Sr变质对过共晶铝硅合金组织的影响

刘 学,薛力强，常国威，岳旭东

（辽宁工业大学 材料科学与工程学院，辽宁 锦州121001）

Sr变质对过共晶铝硅合金组织的影响

刘 学,薛力强，常国威，岳旭东

（辽宁工业大学 材料科学与工程学院，辽宁 锦州121001）

研究了变质对过共晶铝硅合金组织的影响。结果表明：经3.2%Sr元素变质后，消耗了一部分异质核心AlP，使初晶硅变得粗大，数量较少，由板片状变成了花瓣状，形貌发生了改变。Sr原子优先吸附在Si界面前言的台阶处，细化了共晶硅，使共晶硅由长针状变成了颗粒状和短棒状，组织得到了细化。

变质;初晶硅;共晶硅

过共晶铝硅合金具有密度小、热膨胀系数小、热稳定性好、耐磨性高等优点[1-2]，被广泛应用于汽车和摩托车的发动机活塞、缸体缸套中[3-4]。未变质的过共晶铝硅合金中，初生硅呈粗大的板片状或块状，共晶硅呈长针状，限制了过共晶铝硅合金的广泛应用。加入变质剂可有效细化合金组织[5-6]，该方法由于工艺简单、方便、便于操作，在工业生产中已经被广泛的应用。

Sr是细化共晶硅的主要元素[7-8]，可以将长针状的共晶硅细化成颗粒状或短棒状，已成为有效的共晶硅变质剂被广泛使用。在已有的研究中，Sr的加入量通常在0.02%-0.08%[9-10]，本文以中间合金的形式将Sr的含量增加到3.2%，研究含量为3.2%的Sr对过共晶铝硅合金组织中初晶硅和共晶硅的影响。

1 实验方法

首先制备Al-30%Si中间合金，使用20 kg中频感应炉进行熔化，将炉料按照图1所示方式装入炉中。将功率表缓慢提升到25 kW，随着炉料的熔化，将功率逐步提升，直到45 kW为止。待炉料完全熔化后，温度为1 300℃时保温5 min，然后将其浇入图2金属模型中。

采用K0-11型箱式高温电炉熔化，将温度升至850℃。待其完全熔化后，向坩埚内加入Al-30%Si中间合金，将其加热到850℃保温10 min。保温后用C2Cl6采用钟罩压入法进行搅拌除气精炼。精炼后放入炉内继续加热，在850℃时保温10 min后，将Al-13%Si-5%P中间合金采用铝箔包裹后，直接投放到溶液中进行变质。变质后在850℃时保温10 min，用铝箔包裹Sr颗粒投入到熔体中，将坩埚放回炉内，在850℃时保温30 min。保温后用C2Cl6进行二次精炼，搅拌，除气、除渣。除气后将坩埚放回炉内，在850℃时保温10 min。出炉后，待溶液温度降至780℃时充分搅拌后浇入砂型，在Axiovert200MAT金相显微镜下观察金相组织。

图1 Al-Si合金熔炼在感应炉中的装炉示意图

图2 金属模型示意图

2 实验结果与分析

2.1 Sr对过共晶铝硅合金中初生硅的影响

在Al-20%Si-0.1%P溶液中加入3.2%的Sr元素，在砂型中冷却得到的组织如图3所示。从图3(a)和图3(b)中发现，未添加Sr变质的Al-20%Si-0.1%P过共晶铝硅合金中，初晶硅呈块状、尺寸比较小、数量较多、棱角尖锐、严重割裂了基体。经过Sr变质后，组织中初晶硅的数量减少，尺寸明显增大，初生硅周围出现了将初生硅包裹的α-Al相。Sr的加入没有使初晶硅变得细小弥散，但是改变了初晶硅的形貌，初晶硅由较大的块状变成了花瓣状，尖角也有明显的钝化。

图3 过共晶Al-Si合金铸态微观组织

2.2 Sr对过共晶铝硅合金中共晶硅的影响

在Al-20%Si-0.1%P溶液中加入3.2%的Sr元素，在砂型中冷却得到的组织如图4所示。从图4(a)和图4(b)中发现，未添加Sr变质的Al-20%Si-0.1%P过共晶铝硅合金中，共晶硅呈长针状，严重割裂了基体，并且部分共晶硅与初晶硅相连在一起，粗大的初晶硅本身断裂引起的裂纹易于沿着共晶硅扩展，明显降低了合金的伸长性。经过Sr元素变质后，共晶硅的尺寸明显降低，数量增多，弥散分布，由长针状变成了颗粒状，共晶硅得到了明显的细化。

未经过Sr变质的共晶硅表面很难产生孪晶，在硅晶体生长前沿存在着许多的台阶，Si原子易于吸附在台阶上生长，能量最低，共晶硅生长成长针状。当加入大量的Sr元素变质后，Sr原子优先吸附在Si的界面台阶处，使Si原子很难在台阶处生长[11]。同时，Sr的加入使Si晶体表面诱发出高密度的孪晶，孪晶前沿存在孪晶凹槽，Si原子在孪晶凹槽处生长，共晶硅的生长改变了方向，由长针状变成了颗粒状，细化了共晶硅。

在Al-20%Si合金中加入了0.1%的P后，细化了初晶硅。关于P细化初晶硅的机理，人们的看法比较一致，P的加入与铝液中的Al生成了一种化合物AlP，这种化合物熔点在1 060℃左右，熔点较高，并且晶体结构与硅相同，属于金刚石立方晶格，而且晶格常数（Si为5.42×10-10m，AlP为5.45×10-10m）和原子间距相差很小。在过共晶铝硅合金结晶过程中，AlP化合物在初晶硅的形核过程中起到了 非均质核心的作用，因此细化了初晶硅。

图4 过共晶Al-Si合金铸态微观组织

在经P变质后的过共晶铝硅合金中，加入了3.2%Sr后，铝液中形成的AlP一小部分作为初晶硅的异质核心，起到了细化初晶硅的作用，大部分的AlP与Sr发生了如下反应：

使作为异质核心的AlP数量明显降低，消耗了AlP和部分Sr，初晶硅变得粗大，同时Sr由于对初晶硅有裂解的作用，初晶硅由粗大的板片状裂解成了花瓣状，形貌发生了改变，棱角部分得到了钝化。由于Sr变质剂的含量较高，剩余的Sr原子起到了细化共晶硅的作用，共晶硅由长针状变成了颗粒状和短棒状，细化了共晶硅。

3 结论

（1）在Al-20%Si-0.1%P过共晶铝硅合金中加入3.2%Sr后，消耗了一部分异质核心AlP，使初晶硅变得粗大，数量较少，由板片状变成了花瓣状，形貌发生了改变。（2）在Al-20%Si-0.1%P过共晶铝硅合金中加入3.2%Sr后，Sr原子优先吸附在Si界面前言的台阶处，细化了共晶硅，使共晶硅由长针状变成了颗粒状和短棒状，组织得到了细化。

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[12]胥锴,刘微平,袁帮谊,等.过共晶铝硅合金变质处理的研究进展[J].热加工工艺,2009,38(3):32-35.

责任编校：刘亚兵

Effect of Sr on the Modification of HypereutecticAl-SiAlloy

LIU Xue,XUE Li-qiang,CHANG Guo-wei,YUE Xu-dong

（Material Science and Engineering College,Liaoning University of Technology,Jinzhou 121001,China）

Influence of Sr deterioration on hypereutectic Al-Si Alloy is studied.The results show that:after deterioration with 3.2%Sr element,which consumes a portion of heterogeneous core AlP,to make the primary Si become larger and the quantity is reduced,besides,the shape is changed from the flake to petaloid ambulacra.Sr atoms preferentially absorbed at the step of Si interface preface,which refined eutectic silicon,to make the shape of eutectic silicon to be changed from a long needle to a granular and short rod,and refined the organization too.

metamorphism;primary silicon;eutectic silicon

TG131

A

1674-3261(2017)01-0041-03

2016-03-04

刘学(1991-)，男，辽宁朝阳人，硕士生。

10.15916/j.issn1674-3261.2017.01.011