挤压及半固态等温处理对Al-30%Si合金组织的影响

孙 虎

(宿迁学院三系， 江苏 宿迁 223800)

0 引言

作为发动机的心脏零件，活塞的质量将直接影响发动机的性能.随着发动机向着高转速、低油耗、低噪音的发展，活塞材料被提出了更高的要求，更低的线胀系数、更好的尺寸稳定性以及更高的耐磨性，传统的共晶型铝硅合金已经越来越难以满足现在的应用需求.而高硅铝合金虽然能满足这些要求，但高硅铝合金中存在着粗大的初生硅相，严重割裂了基体，引起应力集中，合金容易沿着晶粒的边界处开裂，恶化了材料的力学性能和切削加工性能，限制了其工业应用[1-3].因此采用各种工艺和方法来改善初生硅颗粒的形态是目前高硅铝合金研究的关键问题[4,5].半固态SIMA法是利用大变形量的挤压变形来破碎晶粒并储存变形能，然后通过半固态等温处理来获得非枝晶的触变成形方法.SIMA法工艺简单，易于实现自动化，已应用于变形铝合金、铜合金、黑色金属等半固态坯料制备[6].本文借鉴了SIMA法的工艺路线，通过对未变质的高硅铝合金进行挤压变形来破碎初生硅相，然后半固态等温处理来获得细小圆整的初生硅颗粒，以探求一种廉价易行、适合工业生产的初生硅形态控制方法.

1 实验方法

实验采用材料为自制的硅含量为30%的过共晶铝硅二元合金.在经C2Cl6精炼后浇入金属型.将完成凝固的试样在YA32-63液压机上进行挤压，挤压温度为430 ℃，挤压比为5.4.在挤压后试样上取10 mg左右的小块样品在综合热分析仪STA449C上进行差热分析，得到试样DSC放热曲线.将试样切割成 的小块放入箱式电阻炉内进行半固态等温处理，加热温度控制在620 ℃，640 ℃，660 ℃，分别保温5 min，10 min，15 min.试样的保温时间以放入炉腔内算起，经保温时间加热后迅速取出水淬.

试样磨光抛光后，用0.5%的HF腐蚀后进行金相观察.运用Media Cybernetics公司的Image Pro Plus 专业图像分析软件进行初生硅形状、平均直径等参数的定量分析.初生硅的平均直径用每个初生硅颗粒中穿过质点每隔2°测量一次直径，旋转360°后所得的直径的数学平均值与比例尺的乘积来表示.初生硅形态用形状因子K[7]这个参数，K被定义为

其中L为初生硅相的周长，为初生硅相轮廓线上的像素数与比例尺的乘积；A为初生硅相的面积，为初生硅相轮廓内所有像素的总数与比例尺平方的乘积.

2 结果与讨论

2.1 挤压变形对初生硅颗粒的形态的影响

对高硅铝合金进行挤压变形，区别于SIMA法中的大变形量的预变形，其目的并不是为了细化碎化树枝晶，而是为了碎化初生硅相.对合金在430 ℃进行挤压，并对比挤压前后的合金组织，如图1所示.

图1(a)为铸态的合金组织，初生硅的分布很不均匀，形状多为粗大的多边形状，棱角明锐.图1(b)为挤压后的合金组织，可见经过挤压变形后初生硅颗粒明显破碎，分布较均匀，以小块状为主.初生硅为脆性相，在挤压时首先发生解理断裂，沿解理面被剪断后错动分开，在外力作用下不断脆裂和碎化.随变形的进行，初生硅严重破碎并逐渐彼此分离.Al-30%Si合金由于硅含量较高，初生硅的尺寸较大且形态较差，挤压变形时易碎裂，粗大的初生硅破裂成小块，初生硅尺寸迅速减小，其平均直径由110μm降至47μm.但其形态仍然较差，尖角较多.通过金相分析后发现，形状因子变化较小，由0.15升至0.19.

2.2 半固态等温处理温度参数的确定

根据Al-Si二元相图理论计算可知，Al-30%Si合金的理论固相线温度为577 ℃，液相线温度为818 ℃.但熔炼及挤压过程中的成分损耗，会使得其液固两相区的范围有所变化.实验利用所测的DSC曲线，使用热涵法[8,9]来确定液固两相区，半固态等温处理的温度参数选定应以此为依据.热涵法需要准确判断相变点，才能得到比较可靠的结果.热涵法是根据凝固潜热释放的多少来确定相变的数量，即凝固潜热的释放量与固相凝固量成正比.因此，可用DSC放热曲线的面积比来确定合金的液固相比[10].

由热涵法测知Al-30%Si合金的固相线温度为565 ℃，液相线温度为809 ℃，并绘出合金的液相率随温度变化曲线，如图2所示.可以看出合金的液固两相区高达244 ℃，因此半固态等温处理可以在较宽的温度范围内来选择合适的加热温度，Al-30%Si合金的半固态等温处理的工艺性极佳.

图2 液相率与温度关系曲线

2.3 半固态等温处理保温时间的影响

在640 ℃对合金进行半固态等温处理，其随保温时间延长组织变化，如图3所示.

在保温5 min时，初生硅周围的共晶体首先发生熔化，但共晶硅并未全部转变为液相，而是首先发生粒状化，分布在液相中，此时初生硅的形态并没有明显变化.在保温10 min时，粒状化的共晶硅逐渐与α相反应形成新的液相，液相率逐渐提高，此时初生硅相发生了显著的球化.这是因为有部分液相存在，在界面曲率和界面能的作用下，小的初生硅会逐渐熔化，而大的初生硅颗粒不断长大，且变得更加圆整，使得系统中的液固界面缩小，并降低系统能量.初生硅的长大过程需要Si原子的长距离扩散，在半固态状态不存在液相对流，扩散是一个较缓慢的过程，因此初生硅的有一定长大，但不明显.而当保温15 min时，部分初生硅相又再次长出尖角，这说明二次加热过程中不仅有初生硅的溶解球化，也存在长大过程.同时部分初生硅颗粒发生了凝并现象，凝并能降低初生硅相的界面能，使系统趋于稳定，因此应避免长时间保温.

通过金相分析，发现在640 ℃保温10 min时其球化效果最好，形状因子0.59.而平均直径增至50μm，初生硅颗粒有一定的长大，但并不明显.

图3 640 ℃加热不同保温时间的金相组织

2.4 半固态等温加热温度的影响

对于半固态等温处理，不同的加热温度对应着不同的液相体积分数，不仅会影响合金组织演变过程，同时也会影响合金的组织形态.对比Al-30%Si合金在不同半固态等温处理温度下保温10 min组织形态变化，如图4所示.

图4 不同加热温度保温10 min的金相组织

图4a为620 ℃下保温10 min的合金组织，可以看出此时的液相成分较低，α相与硅相已发生分离，在初生硅和α相的周围并没有完全充满低熔点的共晶液相，此时合金的扩散较慢且界面能驱动力较低，初生硅形态相对于等温处理前并没有发生明显变化.当等温温度提高到一定程度时，合金处于高液相率状态，部分α相开始熔化，液相体积分数越来越多，液相相互连接包围了初生硅相.而处于液相包围中的初生硅相，受到固液界面的表面张力和曲率过热的影响，开始粗化和球化.但是当加热温度升至660 ℃时，在球化的初生硅相边界上又长出新的尖角，形态反而有些恶化，这是因为温度提升而造成初生硅再次长大的结果.通过金相分析后发现，620 ℃保温10 min后初生硅的形状因子为0.37，而660 ℃保温10 min后的形状因子为0.41，可见半固态等温处理温度在640 ℃时的球化效果更好.

3 结论

(1)挤压变形能有效的细化初生硅颗粒，使其平均直径有明显减小，由110μm降至47μm，但其形状因子变化不大.

(2)使用热涵法测知Al-30%Si合金的固相线温度为565 ℃，液相线温度为809 ℃，并可绘出合金的液相率随温度变化曲线，可为制定半固态等温处理工艺参数提供依据.

(3)半固态等温处理过程中，初生硅不仅会熔化也有长大过程，因此半固态等温处理应选择合理的工艺参数，在640 ℃保温10 min后的初生硅球化效果较好，其形状因子可达0.59.

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