磁场作用制得亚共晶铝硅合金腐蚀剂的研究

段红萍

（福建信息职业技术学院，福州 350003）

磁场作用制得亚共晶铝硅合金腐蚀剂的研究

段红萍

（福建信息职业技术学院，福州 350003）

研究了旋转磁场作用下制得的亚共晶铝硅合金试样，在不同腐蚀剂作用下，宏观组织及微观组织的显示结果，分析了产生不同腐蚀结果的原因，得出了用于亚共晶铝硅合金宏观组织及微观组织观察的最佳腐蚀剂组分。

旋转磁场；亚共晶铝硅合金；腐蚀剂；宏观组织；微观组织

0 引言

铸造铝硅合金，常称“硅铝明”，是应用最广的一类铸铝合金。它具有优良的铸造性能、小的线收缩、高的流动性、良好的气密性和低的热裂倾向，并具有较高的抗蚀性和焊接性及一定的机械性能。常用作形状复杂、承受一定载荷的零件，如内燃机活塞、气缸体、风扇叶片、形状复杂的薄壁零件以及电机、仪表的外壳等。

铝硅合金在不同的凝固条件下可以获得不同的组织与性能。其中，采用旋转磁场细化晶粒并改变相的组成、形态和分布，可使铝硅合金获得更高的强度、韧性和抗腐蚀能力等综合性能［1］。金相分析技术所获得的结果是联系材料加工工艺科学及材料性能之间的重要桥梁，也是检查产品质量的依据之一。研究在旋转磁场下制得的铝硅合金宏观与微观腐蚀剂，分别找出显示特定相的腐蚀剂，进而探索腐蚀工艺，是研究分析旋转磁场对铝硅合金组织作用规律与机理的基础，也是更好地利用该技术探讨铝硅合金在成形及加工过程中产生各种缺陷的先决条件，亦是改进铸造工艺、提高铸件质量的前提保证。

1 实验设备及试样的制备

本实验的研究材料为含硅量4%的亚共晶铝硅二元合金，采用原材料为99.7%的工业纯铝和高纯结晶硅进行配制，其制备方法如下：

（1）材料的配制。选定好要配制的材料，计算好配比，在配比的过程中同时考虑材料的烧损。

（2）准备阶段。将所有要与高温铝液接触的用具及仪表等预热到200℃，刷上ZnO涂料后，再加热到400℃，直到涂层发黄然后停止烘烤，以免过烧产生涂料层破裂。

（3）熔化制取中间合金。接通电源，开启ZG－25A真空感应炉，当石墨坩埚呈暗红色时，加入大块铝锭。当铝温度到达铝的熔点（660℃）附近时，把事先预热好的并用铝片包住的结晶硅，用碳棒压入铝液内部，并用小块的工业纯铝压住，以免上浮。加料完毕，盖上真空炉炉盖，抽取真空炉中的气体并充入一定量的惰性气体（氩气）进行保压，防止合金元素的烧损及挥发。待合金升到较高的温度（目测有发白现象）时，将真空炉功率调至5kW，电压200V，保温1h，使合金均匀化。熔化好后，打开真空炉阀门通入大气，开启真空炉，造渣扒渣，将铝液浇入事先已准备好的试样模中。

（4）熔炼合金，制取实验试样。将制备好的中间合金在SX2－5－12箱式电阻炉中重熔，熔炼坩埚为铁坩埚。待铁坩埚呈暗红色，加入铝硅合金，将电压调至250V，进行快速熔化。待铝合金完全熔化后，加入覆盖剂。为去除铝液中的气体和各种非金属夹杂物，可采用六氯乙烷（C2Cl6）进行精炼。精炼完毕后，马上除渣，再撒上覆盖剂，保温静置10～15min后，再除渣，即可进行调温浇注。

待浇注的铸型为高纯石墨圆筒铸型，尺寸为Φ80／Φ70×150。将铸型放入制磁设备中，调好电压，接通电源，将金属液浇入铸型，使液体金属在旋转磁场作用下结晶，待结晶完后关掉电源，从设备中取出铸型和试样，使其在空气中自然冷却。

为了改变磁场大小，采用TSGC2J－20型接触式三相调压器进行调压；采用W300测温表，用来测量浇注温度；热电偶为镍铬镍硅铠装型，用来测量金属液温度。试样制取的实验参数由表1所示。

表1 铝硅合金

2 铝硅合金宏观腐蚀剂的研究

2.1 宏观试样的制备

从铸型中取出铸锭，用弓锯床截取铸锭距底部45mm的部分作为宏观试样，在砂轮机上倒角后，先用60＃、120＃砂纸粗磨，再用150＃、320＃、500＃、800＃、1000＃水磨砂纸研磨，直到表面光洁度较好，并有金属光泽为止。用水冲净、吹干，然后用腐蚀剂浸蚀，待腐蚀好后对宏观组织直接进行观察及拍照。

2.2 宏观腐蚀剂的种类与配制

本实验所选用的宏观腐蚀剂的种类见表2。

表2 宏观腐蚀剂

2.3 铝硅合金宏观腐蚀剂的研究

在没有施加旋转磁场时，对所制得的亚共晶铝硅宏观试样分别用表2中所列的3种腐蚀剂对其进行腐蚀，其腐蚀效果如图1所示。

图1 1－716℃－0试样在3种腐蚀剂下的腐蚀效果

从图1可观察出：腐蚀剂I（HNO3＋HCl＋HF＋H2O）对铝硅合金的腐蚀效果很好，可以清晰地分辨出柱状晶区与等轴晶区；腐蚀剂Ⅱ（NaOH）对于亚共晶铝硅合金的腐蚀效果很差，试样表面的组织经腐蚀后变得更加的模糊，完全辩论不出柱状晶区与等轴晶区的范围；体积分数较低的腐蚀剂Ⅲ（HNO3＋HCl＋HF＋H2O）对亚共晶铝硅合金的腐蚀效果也不好。

产生以上各种腐蚀效果存在差别的主要原因在于：铝硅合金中主要含有α（Al）和共晶Si 2种相，2种相在试样中的电极电位不一样，即在试样上存在着许多电极电位不同的微区域。当试样表面与腐蚀剂接触后，试样表面与溶液界面就会形成很多微电池［2］。在不断的接触过程中，电极电位较负的晶界或合金成为阳极，不断失去电子，而电极电位较正的金属基体则为阴极，接受阳极搬来的电子，这样，电子便会与腐蚀介质中的正离子发生反应。在酸性（腐蚀剂I）腐蚀剂中，存在大量的H＋离子，当试样与腐蚀剂接触时，便发生电化学反应，使α（Al）相和共晶Si相在不同的溶解速度下反应，腐蚀完后，便形成了凹凸不同的表面，在光线的照射下可以观察到明显的不同［3］；在碱性（腐蚀剂Ⅱ）溶液中，铝硅合金中的α（Al）会和碱性溶液中的OH－离子作用生成黑灰色的氧化铝，使得铝硅合金在NaOH溶液中的电化学反应无法继续进行，所以铝硅合金在酸性腐蚀剂中的腐蚀效果比较好，而在碱性腐蚀剂中的效果不好。同时，随着酸性腐蚀剂中酸浓度的提高，溶液中H＋离子的数量就越多，则微电池效应就越明显，所以腐蚀剂I的腐蚀效果比腐蚀剂Ⅲ好。

3 铝硅合金微观腐蚀剂的研究

3.1 微观试样的制备

在宏观试样12－716℃－120的柱状晶区与等轴晶区中取样，选取靠近试样中心的面作为观察面。将试样在砂轮机上倒角后，用60＃、120＃砂纸粗磨，再用280＃～1500＃水磨砂纸研磨，待表面划痕较少并且方向一致时，用抛光机进行抛光，直到试样表面呈镜面、无划痕，再用大量水冲洗，之后用酒精清洗并吹干，然后用腐蚀剂浸蚀。微观组织观察在XJG－04卧式光学显微镜（OM）上进行，并对典型视场进行拍照。

3.2 微观腐蚀剂的种类与配制

本实验所选用的微观腐蚀剂种类如表3所示。

表3 微观腐蚀剂

3.3 铝硅合金显微腐蚀剂的研究

对所制得的铝硅合金微观试样分别用表3中所列的5种腐蚀剂对其进行腐蚀，其腐蚀效果如图2所示。

由图2可知，腐蚀剂Ⅴ（HNO3＋H2O）对亚共晶铝硅合金的腐蚀效果较差；与腐蚀剂Ⅳ（HF＋H2O）与腐蚀剂Ⅴ（HNO3＋H2O）相比，腐蚀剂Ⅵ（HF＋HNO3＋HCl＋H2O）的腐蚀效果更佳，组织中的2种相分辨更清楚，而且可以观察到柱状晶区的组织比等轴晶区的组织更细长，也更有方向性。亚共晶铝硅合金在腐蚀剂Ⅵ（HF＋HNO3＋HCl＋H2O）中的电极电位差可以很好地发挥作用，使2种相在腐蚀剂中形成微电池化学反应，使2种相的腐蚀剂中的溶解速度不同，从而显示出了不同组织。

亚共晶铝硅合金试样经腐蚀剂Ⅶ（NaOH＋H2O）腐蚀后，虽然基本可以分辨出柱状晶与等轴晶组织，但两相对比性不是很明显，较为模糊。但也可以观察到柱状晶组织比等轴晶组织更加细长，更有方向性。

在1000X的放大倍数下可知，腐蚀剂VⅢ（HF＋HNO3＋HCl＋HPO3＋H2O）对铝硅的腐蚀效果非常好，共晶硅组织的含量随着含硅量的提高而增加，等轴晶的组织比较短小均匀，柱状晶组织明显被拉长。

微观腐蚀剂的腐蚀原理与宏观腐蚀剂的腐蚀原理是完全相同。当铝硅合金置于酸性腐蚀介质中

而在共晶硅相处，其发生的反应为：

由于阴极处溶解速度较慢，阳极的腐蚀速度快，所以在腐蚀后的试样表面上，共晶Si呈凸起状，而α（Al）呈凹陷状［5］，这样在金相显微镜下就可以很好地分辨出不同的相组织。而且，腐蚀剂中的H＋体积分数越大，对试样的腐蚀效果就越好，所以腐蚀剂Ⅷ（HF＋HNO3＋HCl＋HPO3＋H2O）对铝硅合金的腐蚀效果最好。

在碱性腐蚀剂中，由于铝是一种两性金属，可以和OH－作用，发生以下反应：

而氧化铝在室温下呈黑灰色，所以用NaOH水溶液进行腐蚀时，试样表面就易形成一层黑膜，这也是宏观试样在NaOH水溶液中进行腐蚀时表面变黑的主要原因。腐蚀后，铝硅合金试样在用金相显微镜观察之前，还需用硝酸水溶液清洗，洗去氧化铝黑膜。而酸洗的时间及质量较难控制，所以相对于酸性腐蚀剂的腐蚀效果，经碱性腐蚀剂腐蚀后，铝硅合金的两相组织对比性不是很明显，比较模糊，故碱性时，腐蚀剂中的H＋离子对试样中的两相可以起到很好的电离作用，对两相间形成的微电池反应有很好的促进作用［4］。铝在试样中的电极电位较低，在腐蚀剂中作为阳极而被腐蚀，逐渐溶解，发生的反应如下：腐蚀剂对铝硅合金试样的腐蚀效果不是十分理想。

图2 2－716℃－120试样在微观腐蚀剂下的腐蚀效果

4 结语

亚共晶铝硅合金的宏观腐蚀剂中，腐蚀剂Ⅰ：15mL HNO3＋45mL HCl＋15mL HF＋25mL H2O的腐蚀效果最好，能很明显地显示晶粒与晶区；微观腐蚀剂中，腐蚀剂Ⅷ：15mL HNO3＋45mL HCl＋15mL HF＋10mL HPO3＋115mL H2O的腐蚀效果最佳。

［1］曹志强，张永安，金俊泽.材料电磁工艺的现状及最新发展［J］.中国有色金属学报，1997，7（S1）：348－350.

［2］韩至成，周士平，丁宝利.电磁铸造实验和数值模拟［J］.北方工业大学学报，1993，5（3）：52－60.

［3］张廷安，杨欢，魏世巫，等.电磁技术在冶金中的应用［J］.材料导报，2000，14（10）：23－25.

［4］班春燕，巴启先，崔建忠，等.磁场作用下铝合金的微观结构［J］.东北大学学报，2002，23（8）：779－782.

［5］朱明原，史文，杨森龙，等.电磁搅拌作用对铝合金显微组织的影响［J］.中国有色金属学报，1999，9（7）：29－34.

［6］耿雪峰，徐宏，张莉.电磁技术在材料加工过程中的应用与发展［J］.大型铸锻件，2005（3）：4－8.

Research on the corrosive agent of hypoeutectic Al－Si alloy effected by magnetic field

DUAN Hong－ping
（Department of Mechanical Engineering，Fujian Polytechnic of Information Technology，Fuzhou350003，China）

This paper studies the samples of hypoeutectic Al－Si alloy effected by rotating magnetic field，the corrosive results of the macroscopic and microscopic structures which eroded in different corrosive agents.This paper also analyzes the reasons of the different corrosive results，and draws a conclusion about the best corrosive agent for macroscopic and microscopic structures of hypoeutectic Al－Si alloy.

rotating magnetic field；hypoeutectic Al－Si alloy；corrosive agent；macroscopic structure；microscopicstructure

TG391

：A

：1009－8984（2014）01－0052－05

10.3969／j.issn.1009－8984.2014.01.013

2014－02－25

段红萍（1979－），女（汉），黑龙江望奎，讲师，硕士主要研究材料成形。