简介概要

复合变质对过共晶高硅铝合金组织和性能的影响

来源期刊：中国有色金属学报2002年第z1期

论文作者：张金山许春香韩富银

文章页码：107 - 110

关键词：过共晶铝硅合金；复合变质；晶粒细化

Key words：hypereutectic Al Si alloy； composite modification； grain fining

摘要：研究了复合变质对过共晶铝硅合金组织和性能的影响,实验结果表明:经采用ZXH复合变质剂变质处理后,过共晶铝硅合金中的初晶硅晶粒平均尺寸由变质前的250μm变为35μm,抗拉强度由变质前的178MPa提高到236MPa,冲击韧度由变质前的7J/cm²提高到15.4J/cm²。所使用的这种新型变质剂具有同时细化初晶硅和共晶硅的功效,且具长效性。由此说明,这种复合变质剂是一种强效变质剂,工艺宽容性好,便于在生产中推广应用。

Abstract: The effect of composite modifier on structures and properties of hypereutectic Al-Si alloy was studied.The results of experiment show the average grain size of primary Si phase in hypereutectic Al-Si alloy is changed to 35 μm from 250 μm, σ_b is changed to 236 MPa from 178 MPa. Impact toughness is changed to 15.4 J/cm² from 7 J/cm². At the same time, the novel modifier has the effect of fining primary Si phase and the effect is long term. So the composite modifier is a kind of strong effect modifier with perfect technology tolerance.

DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2002.s1.023

复合变质对过共晶高硅铝合金组织和性能的影响

张金山许春香韩富银

太原理工大学材料科学与工程学院

太原理工大学材料科学与工程学院太原030024

摘要：

研究了复合变质对过共晶铝硅合金组织和性能的影响 , 实验结果表明 :经采用ZXH复合变质剂变质处理后 , 过共晶铝硅合金中的初晶硅晶粒平均尺寸由变质前的 2 5 0 μm变为 35 μm , 抗拉强度由变质前的 178MPa提高到2 36MPa , 冲击韧度由变质前的 7J/cm2 提高到 15 .4J/cm2 。所使用的这种新型变质剂具有同时细化初晶硅和共晶硅的功效 , 且具长效性。由此说明 , 这种复合变质剂是一种强效变质剂 , 工艺宽容性好 , 便于在生产中推广应用。

关键词：

过共晶铝硅合金;复合变质;晶粒细化;

中图分类号： TG146.21

收稿日期：2001-09-11

基金：山西省自然科学基金资助项目 ( 2 0 0 10 2 4);

Effect of composite modifier on structures and properties of hypereutectic Al-Si alloy

Abstract：

The effect of composite modifier on structures and properties of hypereutectic Al-Si alloy was studied.The results of experiment show the average grain size of primary Si phase in hypereutectic Al Si alloy is changed to 35?μm from 250?μm, σ b is changed to 236?MPa from 178?MPa. Impact toughness is changed to 15.4?J/cm 2 from 7?J/cm 2. At the same time, the novel modifier has the effect of fining primary Si phase and the effect is long term. So the composite modifier is a kind of strong effect modifier with perfect technology tolerance.

Keyword：

hypereutectic Al Si alloy; composite modification ; grain fining;

Received： 2001-09-11

过共晶高硅铝合金具有较高强度、高硬度和良好的体积稳定性, 是一种理想的新型汽车、摩托车等活塞用合金。在这种材料中随着含硅量的增加组织中出现大量的初晶硅, 初晶硅作为硬质点可提高合金的耐磨性。但因其硬而脆, 特别是呈现粗大针片状的粗晶硅, 严重割裂合金基体, 并且硅相尖端和棱角部位会引起应力集中, 从而明显降低了这种合金的力学性能, 尤其是影响其塑性及耐磨性的提高, 还会使合金的加工性能变坏 ^[1,2] 。因此, 对这种合金施行变质处理, 以细化初晶硅, 改变初晶硅的形状和分布特点, 从而进一步提高其力学性能和改善加工性能具有重要意义 ^[3] 。

1 实验方法

实验用合金的原材料为99.0%铝锭、 1号结晶硅、 99.90%镁锭、 Al-50%Cu和Al-10%Mn中间合金锭。采用5 kW电阻炉和5^#石墨坩埚进行熔炼。首先配制成Al-26%Si的二元中间合金, 然后进行多元合金化处理, 最终获得含21.5%~23%Si, 1.5%~2.5%Cu , 0.6%~1.2%Mg, 0.5%~0.7%Mn的合金材料。

将合金材料熔化后在840 ℃采用C₂Cl₆精炼, 静置5~10 min钟后, 在840 ℃加入ZXH (P盐+Li盐+Sb+Al3Ti3B) 的复合变质剂, 经搅拌保温15 min后加入C₂Cl₆进行第二次精炼, 保温5 min并降温至800 ℃浇入d20 mm×100 mm的金属型中, 铸型预热温度为200 ℃, 待试样凝固冷却后采用T₆热处理工艺进行热处理, 而后进行组织和相关性能的测定。用Neophot-Ⅱ金相显微镜观察组织, 用HB-3000A硬度计测定硬度, 用扫描电镜观察冲击及拉伸断口。

2 实验结果

2.1 变质前后的铸态组织

图1所示为变质前后合金的金相组织。变质前的组织由初生硅+共晶体 (α+Si) 组成。由图1 (a) 可见, 变质之前, 初生硅呈尖角形板片状, 且十分粗大, 其平均尺寸为250 μm, 而且共晶硅也很粗大, 为长条状或粗针状。变质后, 初晶硅显著变小成为细小的多面体, 并向球状过渡。其平均尺寸为24~35 μm, 共晶硅也转变为短棒状或粒状, 如图1 (b) 所示。由此说明, 这种复合变质剂具有良好的变质效果。由于变质后的初晶硅变得细小规整, 从而有利于切削加工和提高力学性能 ^[4,5] 。

2.2 复合变质前后的热处理组织

观察发现复合变质处理前的试样经T₆热处理后, 组织仍然比较粗大, 尤其初晶硅仍为板片状, 共晶硅相也基本无变化, 如图2 (a) 所示。而复合变质后经过T6热处理的试样组织细化而均匀。初晶硅棱角变钝, 趋向圆整化, 共晶硅形态变为短棒状或颗粒状形态, 如图2 (b) 所示。

图1 过共晶铝硅合金的铸态组织

Fig.1 As-cast microstructures of hypereutectic Al-Si alloy (a) —Without modification; (b) —Modification

2.3 复合变质前后的力学性能

复合变质前后合金材料的常温力学性能对比见表1。表中数据说明, 复合变质前后合金材料的硬度变化不大, 但抗拉强度提高20%左右, 延伸率提高30%~70%, 增幅较大, 说明变质效果明显。

表1 过共晶铝硅合金的力学性能

Table 1 Mechanical properties of hypereutectic Al-Si alloy

State	σ_b /MPa	HB	δ /%	a_k / (J·cm^-2)	Wear /g
Before modification of as-cast	131.2	89.1	1.5	5.7	0.008
After modification of as-cast	157.6	90.2	2.0	9.50	0.004
Before modification of T₆	178.7	92.0	2.0	7.17	0.007
After modification of T₆	236.3	95.3	3.5	16.38	0.035

2.4 变质前后材料的断口特征

扫描电镜观察发现: 未变质试样的冲击断口表面为沿晶断裂加少量韧窝, 如图3 (a) 所示; 而变质后的冲击断口试样表面具有较多的韧窝和撕裂棱, 反映出较好的韧性特征, 如图3 (b) 所示。说明

图2 过共晶铝硅合金的热处理态组织

Fig.2 Heat treatment microstructures of hypereutectic Al-Si alloy (a) —Without modification; (b) —Modification

图3 过共晶铝硅合金的断口形貌

Fig.3 Impact fracture surface of hypereutectic Al-Si alloy (a) —Without modification; (b) —Modification

复合变质后材料具有较高的韧性和耐磨性。

2.5 变质的长效性

复合变质后, 在840 ℃进行保温, 在不同时刻取样, 初晶硅平均晶粒尺寸变化如图4所示。由图可见, 随时间延长, 晶粒尺寸并无太大变化, 即使保温4 h, 平均晶粒尺寸仍小于45 μm。说明变质剂对初晶硅不仅有很好的细化作用, 而且变质作用具有长效性。这是因为复合变质剂中的P与Al形成AlP, 熔点高达1 060 ℃ ^[6] , 很稳定, 不易分解烧损, 只要熔体温度不低于750 ℃, AlP质点就不会聚集成团, AlP质点作为异质核心就能保持很长时间, 而变质剂中Sb的存在, 进一步增加了变质效果的持久性 ^[7] , 使变质效果不衰退。所以, 工艺宽容性好。

图4 初晶硅平均晶粒尺寸与840 ℃保温时间的关系

Fig.4 Relation of average grain size of primary Si phase with holdingtime after modification

3 讨论

将复合变质剂加入过共晶Al-Si合金熔体之后变质剂中的磷在800 ℃时和铝液作用生成AlP, 其熔点为1 060 ℃。而过共晶铝硅合金一般熔炼温度却不超过900 ℃, 因而AlP就不会被分解, 且因其密度为2.85 g/cm³, 比液态Al-Si合金 (密度为2.68 g/cm³) 略高, 不会漂浮, 为此它可作为稳定的外来晶核。 AlP与Si都是立方钻石型晶体结构, 晶格常数又相近 (Si为0.545 nm, AlP为0.542 nm) , 最小原子间隙也十分相近 (Si为0.244 nm, AlP为0.256 nm) 。因此AlP是很好的异质晶核, 在凝固结晶过程中成为初生硅的结晶核心, 从而起到有效变质作用, 使初晶硅显著得到细化。

加磷虽能有效的细化初晶硅, 但不能细化共晶组织, 尽管快速冷却可使共晶组织略为细化, 但仍较粗大。因此如果在细化初晶硅的同时, 共晶硅也能得到细化才是理想的工艺选择。为此, 在复合变质剂中除有磷盐之外, 还加入Al3Ti3B中间合金。当过共晶铝硅合金熔体中加入Al3Ti3B中间合金后, 会形成许多TiB₂颗粒弥散分布于熔体中, 而中间合金中TiAl₃在熔体中的溶解会分解出过剩的Ti, 当存在溶解Ti时TiB₂会给Ti带来活动性梯度, 促使Ti原子向TiB₂与熔体界面上偏析。这样在TiB₂上形成了TiAl₃的沉淀薄层, 此层经包晶反应而使得α (Al) 成核, 并快速生长。这样就使共晶α (Al) 相与共晶硅以协同方式共生生长, 使共晶硅长成短棒状, 特别在成分过冷大的情况下, 使共晶硅趋成点状 ^[8,9,10] 。