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摘要：
1 实验方法▲
2 实验结果▲
3 讨论▲
4 结论▲
图表▲

表1 原材料及中间合金中部分主加元素的化学成分Table 1 Chemical compositions of raw materials and principal elements of master alloys

图1 未经细化的工业纯铝及Al-Si合金宏观金相组织 ×1 (a) 纯铝; (b) Al-2% Si; (c) Al-3% Si; (d) Al-4% Si; (e) Al-5% Si; (f) Al-6% Si; (g) Al-7% Si; (h) Al-8% Si; (i) Al-11% Si Fig.1 Macrostructures of non-refined commercially pure Al and Al-Si alloys

图2 Al-Si合金经 0.2% Al-3B 细化剂处理后的宏观金相组织 ×1 (a) Al-1% Si; (b) Al-2% Si; (c) Al-3% Si; (d) Al-4% Si; (e) Al-5% Si; (f) Al-6% Si Fig.2 Macrostructures of Al-Si alloys treated after 0.2%Al-3B master alloy

图3 Al-Si合金经 0.4% Al-3B 中间合金细化处理后的宏观金相组织 ×1 (a) Al-2% Si; (b) Al-3% Si; (c) Al-4% Si; (d) Al-5% Si; (e) Al-6% Si Fig.3 Macrostructures of Al-Si alloys treated after 0.4% Al-3B master alloy ×1

图4 Al-Si合金经1% Al-3B中间合金细化处理后的宏观金相组织 ×1 (a) Al-2% Si; (b) Al-3% Si; (c) Al-4% Si; (d) Al-5% Si; (e) Al-6% Si; (f) Al-7% Si; (g) Al-10% Si; (h) Al-11% Si Fig.4 Macrostructures of Al-Si alloys treated after 1% Al-3B master alloy

稀有金属2001年第6期

Al-3B中间合金的加入量对亚共晶Al-Si合金晶粒细化的影响

李建国郑燕康白秉哲

清华大学材料科学与工程系,清华大学材料科学与工程系,清华大学材料科学与工程系,清华大学材料科学与工程系北京100084 ,北京100084 ,北京100084 ,北京100084

摘要：

研究了Al 3B中间合金不同的加入量对亚共晶Al Si合金晶粒尺寸的影响。该中间合金对所研究全部范围内的Al Si合金都具有一定的细化效果 , 但在不同的含硅量下其细化能力并不相同。同时证实对未经细化处理的亚共晶Al Si合金而言 , 在含硅量约 3% (质量分数 , 下同 ) 时合金具有最小的晶粒尺寸。随着Al 3B中间合金加入量的提高 , 出现最小晶粒尺寸的合金成分向高硅方向移动 , 当加入量达到 1%时 , 在含硅量为 6 %的Al Si合金中出现最小的晶粒尺寸。

关键词：

Al-3B中间合金;亚共晶Al-Si合金;晶粒细化;

中图分类号： TG292

收稿日期：2001-03-19

基金：清华大学实验室开放基金;

Effects of Addition Rates of Al-3B Master Alloy on Grain Refinement of Hypoeutectic Al-Si Alloys

Abstract：

Effects of addition rates of Al-3B master alloy o n grain sizes of hypoeutectic Al-Si alloys were studied. The results show that the master alloy has some effects on refining Al-Si alloys concerned, but with different refining pote ncies with respect to Si contents. It was also corroborated that for non-refine d hypoeutectic Al-Si alloys, the minimum grain size appears in the alloy conta ining about 3% Si (weight percent unless otherwise specified) . When Al-3B ma ster alloy was added, the Si content corresponding to minimum grain size shifted itself towards a higher value, reaching 6% Si as addition rate of the master al loy increased up to 1%.

Keyword：

Al-3B master alloy; Hypoeutectic Al-Si alloys; Grain refinement;

Received： 2001-03-19

含硅量较高的亚共晶Al-Si合金是工业界较难细化的一种重要合金, 自从Lu等 ^[1] 发现用于除去导电铝熔体中过渡族元素的Al-4B中间合金对含硅量较高的A356铝合金具有明显的细化效果以来, 引起了人们的极大兴趣并对该现象进行了广泛的讨论 ^{[2,3,4,5,6,7]} 。目前, 对Al-B型中间合金在亚共晶Al-Si合金中所起细化作用的认识还有争议 ^[2,3,5] , 并且该认识往往是人们通过对某一具体牌号的合金进行研究后获得的, 而对合金元素硅的连续变化所带来的影响研究较少。本文对含硅量在1%~11%范围内的亚共晶Al-Si合金进行了研究, 考察了Al-3B中间合金细化剂在四种加入量下 (0.2%、0.4%、0.7%、1%) 对不同含硅量的亚共晶Al-Si合金的细化行为, 目的是通过对宏观组织的观察, 了解该细化剂的有效细化范围及加入量, 为认识这类中间合金在亚共晶Al-Si合金中的细化机理提供有效的实验证据。

1 实验方法

不同含硅量的亚共晶Al-Si合金是用工业纯铝 (99.8%) 与Al-12Si中间合金配制得到的, 两种原材料的化学成分列于表1, 表中同时列出实验所用Al-3B中间合金中主加元素的化学分析值。将按比例配制好成分的原材料共 100 g 加入陶瓷坩埚中, 在电阻炉中升温至720℃熔化, 并保温 1 h 以促进成分的均匀化。

对于未经细化处理的Al-Si合金, 将合金熔体直接浇注在铸钢模中, 每次浇注时钢模温度为室温, 钢模外形尺寸为Φ75mm×85mm、壁厚20mm、内深48mm。对经细化处理的Al-Si合金, 将称量好的Al-3B合金用纯铝箔包好后压入铝熔体中, 在720℃保温 15 min 后搅动约5 s, 立即浇入上述钢模中。试验所用的Al-3B中间合金铸态下是铝基体上分布着团簇状AlB₂相粒子的组织。将试样距底端 10 mm 处锯开, 锯面经金相制样后用混合酸腐蚀进行晶粒尺寸观察。

2 实验结果

对未经细化处理的、含硅量为 1%~11% 的 Al-Si 合金, 随含硅量的增加 (按1%步长) 晶粒尺寸逐渐减小, 在 Al-3% Si 处晶粒具有最小的尺寸, 以后

表1 原材料及中间合金中部分主加元素的化学成分Table 1 Chemical compositions of raw materials and principal elements of master alloys

元素名称	Fe	Si	Mg	Ti	B	Cu	Bal.
元素名称	成分w/%
工业纯铝	0.09	0.06	-	-	-	<0.01	Al
Al-12Si	<0.05	12.15	<0.05	-	-	-	Al
Al-3B	-	-	-	-	3.3	-	Al

随硅量的继续增加, 晶粒尺寸逐渐增大, 达到近共晶成分 (11% Si) 时晶粒尺寸达到最大值。图1示出未经细化处理的工业纯铝以及部分Al-Si合金的宏观金相组织。对于经过细化处理的上述合金, 在所研究的全部硅含量下都得到一定的细化, 但随硅含量变化的规律并不相同。加入0.2% Al-3B 时, Al-3B 中间合金具有一定的细化效果, 仍然在Al-3% Si合金处得到最小的晶粒尺寸, 如图2 所示;在0.4%加入量时, Al-3B中间合金使获得最细晶粒尺寸的合金成分高于3%, 约在Al-4% Si处, 见图3;继续提高加入量至0.7%时, Al-3B中间合金对Al-5%Si合金开始具有较强的细化效果并在该成分处得到最细的晶粒尺寸;当加入量达到1%时, Al-3B中间合金开始对Al-6% Si合金具有显著的细化作用, 并在该成分处获得最小的晶粒尺寸。图4示出在加入1%的Al-3B 中间合金后, 含Si量为2%~7%及10%~11%的Al-Si合金宏观金相组织, 此时在6% Si合金处获得最小的晶粒尺寸。超过6% Si含量以后, 晶粒尺寸将随含硅量的继续增加而逐渐变大。

图1 未经细化的工业纯铝及Al-Si合金宏观金相组织 ×1 (a) 纯铝; (b) Al-2% Si; (c) Al-3% Si; (d) Al-4% Si; (e) Al-5% Si; (f) Al-6% Si; (g) Al-7% Si; (h) Al-8% Si; (i) Al-11% Si Fig.1 Macrostructures of non-refined commercially pure Al and Al-Si alloys

图2 Al-Si合金经 0.2% Al-3B 细化剂处理后的宏观金相组织 ×1 (a) Al-1% Si; (b) Al-2% Si; (c) Al-3% Si; (d) Al-4% Si; (e) Al-5% Si; (f) Al-6% Si Fig.2 Macrostructures of Al-Si alloys treated after 0.2%Al-3B master alloy

图3 Al-Si合金经 0.4% Al-3B 中间合金细化处理后的宏观金相组织 ×1 (a) Al-2% Si; (b) Al-3% Si; (c) Al-4% Si; (d) Al-5% Si; (e) Al-6% Si Fig.3 Macrostructures of Al-Si alloys treated after 0.4% Al-3B master alloy ×1

图4 Al-Si合金经1% Al-3B中间合金细化处理后的宏观金相组织 ×1 (a) Al-2% Si; (b) Al-3% Si; (c) Al-4% Si; (d) Al-5% Si; (e) Al-6% Si; (f) Al-7% Si; (g) Al-10% Si; (h) Al-11% Si Fig.4 Macrostructures of Al-Si alloys treated after 1% Al-3B master alloy

3 讨论

对于未经细化处理的亚共晶Al-Si合金, 随着硅含量的增加, 晶粒尺寸首先逐渐减小, 达到约3%硅时, 合金的铸态组织具有最小的晶粒尺寸 (图1) 。以后随着含硅量的增加, 晶粒尺寸又逐渐增大;Tondel ^[5] , Lee等 ^[6] 和B $\ddot{a}$ ckerud等 ^[8] 也都曾观察到这一实验现象。众所周知, 晶粒的数量与大小是形核和长大两个过程共同作用的结果, 只有适当调整两者之间的关系才能得到最终理想的组织。试验中发现, 对于含硅量为6% 的 Al-Si合金, 只有在加入1% 的 Al-3B细化剂后才有显著的细化效果。这一结果是与溶质元素硅和AlB₂粒子共同促进非均匀形核过程分不开的。当熔体浇入铸模中后, 由于紧靠模壁处首先获得大的过冷条件, 使得这一区域中的熔体里形成大量的附着在AlB₂相上的晶核, 同时也有相当数量的硅溶质被排入固液界面的前沿, 并在那里建立起明显的成分过冷区, 使得该区域中尚未形核的AlB₂粒子有条件形成新的一轮晶核;若成分过冷区中存在的AlB₂粒子尺寸太小或者数量很少, 则由于在其上形核所引起的附加能量关系, 使得能在AlB₂ 相上形成的晶核数量较少, 这些晶核不能对前进着的固相形成有效的阻碍作用, 只有在加入AlB₂粒子数量足够多的条件下才能达到阻止固相的继续长大, 这可能是为什么在加入Al-3B 细化剂的量不足0.7% 时 Al-6Si合金晶粒较粗大、只有当加入量达到1%时细化才明显有效的原因。但硅的这种促进晶粒细化的作用并不是随其含量的提高而不断增加的, 图4为Al-10%Si合金经1%的Al-3B中间合金细化处理后的金相组织, 可见此时随硅含量的增加, Al-3B中间合金的细化作用已明显变弱, 在11% 硅处晶粒已变得非常粗大。高硅含量 (Si>6%) 下硅的这种不利影响是与硅组元在铝熔体中具有非常高的扩散系数这一特性密不可分的。在含硅量较高的熔体中, 随着凝固过程的不断进行, 大量的溶质硅被不断地排入固液相界面前端, 由于硅元素在铝熔体中高的扩散特性, 将使得固液界面处具有更明显的过冷效应, 这个作用会促进已凝固部分有条件进一步长入过冷的液相中。同时, 硅元素还具有很高的形成焓 ^[9] , 大量溶质硅的聚集还会释放出大量的潜热, 这些热量除了通过固相散失外, 还会向周围液相区散失, 改变了已建立起的成分过冷区的形貌和大小, 从而削弱了在AlB₂粒子表面上形核的条件, 使得继续在这些粒子上形核难以进行, 最终导致晶粒的粗大。

此外, 由于试验中采用的浇注温度均为720℃, 而随硅含量的增加亚共晶Al-Si合金的液相线却不断降低, 使得在含硅量较高的合金处具有更大的过热度, 这也是本次试验中在高硅含量条件下晶粒尺寸较粗大的原因之一。

4 结论

1.对于未经细化处理的亚共晶Al-Si合金, 随着溶质硅含量的增加, 铸锭的晶粒尺寸首先逐渐减小, 在约3% Si处晶粒具有最小的尺寸。继续提高硅含量将使晶粒尺寸逐渐增大, 在近共晶点处具有最大的晶粒尺寸。

2.Al-3B中间合金对于含硅量较低的Al-Si合金具有较弱的细化作用。随着该中间合金加入量的提高, 获得最细晶粒尺寸的合金成分向高硅方向移动。在1%的加入量时, Al-3B中间合金能使Al-6Si合金具有最细的晶粒尺寸。同时, Al-3B中间合金的这种细化作用又随含硅量的继续增加而逐渐衰退。因此, 对含硅量较低 (<4%) 的Al-Si合金, Al-3B中间合金不是理想的细化剂;当含硅量较高 (硅达到5%~6%) 时, 提高Al-3B合金的加入量至1%时可具有显著的细化效果;当含硅量超过6%以后, 在1%的加入量时Al-3B中间合金已不能有效地细化Al-Si合金。