脉冲频率对富镍铝硅活塞合金组织及性能的影响

方琳 唐立丹 王冰 刘亮 王建中 辽宁工业大学材料科学与工程学院

脉冲频率对富镍铝硅活塞合金组织及性能的影响

方琳 唐立丹 王冰 刘亮 王建中 辽宁工业大学材料科学与工程学院

通过金相显微分析、能谱分析、相结构分析、显微硬度分析等实验，研究了脉冲频率对富镍Al-Si活塞合金组织和性能的影响。结果表明，在富镍Al-Si活塞合金中，当脉冲参数为300V、5Hz、30s时，富镍高温相尺寸细小，分布均匀，显微硬度提高了9.41%，电脉冲孕育处理可以细化合金凝固组织，提高α（Al）基体中Cu、Ni、Si等元素的固溶度，偏析得到改善，分布趋于均匀合理。

Al-Si 活塞 相结构 显微硬度

活塞材料的选择与优化是决定发动机整体质量的关键。目前，含Si量为11%～13%的Al-Si共晶合金已成为国内外车用内燃机整体活塞的首选材料，但铝硅活塞合金所固有的热强度不高，难以切削加工，使其在生产应用中有一定的局限性，所以必须对其进行后续工艺处理改善切削性能。在Al-Si合金中加入适量的Ni元素，组织中可生成Al3（Cu Ni）、Al6Cu3Ni等复合耐热相来提高合金的高温强度和耐热性。电脉冲处理技术作为一种新型的金属材料处理技术，其应用领域非常广泛。它不仅可用于控制液态金属的凝固组织，还可以改善固体的材料的范性加工和金属再结晶等性能。本文将电脉冲孕育处理应用于富镍Al-Si合金组织和性能的影响规律，分析其作用机理。

1 实验材料与方法

实验以工业纯铝、电解铜、电解锰、金属镍和Al-Si、Al-Mg、Al-Ni中 间 合 金 制 备Si-13%Cu-3．7%Ni-2．5%Mg1%Ti0．12%Mn0．12%(质量分数)共晶铝硅活塞合金。首先将适量预制的Al-Si、Al-Mg、Al-Ni中间合金放入井式电阻炉（镍铬-镍硅热电偶控温），炉料温度升至750℃并保温至全部融化，当坩埚中的合金全部处于熔融状态时，在保温10min，然后进行除气（除气剂为C2Cl6）精炼，然后静置5min；采用不同的电脉冲参数进行熔体处理，其中电级采用高纯石墨电级，插入熔体前于400℃预热2min，消除其对熔体温度的影响，保温5min后浇铸到已预热的金属型中。待试样完全凝固冷却后，选取铸件，分别制成金相试样，并使用0．5%HF进行腐蚀。在Zeiss光学显微镜、S-3000N扫描电镜分析仪和D/max-2500/PC型X射线衍射仪上进行组织观察、物相分析、和HV-1000N型显微硬度测试。

2 实验结果与分析

2.1 脉冲频率对Al-Si多元活塞合金组织的影响

由图1可知，电脉冲孕育处理对Al-Si合金凝固组织细化作用显著。图中浅色基体为α（Al）相，深色片状物为初晶Si相，深色条状为共晶Si相，浅色絮状物为高温强化相。图1（a）为未处理的Al-Si合金的凝固组织，相较电脉冲处理后的（b）、（c）、（d），Al-Si合金的凝固组织初晶Si粗大，分布不均匀共晶相分布散乱、不集中，尖角多并且呈现絮状高温相粗大沿树枝晶，α（Al）相分布不均匀。电脉冲孕育处理后，合金中无粗大α（Al）枝晶，初生α（Al）相数量略有增加，絮状高温相细小弥散分布于α（Al）相周围，刘相法等认为α（Al）基体相形貌对第二相分布以及活塞合金力学性能影响显著，当Ni含量小于1%时，α（Al）枝晶的二次枝晶臂对富Ni相有分散细化作用。由图1可知，初生Si相细化明显，有学者认为，经电脉冲孕育处理的初生Si组织明显细化，是由于电脉冲的反复激励振荡使熔体中Si团簇结构涨落的微观统计分布上成为Si团簇的有利结构，即Si团簇的粗化过程被阻碍。

图1 不同脉冲频率对富镍Al-Si合金组织的影响Fig． 1 Microstructure of the Ni-rich Al-Si alloy at different pulse frequencies（a）0Hz（b）300V，3Hz，30s（c）300V，5Hz，30s（d）300V，10Hz，30s

图2（a）（b）（c）（d）为经不同电脉冲参数孕育处理的XRD衍射图谱，图中均有Al、Si、Mg2Si、Al7Cu4Ni相和Al7Cu23Ni相，结果表明电脉冲孕育处理仅仅改善了富Ni高温相的尺寸与分布，没有产生有害于合金组织的新相。根据相关文献和能谱分析，鱼骨状的富Ni高温相为Al7Cu4Ni相，经电脉冲孕育处理后，粗大鱼骨状的Al7Cu4Ni相得到细化，均匀分布于基体中。

图2 不同脉冲频率XRD图谱Fig． 2 The XRD patterns at different pulse frequencies

图3为扫描电镜金相组织。图3（a）为未电脉冲孕育处理试样，富Ni高温相成鱼骨状；图3（b）为电脉冲孕育处理试样组织，由图可示粗大的鱼骨状高温相消失，呈杆状均匀地分布在基体中，分析认为，在α（Al）相固液界面前沿存在着巨大的Ni溶质富集，这为富Ni高温相形核与长大提供物质基础。同时，富Ni高温相在共晶Si相端部形核，并沿α（Al）枝晶长大，从而起到钉扎晶界的作用。经电脉冲孕育处理后，共晶Si相网状消失，呈短小棒状分布于基体中，富Ni相在共晶Si上沿Si的走向断续分布生长，因而使依附其形核生长的富Ni相形核点数目增多，失去无限粗大生长的基础，同时，增大富Ni相在α（Al）相周围钉扎生长的几率，达到阻碍晶界扩展提高强度的目的。

图3 不同脉冲频率处理对高温相的影响Fig． 3 Different high-temperature phases in twosamples，SEM at different pule frequencies（a）0Hz（b）300V，3Hz，30s

2.2 脉冲频率对Al-Si多元活塞合金性能的影响

图5为不同脉冲频率处理后的显微硬度，说明电脉冲处理可以提高合金固溶度，从而使显微硬度提高。当电压为700V时显微硬度达到最大值，由原始的132．12HV升到144．56HV，提高了9．41%。

图5 不同频率处理后的显微硬度Fig． 5 The micro-hardness at different pulse frequencies

图6为电脉冲处理前后Cu、Ti元素的分布结果，图中亮点即为该元素的分布位置，对比图5（a）、（b）可知，经电脉冲处理后的试样较原始试样各个元素的晶粒尺寸得到细化，Ti、Cu元素在基体中的分布较原始试样均匀，电脉冲处理后α（Al）相中Ti、Cu元素含量明显增加，使得试样的显微硬度得到提高，Al-Si活塞合金组织的偏析情况得到改善，分布趋于均匀合理。

图6 不同脉冲频率处理对Ni、Cu元素分布的影响Fig． 6 The X-ray images， respectively， for Cu， and Ni with different pulse frequencies（a）0Hz（b）300V，3Hz，30s

3 结论

①电脉冲孕育处理能够显著细化富镍Al-Si活塞合金的凝固组织，经过电脉冲孕育处理后，合金中的高温强化相尺寸明显减小，分布更加均匀与弥散。

②不同脉冲频率能提高α（Al）基体中Cu、Ni、Si等元素的固溶度，提高显微硬度，提高了9．41%。

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