复合变质高硅铝合金热分析研究

周鹏飞，阎峰云

（兰州理工大学，甘肃兰州 730050）

复合变质高硅铝合金热分析研究

周鹏飞，阎峰云

（兰州理工大学，甘肃兰州 730050）

本文主要分析了Al20wt%Si经过P、Sr、RE变质的反应。结果表明：经过4%CuP10+1%AlSr13+15%AlRE10变质的Al20wt%Si，初晶硅变的细小、圆整；等轴树枝晶状a-Al均匀分布在基体上，共晶硅呈点状、纤维状。同时本文记录了其冷却曲线，着重分析了合金内部形核与生长的过程，结合X衍射分析得出：合金内有多种化合物存在。

变质；初晶硅；a-Al；共晶硅；冷却曲线

1 绪论

铝合金应用范围极其广泛，仅次于铸铁合金。由于过共晶铝硅合金的耐磨性好、密度小、热膨胀系数小、热稳定性好、导热性好等优点被广泛运用于汽车内燃机[1-5]。然而过共晶铝硅合金的不规则、粗大、板块状的初晶硅和长针状的共晶硅严重割裂了基体，影响了合金的性能，因此过共晶铝硅合金的应用又受到了一定的限制。目前高硅铝合金的制备，主要有普通铸造、快速凝固、喷射沉积等。由于普通铸造工艺简单、成本低廉、适合工业化生产而被广泛运用。但传统铸造得到的高硅铝合金初晶硅粗大，共晶硅呈树枝状[6]，这无疑严重影响其性能。经过复合变质处理的高硅铝合金能有效细化枝晶[4-11]。本文主要研究了经过P、Sr、RE复合变质的Al20wt%Si合金中的各相的变化。

2 实验方法

Al20wt%Si合金由99.9%的工业纯铝和Al30 wt%Si中间合金制得。将原料放入石墨坩埚中置入硅碳棒炉中加热至900℃，然后降温至750℃加六氯乙烷精炼，扒渣保温30min。然后在750℃加入CuP10,搅拌保温 20min；仍保持在 750℃加入Al10wt%RE，搅拌后继续保温20min；将温度降至720℃加入Al13wt%Sr并搅拌，保温15min，最后扒渣浇注。模具为钢模，预热温度200℃，模具尺寸ø12mm×150mm。表1为各变质剂的加入量及加入温度和保温时间。

表1 变质剂加入量、加入温度及保温时间

3 结果与分析

3.1 显微组织

图1a为未变质Al-20Si,初晶硅呈粗大的块状，枝晶状的共晶体 (a-Al+共晶Si)，几乎等大的a-Al相。a-Al相嵌入共晶体中。灰色的共晶硅分布在初晶硅和a-Al相之间。经过4%CuP10+1%AlSr13+15%AlRE10变质后，初晶硅相初晶硅变的细小、圆整；等轴树枝晶状a-Al均匀分布在基体上，共晶硅呈点状、纤维状，如图1b。

3.2 冷却曲线

图2是经过4%CuP10+1%AlSr13+15%AlRE10变质Al-20Si合金冷却曲线。根据dT/dt曲线的变化，并对应到T－t曲线上，较为清楚地反应了合金凝固时的相变过程（见图中标注与说明）。共晶形核温度TN和共晶生长温度TG是以再辉温度TM前、后在dT/dt曲线第一个特变点，并对应到T－t曲线上，求出相应的共晶转变的特征温度。图中点A到点N为初生硅相的析出过程；点N为共晶形核温度；点M为共晶再辉(TMim)温度，到共晶开始生长温度(即点G，TG)，在T－t观察到温度有微小的上升，说明共晶大量晶核形成并开始生长；随后出现共晶平台，共晶析出的相变潜热和体系的散热达到动态平衡。

热分析是反映凝固过程中相变潜热与系统对外散热的相互关系。dT/dt曲线是反映冷却速率随时间的变化关系，并能反映凝固过程中相的形核、生长的详细信息。图2中点A到N为初生硅的析出过程，随着初生硅相的开始析出，│dT/dt│随时间的变化一直到零线(即：│dT/dt│＝0，图中点 B)，说明在这一过程中，初生硅相的大量析出，使系统处于瞬间平衡；进一步观察dT/dt曲线的变化，点B到点P，│dT/dt│随时间延长而增加(│dT/dt│≈0.38)，说明其相变潜热相对要少，初生硅相的析出量较前要少，其生长已进入中后期。值得注意的是，在P、Q之间，│dT/dt│又向零线接近（即相变潜热稍微增大），说明又有新相形核、生长。反之如果没有新相形核生长，│dT/dt│的数值应该进一步增大，因为在初生硅相析出中后期，其析出数量、析出速度相对要小，也就是释放的潜热要少，即│dT/dt│要相应增大。这充分说明，在P-Q段，除了初生硅相析出外，一定有新的相析出、生长。由于合金中杂质元素较多，究竟是什么样的相，就目前试验结果难以确定。但可以推测这些先共晶前析出相有可能作为共晶形核的衬底。正如Stuart[12]所指出的在共晶转变前，熔体中存在大量未知的晶核。同时，随着共晶转变将要发生，熔体温度下降，各种有形核能力的杂质元素，都有可能成为共晶形核的衬底。反应到热分析曲线上，即N-G段。说明是共晶的大量形核，随后进入共晶生长阶段。

3.3 XRD分析

在上面的热分析中，知道有新相析出，但从热分析曲线上并不能得出，本文继续做了有关4%CuP10+1%AlSr13+15%AlRE10变质Al-20Si合金的X衍射分析。如图3,图中已经标出各种可能的化合物。验证了热分析中所提出的有化合物析出，但这些化合物是否是充当了异质形核的基底，这点通过前面的实验还无法证实。单就从以上几种化合物来讲，复合变质时，稀土元素不但有去除合金的有害相—Fe相，还能和P发生反应形成CeP、CeP5等相。这些化合物以什么形式存在，现在还不清楚，需要进一步研究。

经过4%CuP10+1%AlSr13+15%AlRE10变质后，合金组织均匀，尺寸较小，形状圆整，变质效果较好。本文认为，经过CuP10和AlRE10先变质后的合金获得较小的初晶硅和共晶硅，再加入AlSr13时，由于锶对初晶硅有裂解作用[13-17]，因此提供了更多的孪晶凹角，更有利于初晶硅的形核，所以初晶硅越来越小。

4 结论

（1）4%CuP10+1%AlSr13+15%AlRE10变质后，初晶硅相初晶硅变的细小、圆整；等轴树枝晶状a-Al均匀分布在基体上，共晶硅呈点状、纤维状。

（2）积分曲线中，在P-Q段，除了初生硅相析出外，一定有新的相析出、生长。

（3）经过CuP10和AlRE10先变质后的合金获得较小的初晶硅和共晶硅，再加入AlSr13时，由于锶对初晶硅有裂解作用，因此提供了更多的孪晶凹角，更有利于初晶硅的形核，所以初晶硅越来越小。

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The Thermal Analysis on High Al Si Alloys with Compound Modification

ZHOU PengFei,YAN FengYun
（Lanzhou University of Science and Technology,Lanzhou 730050,Gansu China）

The modification response of Al20wt%Si alloys has been studied with P、Sr、RE addition,resulting in that primary Si became smaller,finer,and rounder in modified alloys,cellulous equiaxed primary a-Al dendrites uniformly dispersed in the matrix,and eutectic Si presented punctiform or threadiness when adding 4%CuP10+1%AlSr13+15%AlRE10,with cooling curve registered.With emphasis on the analysis of the cooling process and the case of nucleation in the internal alloy,and combined with X-Ray analysis,it has been obtained that there were many chemical compounds in the alloy.

Modification;Primary Si;a-Al;Eutectic Si;Cooling curve

TG146.2+1;

A；

1006－9658（2012）02－0053-3

2011－12－06

稿件编号：2011－168

周鹏飞（1988-），男，硕士在读，主要研究方向半固态铝合金成形