水冷试样中获得有近球形α相的半固态组织, 而空冷试样未得到此组织。

2) 过共晶Al-Si合金在固液两相区保温时, 共晶Si相通过向α相中扩散溶解, 经历着熔断、 粒状化和粗化的过程, 初晶硅有长大的趋势, 棱角变得更加圆整。

3) 当共晶硅粗化到一定程度后, 和α相一起溶解成液相, 随着保温时间的延长, 共晶体不断熔化成液相, 液相分数逐渐增大。 当液相形成一个连续的网状时, 将α相包围在其中, 通过晶界迁移和晶粒的合并, α相逐渐长大且近似球形。

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