汽车活塞合金初生硅形核生长机制探讨

周鹏飞

（盐城工业职业技术学院,江苏盐城 224005）

汽车活塞合金初生硅形核生长机制探讨

周鹏飞

（盐城工业职业技术学院,江苏盐城 224005）

通过XRD、光学显微镜等手段研究了P变质汽车活塞用过共晶Al-20Si合金的微观组织和相组织，对初生硅相的形核生长机理做了进一步的分析，结果表明：存在AlP异质形核不容质疑；但是还存在均匀形核的可能，这从同一试样的组织形貌中可以分析出，但在结晶过程中哪种形核机制占主导地位尚未清楚，需要进一步研究。

汽车活塞；初生硅；变质；微观组织

过共晶Al-Si合金具有密度小、导热性好、热膨胀系数小、耐磨、耐蚀、尺寸稳定性好等优点，而且热裂倾向小，是一种理想的汽车活塞材料。但是未经变质处理的过共晶铝硅合金中存在粗大块状的初晶硅和粗大长针状的共晶硅组织，严重地割裂Al基体的连续性，恶化合金的综合力学性能和切削加工性能，制约了过共晶铝硅合金的适用范围[1-4]。解决这个问题的关键是对合金进行变质细化处理，改变合金中硅相的形貌和尺寸，减小其对铝基体性能的削弱作用，从而提高过共晶铝硅合金的综合性能。目前，磷是初晶硅的理想变质剂，本文针对Al-20%Si合金进行单一P变质，对初生硅的形核与生长机制做了进一步的研究探讨。

1 实验材料与方法

实验所用原材料有：配置好的Al-20%Si、以及CuP10中间合金。

在SG2-12-13型硅碳棒型坩埚炉熔炼Al-20%Si合金；升温800 ℃时用六氯乙烷对熔体进行精练处理，静置15 min后扒渣。在熔炼温度为800℃时,分别加入质量分数为4%的CuP10变质剂作用于Al-20%Si合金,把熔炼好的合金液在800 ℃时浇注到预先准备好圆筒铸钢模,模具预热到200℃，模具其尺寸为φ10 mm×100 mm。浇注完毕后,分别把试样截断，取其中间部位，加工成φ10 mm×6 mm的圆柱。金相试样经过预磨、粗磨、细磨和手工抛光,最后用0.5%HF水溶液进行显微组织浸蚀,然后用MeF3型光学显微镜观察金相组织，并对4%CuP10变质的试样进行了XRD检测，进一步分析初生硅相的形核与生长机理。

2 实验结果与分析

2.1 变质前后Al-20Si合金硅相的形貌

图1.a为未变质过共晶Al-20%Si合金的显微组织，未变质过共晶Al-20%Si合金初晶硅多为粗大八面体形、板块状，棱角分明，分布不均匀，有偏聚，平均尺寸在100 μm左右；图1.b是经过4%CuP10变质过的，从图中明显可以看出初晶硅变得非常细小，尺寸在10 μm左右，且分布比较均匀，达到了非常理想的变质效果。

图1 未变质与变质处理的Al-20Si合金硅相的形貌

2.2 4%CuP10变质的Al-20Si合金SEM分析

从图2的X射线衍射分析，结果表明，磷变质试样中除含有主要合金元素Al和Si的峰值外，还在Si的位置处出现了其他的衍射峰值，经过PDF卡片对照，验证了这些峰值对应的正是异质核心质点AlP的峰值。同时可以发现，异质核心质点AlP的峰值相对较多，这就说明了P变质过共晶铝硅合金时能够为初晶硅形核提供足够的异质核心，从而明显的细化了初晶硅组织。

图2 4%CuP10变质的Al-20Si合金XRD分析图

磷的变质机制普遍认为是异质核心作用。磷作为初晶硅常用的有效变质剂,在合金液中容易与铝反应生成熔点较高(A1P的熔点在1 000 ℃以上)的A1P化合物。其晶体结构与Si相同，属于金刚石型面心立方晶格，且晶格常数也非常接近(αAlP=0.546 nm, αSi=0.542 nm)，可作为异质形核核心，细化初晶硅相[5]。

2.3 初晶硅形核生长机制探讨

从图1.b中仔细地我们可以看出，并不是所有初晶硅相都一样大，其大小形态各不一样，这就产生了对形核与生长问题的进一步研究的必要。从图3中可以看出初生硅的形核生长的简单示意图，图3.a为熔体，当温度下降时，在熔体中肯定会有形核基体产生，这是A1P肯定存在，但当温度下降至液相线下的时候，熔体中应该也会有初晶硅析出，此时的初晶硅并不是在A1P异质上形核的，而是在熔体中直接生长出来的，为了便于后面区分，暂且叫其为一次初生硅，如图3.b所示。在K.Fujiwara’s[6]硅原子依附生长模型中，他认为硅原子易于吸附在凹角处，同时为其他原子提供生长台阶，产生更多的孪晶凹角；根据文献[7-8] A1P本身就比初生硅相能提供更多的孪晶凹角，因此熔体中的硅原子易于在A1P表面聚集生长，熔体中的硅原子都向A1P表面聚集形成二次初晶硅,如图3.c，当二次初晶硅相把A1P异质形核基底全部包围时，此时一次与二次初晶硅的生长条件一样，熔体中游离的硅原子会向这些一次和二次初晶硅上聚集使其长大，这种生长模式还应该是连续生长。

图3 初生硅形核生长示意图

3 结语

(1)未变质Al-20%Si合金初晶硅粗大，P变质能有效改善初晶硅尺寸与形貌，且CuP10变质存在最佳变质点，4% CuP10变质效果最好。

(2)在P变质情况下，初生硅的形核存在均匀形核和异质形核两种形核模式，其生长模式还是连续生长。

[1] 欧阳志远．铸造铝硅合金熔体处理中添加元素的行为及相互作用研究[D]．上海：上海大学，2006.46(8):126¯128.

[2] 逯允海,赵品.添加Ce与P+Sr复合变质对高硅耐热铝合金组织与性能的影响[J].热加工工艺, 2006, 35(9): 17¯19.

[3] 赵品,逯允海. P+Sr+Ce复合变质对高硅耐热铝合金组织与性能的影响[J].中国稀土学报, 2005, 23 (4): 471¯475.

[4] 张卫文,尹志民,赵阳,等.过共晶高硅铸造铝合金磷一稀土双重变质处理[J].中国有色金属学报, 1995, 3(1): 59.

[5] 王泽华,毛协民,张金龙,等. Sr-PM复合变质过共晶铝硅合金[J].特种铸造及有色合金, 2005, 25(4): 241¯243.

[6] K.Fujiwara,K. Maeda,N.Usami,K.Nakajima,Phys.Rev. Lett.101(1-4)(2008)055503.

[7] C.L.Xu,H.Y. Wang,C.Liu, Q.C.Jiang,J.Cryst.Growth 291(2006)540-547.

[8] R.Y. Wang, W.H.Lu,L.M.Hogan,J.Cryst.Growth 207(1999)43-54.

[9] 邓进俊.浇注温度及变质工艺对初生硅形态的影响[J],中国铸造装备与技术,2015(4).

[10] 周运海,陈文珂, 黄韦.A390合金近液相线法处理中初生硅形态的演变[J].中国铸造装备与技术, 2012(5).

Discussion on the mechanism of primary silicon’s nucleation and growth process of automobile piston alloy

ZHOU PengFei
（Yancheng Vocational Institute of Industry Technology, Yancheng 224005,Jiangsu, China）

In this paper, study on microstructure and phase organization of P metamorphic Al-20 Si which used in piston of automobile by means of optical microscope and XRD, further analysis on the mechanism of primary silicon’s nucleation and growth has been don e. The results show: AlP heterogeneous nucleation has no doubt; whereas homogeneous nucleation is also exist, this can obtain from the same sample’s morphology, but in the process of crystal nucleation which mechanism dominated has not clear, needs further study.

automobile piston；primary silicon; modifi cation; microstructure

TG146.2；

A；

1006-9658（2017）04-0022-02

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.04.006

2017-01-09

稿件编号:1701-1636

周鹏飞（1988—），男，硕士研究生，主要研究方向：汽车用铝合金金属的开发研究工作.