简介概要

过共晶铝硅自生梯度复合材料的组织与性能

来源期刊：中国有色金属学报2002年第3期

论文作者：李克王俊周鸣张雪萍孙宝德周尧和

文章页码：521 - 524

关键词：电磁分离；过共晶铝硅合金；初生Si相；自生梯度复合材料

Key words：electromagnetic separating; hypereutectic Al-Si alloy; primary Si phase; in-situ FGMs

摘要：用电磁分离工艺成功制备了初生Si相体积分数、材料显微硬度和耐磨性沿径向呈梯度分布的棒状复合材料，讨论了梯度层的形成过程。微观组织观察和力学性能测试结果表明：在近外壁区域形成了体积分数高达16%的细小初生Si相偏聚区，此区硬度高，耐磨性好，中心区为细小和均匀的共晶组织，两部分之间为颗粒体积分数渐变的过渡区，可使耐磨层与基体的结合强度得到保证。

Abstract: Hypereutectic Al-Si functional graded materials(FGMs) were produced by electromagnetic separating process. It is found that Si primary particles are formed at the outer zone of the cylinder like samples with graded distribution and its volume fraction reaches 16%. Results show that the hardness and wear resistance also exhibit graded distribution along the radial direction.

DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2002.03.023

过共晶铝硅自生梯度复合材料的组织与性能

李克王俊周鸣张雪萍孙宝德周尧和

上海交通大学材料科学与工程学院

上海交通大学材料科学与工程学院上海200030

摘要：

用电磁分离工艺成功制备了初生Si相体积分数、材料显微硬度和耐磨性沿径向呈梯度分布的棒状复合材料 , 讨论了梯度层的形成过程。微观组织观察和力学性能测试结果表明 :在近外壁区域形成了体积分数高达16 %的细小初生Si相偏聚区 , 此区硬度高 , 耐磨性好 , 中心区为细小和均匀的共晶组织 , 两部分之间为颗粒体积分数渐变的过渡区 , 可使耐磨层与基体的结合强度得到保证

关键词：

电磁分离;过共晶铝硅合金;初生Si相;自生梯度复合材料;

中图分类号： TB331

收稿日期：2001-06-21

基金：国家重点基础研究发展规划资助项目 (G19990 6 490 0 -4 );国家自然科学基金资助项目 ( 5 98710 2 9);

Microstructure and properties of in-situ hypereutectic Al-Si functional graded materials

Abstract：

Hypereutectic Al-Si functional graded materials (FGMs) were produced by electromagnetic separating process. It is found that Si primary particles are formed at the outer zone of the cylinder like samples with graded distribution and its volume fraction reaches 16%. Results show that the hardness and wear resistance also exhibit graded distribution along the radial direction.

Keyword：

electromagnetic separating;hypereutectic Al-Si alloy;primary Si phase;in-situ FGMs;

Received： 2001-06-21

很多合金中的自生相具有硬度高、耐磨耐蚀性好、热膨胀系数小等优异的物理和力学性能, 可用作增强相。采用激光熔覆 ^[1] 、电磁搅拌 ^[2] 和离心铸造 ^[3] 等工艺可以控制自生相在基体中沿深度方向的分布, 形成自生梯度材料, 其中离心铸造工艺可以使凝固过程中析出的初生相在离心力作用下运动并偏聚到管件的内壁, 提高内壁的耐磨性 ^[4] 。在实际应用中, 常需要零件外表面具有良好的耐磨性, 因此为了获得具有足够强度的耐磨合金, 可以设计这样一种具有梯度微观结构特征的材料: 在表面层分布高体积分数的硬质颗粒以获得良好的耐磨性, 向内部延伸分布体积分数逐步减小的相同颗粒以获得更好的强度和韧性。电磁分离工艺可达到此目的。过去, 人们把电磁分离法作为净化金属熔体的新工艺进行研究, 其中线圈感生交变磁场方式可对其中的柱状金属熔体产生指向轴心的电磁力, 从而将熔体中的非金属夹杂排挤到分离器壁而除去 ^[5] 。同样地, 可利用合金液中的多数自生相与合金液电导率差异很大的特点, 使之迁移到熔体表面层, 形成外层富集自生增强相的梯度材料。

作者以过共晶铝硅合金为对象, 用电磁分离工艺使凝固过程中析出的初生Si相在基体中形成沿径向的梯度分布, 并对此梯度材料的微观组织和性能进行分析。

1 实验

用工业纯Al和工业结晶Si在井式电阻炉中配制成Al-24%Si (质量分数) 过共晶合金。图1所示是电磁分离装置示意图。连接在高频电源 (IGBT) 输出端的感应线圈中可产生频率为15.6 kHz的交变磁场。用石墨坩锅在电阻炉中熔化约500 g合金液, 加入1.5%复合变质剂, 在780 ℃左右保温30 min, 开启电源, 线圈内最大磁感应强度为0.075T, 将合金液浇注于底部放置的水冷铜模的石膏型 (室温) 中, 自然冷却后得到尺寸为d25 mm×100 mm的圆棒状试样1。另外, 浇注不加电磁力、其它条件相同的试样2作为参照。

图1 电磁分离法制备装置示意图

Fig.1 Schematic illustration of electromagnetic separating process with copper mould water cooling system

将试样1沿长度方向对称面横向剖开并抛光, 用0.5%HF水溶液浸蚀试样, 在Olympus PMG-3型光学显微镜上观察其显微组织, 用LECO 图像分析系统定量测定初生Si相体积分数沿径向的分布。用HClO₄-酒精混合溶液电解抛光试样后观察初生Si相的宏观分布。用HXD-1000型显微硬度计测定试样横剖面上沿径向的显微硬度。在MPX-2000盘销式摩擦磨损试验机上测试干摩擦条件下试样1外层和中心部位以及试样2的磨损速度, 摩擦面积为19.6 mm², 对磨盘为45^#钢, 转速为370 r/min, 摩擦半径为12 mm, 载荷20 N, 实验周期30 min。

2 结果与讨论

试样1横断面的宏观组织如图2所示。可以看出在近外壁4～6 mm厚的区域分布着高体积分数的初生Si相。试样1沿径向不同位置的显微组织如图3所示。在近壁面偏聚区域, 初生Si相的尺寸较小 (20～40 μm) , 形态为多面体状, 表明变质细化的效果明显; 在过渡区, 初生Si相尺寸相对较大 (50～80 μm) ; 中心区域的组织细小且均匀, 由于大部分初生Si相向外迁移, 其成分接近共晶组织。图4所示是试样横断面上初生Si相体积分数沿径向的分布 (图中r₁表示圆棒半径) 。可以看出, 宽度占40%范围的偏聚区内初生Si相的体积分数比较接近 (14%～17%) , 在靠近外壁面处达到一峰值。从偏聚层到过渡区初生Si相的体积分数变化较突然, 从过渡区到中心区则较平缓, 表明圆棒试样的微观组织具有初生Si相沿径向呈渐变梯度分布的特征。

电磁分离工艺利用的原理是, 在交变磁场中, 金属熔体会受到指向轴心的电磁挤压力作用, 熔体

图2 试样1横断面的宏观组织照片

Fig.2 Macrostructure of cross section of sample 1

图3 试样1的微观组织照片

Fig.3 Microstructures of sample 1 (a) —Inner area; (b) —Transitional area; (c) —Outer area

图4 初生Si相体积分数沿径向的分布

Fig.4 Particle volume fraction distribution along radial direction of sample

中导电率小或不导电的颗粒则受到相反方向的力作用, 并沿径向向外部迁移 ^[5] 。在合金液温度降低时, 初生Si相不断析出和长大, 在上述电磁力的作用下向外壁面迁移而形成偏聚层。根据Stocks公式可推导出球形颗粒迁移速度与颗粒直径的平方成正比 ^[7] :

$v_{p} = \frac{d_{p}^{2}}{24 μ} ? f_{p} ? ? ? (1)$

式中 f_p为作用于夹杂颗粒的电磁挤压力, N; d_p为夹杂颗粒粒径, μm; μ为熔体的粘度, Pa·s。

由式 (1) 可以看出, 粒径越大的初生Si相其迁移速度越快, 因此越接近型壁, 生成初生Si相的粒径越大。但是, 由于采用水冷铜模加速冷却, 随着液/固界面由外向内推移, 初生Si相会很快地被快速移动的液/固界面所阻挡和捕获, 初生Si相可移动的距离较短, 而中心区域由于冷却速度较慢, 处于过渡区及中心区的初生Si相可能长大得比近外壁区的更大。因此, 最终形成了在径向上初生Si相颗粒半径和体积分数呈梯度分布的自生梯度复合材料, 通过优化和控制连续铸造成型的各项工艺参数, 可进而获得表面耐磨的梯度棒材和管材。

铸态试样沿径向的硬度分布如图5所示。与初生Si相体积分数沿径向的分布相对应, 含初生Si相体积分数越高的区域, 其平均硬度值越大。不同区域的耐磨性测试结果见图6。可见磨损速率与初生Si相的含量有关。初生Si相的维氏显微硬度最高达到800 HV以上, 因此, 在含有高体积分数初生Si相的近外壁区域, 磨损量较中心部位减少了一倍。中心部位的磨损量比未经电磁分离处理的Al-24%Si (质量分数) 过共晶合金的稍大, 说明由于初生Si增强相被分离到了外部而降低了耐磨性, 但是仍可保持一定的强度和韧性。这表明, 电磁分离法可使材料的成分组成和力学性能获得最优分布, 制备外表面耐磨性能好的梯度复合棒材, 使外部接触层耐磨, 中心部位保持足够的强度和韧性,

图5 试样中沿径向的硬度分布

Fig.5 HV hardness distribution along radial direction of sample

图6 不同位置的磨损量比较

Fig.6 Mass loss of different site in samples

而且形成了颗粒体积分数渐变的过渡层, 可使各部分之间的结合强度得到保证。

在理想的稳恒力场作用下颗粒的迁移及分布可通过理论来计算, 但是温度场随时间、位置不同而发生变化, 且初生相具有原位生成和粒径随时间变化的特点, 因此, 初生Si相在梯度材料中的形成和分布规律较为复杂, 还有待进一步研究。