基于半固态加入P对过共晶铝合金制备方法的研究

刘 亮

（东华理工大学 机械与电子工程学院，江西 南昌 330013）

1 引言

近些随着社会经济的发展，汽车产业成为了国民经济不可或缺的重要支柱产业之一。据国务院发展中心一项研究表明：汽车工业对于相关工业的拉动作用达到1：10，即汽车工业1个单位的产出可以带动国民经济总体10个单位的产出，由此可见汽车行业在国民经济举足轻重的地位。汽车的核心部件之一是发动机，发动机的心脏就是活塞，因而活塞性能的好坏直接影响到发动机和整车的性能，所以对活塞材料的选择至关重要。常采用活塞的材料是亚共晶或共晶铝硅合金，但随着对发动机的发展方向趋向高速低耗，亚共晶或共晶铝硅合金材料已不能完全满足需求。本项目在结合前期对半固态铝合金坯料制备的研究工作，又同时加入变质剂磷，对过共晶铝硅合金做细化处理，获得最佳工艺参数，使方案具有实用价值，提供新型活塞材料制备方式。在此背景下，本项目拟开展对过共晶铝硅合金坯料制备的研究，过共晶铝硅合金含硅量高达17%～26%，具有合金密度小，线膨胀系数低、耐磨损、耐热、耐腐蚀，是理想的活塞材料。但过共晶铝硅合金的显微组织中，初生晶呈粗大板块状，共晶硅呈针条状，从而对基体产生严重的割裂，使得抗拉强度低，铸造性能差。项目针对此点，开展对过共晶铝硅合金的细化处理，选用含20%硅的过共晶铝硅合金，在坩埚中熔化，根据隔绝空气、保温等要求，研制适宜的搅拌装置，采用半固态成形方式赖控制硅相的技术，并确定最佳的搅拌温度、搅拌速度等工艺参数，半固态时采用磷作为变质剂进行细化处理，磷在合金液中与铝生成溶点高且细小的AIP化合物，AIP具有与硅相近的晶格结构和晶格常数，因而成为了Si结晶时的异质核心，产生异相生核作用，促使熔液中的硅晶坯和原子快速生长为晶核，使晶核数量大大增加，从而实现细化的目标。

2 解决的关键技术问题

基主要问题：①搅拌装置的设计（包括搅拌器材质的选择、搅拌器形状的选择、实现隔绝空气、保温调节的功能）；②磷作为变质剂对过共晶铝合硅晶粒度的影响（包括变质剂磷的加入方式、变质剂磷的加入量、变质剂磷的加入时处理温度、去气、保温的影响因素）；③机械搅拌对半固态时过共晶铝合硅晶粒度的影响（搅拌强度、搅拌时间的确定、搅拌温度的确定）。

关键技术：①新型搅拌装置及各控制器的设计；用磷做变质剂对半固态时的过共晶铝硅合金作细化处理。

实验方案

图2 方案流程图

图1 所示为铝硅合金二元相图，由图清楚可看其温度区间包括：固相线约577℃，液相线温度约为700℃。根据此图所示，可以初步确立搅拌温度基本数值范围。

解决方案：首先进行搅拌器装置设计，制作合乎要求的搅拌器装置；通过坩埚炉加热熔化后，进行机械搅拌，加入变质剂进行变质处理；取样做金相分析。通过分析对比，比较各种方式、参数下的金相图片，获得最佳工艺参数，如图2所示。

3 结语

结合前期对半固态铝合金坯料制备的研究工作，考虑应用半固态成形技术，应用熔体搅拌法在合金半固态时进行搅拌处理，同时加入变质剂，对过共晶铝硅合金做细化处理，获得最佳工艺参数，使方案具有实用价值，提供新型活塞材料制备方式的方法。

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