变质剂对高硅铝合金标准样品组织均匀性的影响

赵 亮1,王敬丰1,朱学纯2,郝晓东1,钟 民1,潘复生1 (1

重庆大学材料科学与工程学院,重庆400030; 2西南铝业(集团)有限责任公司,重庆401326)

变质剂对高硅铝合金标准样品组织均匀性的影响

赵 亮1,王敬丰1,朱学纯2,郝晓东1,钟 民1,潘复生1 (1

重庆大学材料科学与工程学院,重庆400030; 2西南铝业(集团)有限责任公司,重庆401326)

采用金相观察和X射线衍射分析方法研究了A l2Sr,A l2P,Cu2P三种变质剂对高硅(22%,质量分数)铝合金标准样品组织均匀性的影响。结果表明:未添加变质剂的标准样品中初晶硅呈粗大板片状,且局部聚集成团,组织均匀性差;添加了A l2Sr变质剂后初晶硅得到了一定的细化,但共晶硅高度分枝,组织分布仍不够均匀;添加A l2P和Cu2P变质剂后,标准样品中出现了新相A lP,使得初晶硅由板片状变成了细小的多边形颗粒,且弥散分布于整个基体中,同时共晶硅析出明显减少,而初晶硅数量增多,标准样品的组织均匀性好。另外对比发现,添加Cu2P变质剂后的改善效果最为显著,组织均匀性最好,且其成分均匀性通过传统的极差法检测也完全符合标准样品的要求。本工作从组织均匀性上为高硅铝合金标准样品的制备提供了新的判据和参考。

变质剂;组织均匀性;初晶硅;共晶硅;高硅铝合金标准样品

由于高硅铸造铝合金热膨胀系数小,耐磨性和高温强度好,近年来被广泛应用于航天、航空、电力、建筑、电子等领域。随着高硅铸造铝合金应用范围的不断扩大,对其产品质量的要求也越来越高,因而对检验其产品质量的高硅铝合金标准样品的要求也越来越严格[1-4]。但现有的高硅铝合金标准样品含硅量都低于18%(质量分数,下同),对检验含硅量更高的铝硅合金产品存在困难。因此制造硅含量更高的铝合金标准样品成为当务之急。然而研究发现,当硅含量过高后,成分均匀性变得极难控制,特别是Si,Cu,M g等元素分布不均匀,且有初晶硅和共晶硅大量析出的现象。因此如何使高硅铝合金标准样品的成分均匀分布成为急待解决的问题。目前的研究表明,复合变质剂对高硅铝合金有很好的变质作用,能使高硅铝合金的组织明显细化,但复合变质剂所含元素种类太多,使得元素间的相互影响增大,加大了标准样品合金的成分控制难度,同时也为分析带来了误差[5]。因此迫切需要一种元素种类较少,又能达到充分细化效果的变质剂。为此,本工作从显微组织均匀性入手,研究了A l2Sr,A l2 P,Cu2P三种变质剂对高硅铝合金显微组织的影响,考察了其变质效果,探讨了其变质机理,并结合极差法对其化学成分进行了分析,为成功研制高硅铝合金标准样品提供了新的理论参考。

1 实验

1.1 原料及制备

实验选用工业用的高纯铝(99.99%)和高纯晶体硅片(99.9999%)配置成A l222%Si的过共晶铝硅合金。首先将原料预热后放入坩埚电阻炉进行熔炼,直至结晶硅全部熔化,然后除去表面熔渣,静置5～10m in后,进行变质处理。为了能够准确地控制变质剂的添加量,减少元素的烧损,分别以A l210%Sr,A l2 10%P,Cu210%P中间合金的形式加入,搅拌均匀后,迅速浇铸,以防止在高温停留时间过长,变质剂发生氧化等反应而失效。

1.2 分析测试

从未变质和分别采用不同变质剂变质的高硅铝合金铸棒上截取中部、次中部和边部的样品,通过腐蚀液(92m L H2O+6m L HNO3+2m L HF)腐蚀后,观察不同变质剂对金相组织的影响。X射线衍射分析在D/ MAX2500X射线粉末衍射仪上进行,采用铜靶材,扫描角度从20～100°,扫描速度为4(°)/min。

2 结果与讨论

图1为未变质和添加了A l2Sr,A l2P,Cu2P三种变质剂的高硅铝合金标样从中部到边部的显微组织。由图1可知,未变质的标准样品中初晶硅呈粗大板片状,而且棱角明锐,从中部到边部分布也不均匀,尤其到了铸棒的边部,初晶硅板片状的情况尤为明显,且呈现出局部聚集状态,分布很不均匀。添加了A l2Sr变质剂后,标准样品中的初晶硅有一定细化,但分布仍不够均匀,同时共晶硅高度分枝。这是由于变质剂在铝硅合金中分解为游离态的锶,吸附在硅相的表面,阻止了初晶硅按片状方式的生长,并使其产生孪晶,形成有助于晶体生长的孪晶凹谷,使共晶硅按孪晶凹谷机制生长[6,7],从而成为分叉较多的纤维状。而当添加了A l2P和Cu2P变质剂后,初晶硅由棱角分明的粗大板片状变成了不规则的多边形,棱角钝化,尺寸明显减小,且从中部到边部的组织都表现出很好的均匀性。

为了研究不同变质剂对高硅铝合金标准样品组织均匀性影响的机理,本工作对未变质和分别采用不同变质剂变质的高硅铝合金标准样品进行了X射线衍射分析,结果如图2所示:发现添加了A l2P和Cu2P变质剂的标准样品中出现了新相A lP。因此认为主要是A l2P和Cu2P变质剂所引入的磷元素生成的新相A lP细化了初晶硅,促进了组织的均匀化,使组织得到了改善。参阅文献发现[8,9],磷在合金液中容易与铝反应A l+P→A lP,生成熔点较高的A lP化合物,A lP的熔点在1000℃以上,与硅均为立方晶格结构(Si为金刚石型,A lP为闪锌矿型),而且它们具有相近的晶格常数(Si为0.543nm,A lP为0.546nm)和原子间距(Si为0.244nm,A lP为0.256nm)。根据结构相似的两个晶面之间界面能较低的原理,弥散的A lP质点可成为初晶硅的异质晶核,由于晶核数目增加,所以使初晶硅的晶粒细化。当合金液中出现大量的细小A lP质点时,初晶硅便以它为核心迅速结晶,从而结晶成大量而又细小的多面体块状晶体。另一个原因可能是A lP增加了溶液中硅原子集团的浓度起伏,并与Si结合成联键A lP—Si[10],促使原来溶液中硅晶胚和原子集团快速生长至晶核尺寸,而成为晶核,故使溶液中硅核心数明显增加。磷的变质作用,增加了初晶硅的晶核数目,抑制了初晶硅的长大,使晶粒减少,数量增多,分布更加均匀。

同时本工作认为由A l2P和Cu2P变质剂所引入的磷元素对共晶硅也具有变质作用。关于磷对共晶硅的变质机理,目前一般认为磷不能改变共晶硅的孪晶凹谷机制,使共晶两相界面倾向于小平面方式,而且在共晶转变前已达到临界尺寸的A lP颗粒全部作为初晶硅的核心而耗尽,至共晶凝固时,微小的悬浮A lP颗粒已经达不到临界尺寸而不能成为核心,因而磷对共晶硅没有变质作用[11]。但从图3(a)可以清楚看到,未添加变质剂时,高硅铝合金标准样品组织中具有大量的初晶硅,添加A l2P和Cu2P变质剂后,如图3(b), (c)所示,高硅铝合金标准样品组织中的共晶硅明显减少了。这是由于磷能促进高硅铝合金中初晶硅的析出[12],因此减少了形成共晶硅的硅含量,使变质后的共晶组织明显减少。而且这从图1中也可以得到证实,添加了A l2P和Cu2P变质剂后,组织中的初晶硅含量比未加变质剂时初晶硅的含量明显增多了。

图1 未变质和添加了不同变质剂的高硅铝合金标样从心部到边部的显微组织(a)未变质;(b)Al2Sr变质;(c)Al2P变质;(d)Cu2P变质Fig.1 The microstructure from center to edge of high2silicon aluminum alloy standard sample without modifier and with different modifiers (a)without modifier;(b)Al2Sr modifier;(c)Al2Pmodifier;(d)Cu2Pmodifier

图2 未变质和添加了不同变质剂的高硅铝合金标样XRD图谱Fig.2 The XRD pattern of high2silicon aluminum alloy standard samp le without modifier and w ith different modifiers

另外比较图1中添加A l2P和Cu2P变质剂的高硅铝合金显微组织,可发现添加Cu2P变质剂后标准样品的初晶硅更加弥散。这是因为铜在一定程度上有促进初晶硅析出的作用,另外Cu2P变质剂在发生反应时较A l2P变质剂更平稳,没有烟雾,吸收率较高,适于生产应用。

为了验证添加Cu2P变质剂后的高硅铝合金是否符合标准样品的要求,本工作根据GB/T15000—94《标准样品工作导则》规定,采用极差法对研制出的采用Cu2P变质剂的标准样品进行均匀性检验。极差法检验方法如下:

若R0≤AR,则总体均匀;若R0>AR,则总体不均匀。式中:为样品的最大组内平均值;?Xmin为样品的最小组内平均值为各组内极差平均值;A为与抽样数(m)、每组火花次数(n)及置信度(α)有关的统计常数。

图3 未变质和添加了不同变质剂的高硅铝合金标样局部放大组织(a)未变质;(b)A l2P变质;(c)Cu2P变质Fig.3 The local enlarge microstructure of high2silicon aluminum alloy standard samp le w ithout modifier and w ith different modifiers (a)w ithout modifier;(b)A l2Pmodifier;(c)Cu2Pmodifier

极差法检验结果如表1所示,结果表明均匀性全部合格。

表1 添加Cu2P变质剂的高硅铝合金标准样品极差法检验结果Table 1 The range analysis result of high2silicon aluminum alloy standard samp le w ith Cu2Pmodifier

3 结论

(1)实验中所添加的三种变质剂都使得高硅铝合金标准样品的组织得到了改善。其中A l2Sr变质剂在一定程度上细化了初晶硅,但组织分布仍不够均匀,同时共晶硅高度分枝;A l2P和Cu2P变质剂则使得初晶硅由棱角明锐的板片状变成了不规则的多边形,棱角钝化,尺寸明显减小,且弥散分布于整个基体中,组织均匀性良好。

(2)A l2P和Cu2P变质剂所引入的磷能促进高硅铝合金中初晶硅的析出,因此减少了形成共晶硅的硅含量,使变质后的共晶组织明显减少,初晶硅明显增多。

(3)相对于A l2P变质剂,Cu2P变质剂的细化效果更好,使得组织均匀性进一步提高,通过传统的极差法检验其均匀性也完全符合标准样品的要求,且适于生产应用,为高硅铝合金标准样品的制备从组织均匀性上提供了新的判据和参考。

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Influences of Modifier on M icrostructure Uniformity of High2silicon A luminum A lloy Standard Samp le

ZHAO Liang1,WANGJing2feng1,ZHU Xue2chun2, HAO Xiao2dong1,ZHONG M in1,PAN Fu2sheng1
(1 College of M aterials Science and Engineering,Chongqing University,Chongqing 400030,China;2 Southwest A luminium(Group)Co.,L td.,Chongqing 401326,China)

The influences of A l2Sr,A l2P,Cu2P modifier on m icrostructure unifo rm ity of high2silicon (22%,mass fraction)aluminum alloy standard samp les were investigated by using the op ticalmicros2 copy and X2ray diff raction.The results show that the microstructure unifo rmity of the standard sam2 p le w ithout modifying is poor because the p rimary crystal silicon is large sheet and gathers into clus2 ter.A fter adding A l2Sr modifier,them icrostructure of the standard samp le is show n to be unsatisfac2 tory uniformity because the p rimary crystal silicon gets a certain degree of refinement,but the eutectic silicon has a high degree of branching.After adding A l2Pand Cu2Pmodifier,themicrostructure of the standard samp le is homogeneous because new A lP phase making the p rimary crystal silicon change from the board sheet into a small polygonal particle and amount increases w hen the eutectic silicon is reduced.In addition,it can be founded that after adding Cu2P modifier the imp rovement ismore re2 markable and the unifo rm ity of o rganizations is better.A lso the unifo rmity of the composition meets the requirement for standard samp le even tested by the traditional range2method.Thiswork can p ro2 vide new criterion and reference for p reparation of standard samp le of high2silicon aluminum alloy ac2 cording to the microstructure uniformity.

modifier;m icrostructure unifo rmity;p rimary crystal silicon;eutectic silicon;high2silicon aluminum alloy standard sample

TB332

A

100124381(2010)0520092204

国家自然科学杰出青年基金资助项目(50725413);国家科技支撑计划项目(2007BAG06B04);重庆市科技攻关计划项目(CSTC, 2009AB4007)

2009208231;

2010202220

赵亮(1984—),男,硕士研究生,从事镁合金材料方面的研究工作,联系地址:重庆大学材料科学与工程学院(400030),E2mail:zha2 oliangisme@126.com

王敬丰(1971—),男,教授,从事镁合金材料方面的研究工作,联系地址:重庆大学国家镁合金材料工程技术研究中心(400030), E2mail:jfwang@cqu.edu.cn