半固态等温处理对预变形后过共晶铝硅合金组织的影响

孙 虎

(宿迁学院,江苏宿迁 223800)

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半固态等温处理对预变形后过共晶铝硅合金组织的影响

孙 虎

(宿迁学院,江苏宿迁 223800)

对预变形后的Al-25%Si合金进行半固态等温处理,研究了半固态等温处理工艺参数对合金组织的影响。利用光学显微镜观察组织,Image Pro Plus金相分析软件来测定初生硅平均直径和形状因子。结果表明,挤压变形后初生硅相的尺寸有明显的细化,但形态较差,而通过半固态等温处理后初生硅的颗粒得到明显的球化,但其平均直径有所增加。

过共晶铝硅合金;初生硅;半固态等温处理

过共晶铝硅合金具有良好的耐磨性和尺寸稳定性,是理想的活塞材料。但合金中存在着粗大的初生硅相,严重割裂了基体,在初生硅相的尖端和棱角处引起应力集中,合金易沿晶粒边界处开裂,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。如何改善初生硅组织形貌成为国内外过共晶铝硅合金应用研究的重点[1～4]。目前控制初生硅形态主要有机械搅拌、电磁搅拌[5,6]、变质处理法[7]等方法。这些方法存在操作复杂、成本较高或细化效果一般等缺点。半固态等温处理是近年来出现的半固态成形的新方法,已在制备半固态非枝晶上有一定的研究成果[8,9],它省略了传统半固态成形复杂的制坯过程,工艺简单、成本低廉,引起了金属材料行业的广泛关注,具有良好的推广应用前景。本文通过半固态等温处理预变形后的过共晶铝硅合金,研究了加热温度及保温时间对合金组织的影响,希望获得细小圆整的初生硅颗粒,为探求高性能、低成本的活塞材料提供理论和实践依据。

1 实验方法

实验采用材料为自制的含硅量为25%的过共晶铝硅二元合金。熔炼过程在井式电阻炉内进行。为了减少合金的氧化,采用六氯乙烷精炼剂和ZRQF清渣覆盖剂。将浇注完成的试样进行挤压,挤压在YA32-63液压机上进行,挤压温度为400℃,挤压比为5.4。从试样上截取10 mg左右的小块样品在综合热分析仪STA449C上进行分析,以确定液固两相区,并估算液相率以确定半固态等温处理的温度参数。半固态等温处理在箱式电阻炉内进行,加热温度控制在600℃、615℃、630℃、645℃分别保温10 min、15 min、20 min。

试样在加热后,经磨平抛光,用0.5%的HF腐蚀后进行金相观察。运用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。利用每个初生硅颗粒中穿过质点每隔2°测量一次直径,旋转一周后得到的所有直径取数学平均值,用这个平均直径来表示初生硅的尺寸。初生硅形态用形状因子K[10]这个参数,K被定义为:

其中L为初生硅相的周长,对初生硅相轮廓线上的像素数进行统计,求出之和,即初生硅相的周长;A为初生硅相的面积,统计初生硅相轮廓内所有像素,可以求出其面积。

2 结果与讨论

2.1 挤压变形前后的合金形态对比

挤压变形时金属受到三向压应力作用,可以焊合材料的内部缺陷,最大限度地发挥金属的塑性,可以用来加工一些难变形的合金。对合金在400℃进行挤压,并对比挤压前后的合金组织,如图1所示。

图1 挤压变形前后Al-25%Si的金相组织

图1(a)为未经变质的铸态组织,其中初生硅尺寸较大,形状为不规则的多边形状、五星瓣状,初生硅相分布不均匀,金相照片中为几个粗大块的初生硅占据。图1(b)所示为变形后的合金组织,组织中初生硅尺寸有显著的细化,并以小块状的为主,且初生硅的分布也较为均匀。过共晶铝硅合金中的初生硅为硬脆相,当进行挤压时将发生解理开裂,沿解理面被剪断后错动分开,在外力作用下不断发生脆裂,不断碎化,随着变形的进行,初生硅破碎严重,逐渐彼此分离。初生硅虽有未发生破裂的块状存在,但整体上看初生硅的尺寸比较细小。同时初生硅颗粒的尖角较多,形态因为挤压变形并没有明显改善。利用金相分析软件统计,初生硅的平均直径在经过挤压变形后迅速减小,由92μm降至42μm,而形状因子变化不大。

2.2 半固态等温处理温度参数的确定

金属的半固态等温加热温度要精确控制,同时坯料内部的温度差应尽可能小,以求坯料的液相分数准确。根据Al-Si二元相图估算,Al-25%Si合金的理论液相线温度为754℃,固相线温度为577℃。而熔炼过程的吸氢、精炼时带入的杂质以及挤压变形时的氧化损耗,都会致使其液固两相区的范围有所变化。半固态等温处理对于加热温度的精准性要求较高,因此实验利用所测的DSC曲线,使用热涵法[11,12]来确定液固两相区。在凝固过程中凝固潜热的释放量与固相凝固量成正比,因此可用放热曲线的面积比来确定合金的液固相比。由于冷却降温的速度较小且试样较小,可认为在降温过程中试样与系统设定温度保持一致,即试样近乎处于平衡状态。根据实验测定的数据,采用小步长面积积分,可以得到不同温度下的液相百分比[13]。

由热涵法测知Al-25%Si合金的液相线温度为736℃,固相线温度为567℃,并可绘出合金的液相率随温度变化曲线,如图2所示。合金的液固两相区较宽,因此半固态等温处理的加热温度的选择范围较大,Al-25%Si合金的半固态等温处理的工艺性较好。

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615℃对合金进行半固态等温处理,随保温时间延长观察金相组织变化,如图3所示。

可见随保温时间的延长,合金中初生硅颗粒略有长大,但并不明显。而初生硅的形态随保温时间延长逐渐发生变化,在保温15 min后有较多初生硅颗粒发生了显著球化,但保温20 min后反而有尖角长出,形态有些恶化。在半固态等温处理过程中,合金处于固相线以上,此时部分共晶组织熔化,处于液态。曲率半径较小的初生硅颗粒熔点低于曲率半径较大的颗粒,凹谷部位的曲率半径小,故其熔点低而首先熔化,继而使该凹谷部位曲率半径进一步减小而越熔越细,并最终熔断变成小颗粒组织,而块状的初生硅的凸起部位将不断长大,最终使得大颗粒变大而小颗粒逐渐被熔化消失,凹凸部位会被逐渐过渡平滑,形成近似球状的粒状组织[14]。挤压变形而后进行半固态等温处理来球化初生硅颗粒的方法,借鉴了半固态成形SIMA法,即利用预先的挤压变形细化初生硅并储存的变形能,然后将其加热到液固两相区保温一段时间,熔化部分液相渗入到小角度晶界中,使固相粒子分开,从而得到近球形的半固态坯料[15]。通过金相分析,发现在615℃保温15 min后其球化效果最好,形状因子为0.57。而平均直径增至49μm,初生硅颗粒有一定的长大,但不明显。

图3 615℃半固态等温处理时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

根据图2可以看出,在液固两相区内,液相率非常敏感地随温度变化而变化。在不同液相体积分数下合金的组织形态不尽相同,同时更高的等温温度也能给初生硅相扩散及熟化提供能量,所以在不同加热温度下初生硅的形态是不同的。对比Al-25% 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 不同半固态加热温度下保温15 min的金相组织

图4(a)为600℃时保温15 min的合金组织,可以看到在600℃时α相与硅相发生了分离,α相被液相包围,此时的α相接近于球形。此时初生硅形态虽有些改善,但是并不明显。对比图3(b)的615℃时保温15 min的组织,初生硅的球化效果明显好于600℃的等温处理温度,在初生硅的边界看不到尖角存在。这是因为初生硅颗粒处于液相的包围中,在界面张力的作用下,初生硅尖角处的硅原子向基体溶解,从而钝化了尖角。提高温度也会促进这种效果,但是半固态等温处理的温度并不是越高越好,如温度过高,反而会恶化初生硅的形态。图4(b)、图4(c)分别为630℃、645℃时保温15 min的合金组织,可以看到在过高的加热温度下,初生硅相在边界处又长出新的尖角,球化的效果变差,这是因为半固态等温处理中除了初生硅相的溶解球化还存在着长大的过程。通过金相分析,600℃、630℃、645℃保温15 min后初生硅的形状因子分别为0.47、0.52、0.39,可见半固态等温处理温度在615℃时的球化效果最佳。

3 结 论

1.挤压变形虽能显著细化初生硅颗粒,使其平均直径有明显减小,由92μm降至42μm,但其形状因子变化不大。

2.使用热涵法可以确定液固两相区以及液相率随温度变化曲线,可以为制定半固态等温处理工艺参数提供依据。

3.半固态等温处理预变形后的Al-25%Si合金可以显著球化初生硅颗粒,其形状变得更圆整,在615℃保温15 min后的形状因子可达0.57。

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Abstract:The semi-solid isothermal heat treatment was carried on to Al-25%Si alloy after deformation and the effect of isothermal heat treatment parameter on the structure of alloy was investigated.Microstructures were studied by mean of optical microscope;the average diameter and the nodularization of the primary silicon were measured using Image Pro Plus.The results indicated that extrusion deformation can significantly refine primary silicon,but the morphology was not very good.And primary silicon spheroidization occurred after the semi-solid isothermal heat treatment,but the average diameter increased.

Key words:hypereutectic Al-Si alloy;primary silicon;semi-solid isothermal heat treatment

Influence of Semi-solid Isothermal Heat Treatment on Microstructure in Hypereutectic Al-Si Alloy after Deformation

SUN Hu
(Suqian College,Suqian223800,China)

TG131

A

1003-5540(2012)04-0041-04

2012-06-25

孙虎(1986-),男,硕士,助教,主要从事有色金属材料的研究工作。