扩散加热与半固态加热球化初生硅颗粒的效果比较

孙 虎，吴斐斐，傅小明

（江苏省宿迁学院三系，江苏 宿迁 223800）

扩散加热与半固态加热球化初生硅颗粒的效果比较

孙 虎，吴斐斐，傅小明

（江苏省宿迁学院三系，江苏 宿迁 223800）

通过对磷盐变质后的高硅铝合金分别进行扩散加热与半固态二次加热处理，对两种加热处理后的初生硅组织特征进行了总结分析。扩散加热处理可以让初生硅相有一定的改善，而通过半固态二次加热使初生硅的颗粒得到显著球化，其形状因子为0.61，但其颗粒长大严重。

高硅铝合金；初生硅；扩散加热；二次加热

0　前言

高硅铝合金具有热膨胀系数小、密度小，耐磨和耐蚀性能好等特点，适合于目前内燃机向高功率、高速度发展的趋势，节省燃料，降低污染，正成为传统共晶铝硅活塞的更新换代材料。但是高硅铝合金中初生硅颗粒过于粗大，严重降低了材料的力学性能和切削性能。如何改善初生硅组织形貌成为国内外高硅铝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]、半固态成形等物理方法，或采用磷盐或为含磷的中间合金作变质剂的化学方法。变质工艺虽简单易行，但是变质效果提升有限，特别是初生硅的形态改善能力较弱。本文对变质后高硅铝合金分别进行了扩散加热和半固态加热之后的初生硅晶粒的球化效果进行了对比，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

实验采用材料为硅含量为20%的过共晶铝硅二元合金。熔炼及变质细化过程在井式坩埚电阻炉内进行。为了减少合金的氧化，采用ZR-QF清渣覆盖剂。实验采用的变质剂为磷盐，变质温度为820℃，变质剂加入量为合金锭质量的1%，浇注温度810℃。将浇注完成的试样切割成φ15mm×10mm的小块，放入箱式电阻炉内，分别进行扩散加热以及半固态二次加热。扩散加热温度控制在550℃，分别保温3h、5h和7h；半固态二次加热温度控制在600℃分别保温10min、15min、20min。试样在加热后，经磨平抛光，用0.5%HF腐蚀后，在双目倒置金相显微镜4XBII下进行金相观察。

2　实验结果

2.1扩散加热后初生硅颗粒的形态分析

扩散加热处理工艺上类似于铝合金的固溶处理，但是目的却不同。对于高硅铝合金，扩散加热的最终目的是利用在低于固相线较高温度长时间的保温，充分利用硅原子的扩散作用而使得初生硅颗粒起到初步的钝化、球化。为了便于半固态二次加热效果对比，本实验采用一个较高的温度550℃进行加热，图1（a）、（b）、（c）所示为在550℃下分别保温3h、5h、7h后的合金组织。可见随着保温时间的延长，初生硅的形态有所改善，在保温5h后初生硅颗粒有部分球化，但大部分的初生硅仍以尖角的不规则形状存在，同时发现在保温7h后初生硅颗粒出现了相互搭接的现象，球化效果反而不如保温5h的效果。

图1　550℃扩散加热工艺下的合金组织

2.2半固态二次加热后初生硅颗粒的形态分析

根据Al-Si相图分析，Al-20%Si合金的液相线温度为684℃，固相线温度为577℃。而通过变质处理后，其固液两相区的范围有所变化，这主要与变质合金元素的加入导致相变点发生变化有关。实验利用所测的DSC放热曲线，使用热涵法[7、8]测知磷盐变质后的Al-20%Si合金的液相线温度为672℃，固相线温度为577℃，并可绘出合金的液相率随温度变化曲线，如图2所示。因此选定半固态二次加热温度为600℃，此时液相率约为50%。

图2　使用热涵法计算得到的液相率随温度变化曲线

在600℃对合金进行半固态二次加热，其随保温时间延长组织变化如图3所示。可见随着保温时间的延长，合金中初生硅颗粒有所长大，并且增长速度越来越快。同时初生硅也在逐渐钝化，在保温20min后有较多初生硅颗粒钝化和球化，此时初生硅的平均直径为39μm。在二次加热过程中，合金处于半固态状态，此时共晶相被熔化，处于液态。对于二次加热时初生硅的长大机制，可以运用熟化的原理[9]。曲率半径较小的第二相熔点要低于曲率半径大的，凹谷部位曲率半径小，其熔点低而首先熔化，继而使该凹谷部位曲率进一步增大而越熔越细，并最终溶断变成小颗粒组织，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，凹凸部位会被逐渐抹平，形成近似球状的粒状组织。

图3　600℃半固态加热工艺下的合金组织

2.3两种加热工艺下初生硅颗粒的形态对比

运用专业金相分析软件Image Pro Plus对平均直径以及形状因子进行定量分析。初生硅组织分析除了要测量出初生硅的尺寸，还要掌握初生硅的形状是否圆整，因此常常使用圆整度[10]这个概念：

其中P为初生硅相的圆整度；L为初生硅相的周长；A为初生硅相的面积。在初生硅形状分析中，常常使用形状因子K这个参数，它与圆整度的换算关系为

一般情况下，0＜K＜1，形状越复杂，K越小；形状越接近于圆，K越大，最大为1。将两种加热工艺后初生硅的平均尺寸及形状因子统计示于表1。

表1　两种加热工艺后初生硅的平均尺寸及形状因子

由表1可以看出，扩散加热虽然可以改善初生硅的形态，但是其效果非常有限，并且保温时间较长，而半固态加热对初生硅形态的改善更明显，随着保温时间的延长，其形状因子有大幅度的提升。这是因为这两种加热工艺改善初生硅的形态都依赖于硅原子的扩散作用，因而在更高温度下的半固态加热可以获得更好的细化效果，同时也能得到球化的α相，因此对合金组织形态改善更为明显，这是固态扩散加热所不具备的。但是也应当注意随着半固态加热保温时间的延长，初生硅的平均直径的提高也是迅速的，这是因为Ostwald熟化以及部分颗粒凝并长大，因此也应注意控制好保温时间。

3　结论

（1）扩散加热及半固态二次加热均能使初生硅颗粒钝化、球化，但随保温时间的延长，初生硅颗粒会发生长大甚至搭接现象。

（2）半固态二次加热球化初生硅颗粒的效果优于扩散加热，并且保温时间较短，是一种切实可行的改善初生硅形态的途径。

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（编辑：余东梅）

Comparison of Effect of Diffusion Heating and Semi-solid Heating Spheroidizing Primary Silicon Particles

SUN Fu，WU Fei-fei，FU Xiao-ming
（Jiangsu Suqian College，Suqian 223800，China）

By means of diffusion heating high-silicon aluminum alloy after phosphorus salt modification and semi-solid heating treatment，microstructure characteristics of the two heated primary silicon are analyzed. The results show that primary silicon phase has been improved by diffusion heating，obvious spheroidizing has been obtained for primary silicon particles by semi-solid heating treatment，its shape factor is 0.61，but its particles grow seriously.

high-silicon aluminum alloy; primary silicon; diffusion heating; secondary heating

TG146.21

B

1005-4898（2016）02-0010-04

10.3969/j.issn.1005-4898.2016.02.02

江苏省高校自然科学研究项目（15KJD430001）。

孙虎（1986-），男，江苏宿迁人，硕士，讲师。

2015-05-19