高性能亚共晶铝硅合金的研究

徐 通，张宇飞，李咏凯

合肥工业大学材料科学与工程学院，安徽 合肥 230009

高性能亚共晶铝硅合金的研究

徐 通，张宇飞，李咏凯

合肥工业大学材料科学与工程学院，安徽 合肥 230009

通过成分优化、变质、合金化和热处理等方法，来提高合金的硬度和强度．试验结果表明：对亚共晶铝硅合金进行变质处理，能将共晶Si由针片状变质成细小纤维状，促使合金力学性能得到改善；亚共晶合金中加入Cu和Ni等元素，经固溶+时效处理后亚共晶Al-Si合金的力学性能得到大幅度提高；当Cu含量为3.5%和Ni含量为2.0%时，合金的硬度和抗拉强度达到最大值，分别为155HBS和347.72 MPa，与铸态下的相比硬度提高了38.3%、强度提高了66.8%．

变质；热处理；合金化；力学性能

铝硅系铸造合金因具有密度小、比强度高、铸造性能好、可回收性强及资源丰富等一系列优点，而被广泛应用[1]．但铝硅系铸造合金的共晶硅呈片状，使其力学性能较差.特别是塑韧性较差.在实际生产中采取了多种工艺方法，以改善共晶硅的形态，提高铝硅铸造合金的力学性能．

本实验对亚共晶Al-Si活塞合金性能提高的研究主要集中于合金化、热处理及变质处理三方面[2]．将Cu，Ni和Mg等强化元素添加到共晶Al-Si合金中配制成多元合金．一方面，经热处理工艺将元素形成的强化相不同程度地溶入到α-Al基体中，形成过饱和固溶体，并在随后的时效过程中重新析出，起到固溶强化和沉淀强化作用，增强合金力学性能[3]；另一方面，某些元素在合金中形成金属间化合相，以共晶团形式分布在α-Al晶粒边界上，促使合金组织发生复杂性变化[4]．这些强化相不但能改善合金高温力学性能，而且还能降低合金线膨胀系数．

1 试验材料及制备方法

1.1 试验材料

试验所用的亚共晶铝硅合金(w(Si)=10.5%)是由纯Al和工业纯Si(纯度为99.9%)按一定比例熔炼而成．在进行亚共晶铝硅合金化试验时，变质剂采用的是Al-Sr(w(Sr)=10%)合金，添加的中间合金为Al-Cu(w(Cu)=50%)和Al-Ni(w(Ni)=10%)，以及添加纯Mg、纯Zn、覆盖剂、精炼剂等．

1.2 合金的熔炼

制备亚共晶铝硅合金时，用电阻式坩埚炉进行熔炼．先将纯铝在780 ℃下熔化并保温30 min，待其完全熔化后将纯Si按一定比例压入熔体中并保温30 min，待其完全熔化后用钟罩将六氯乙烷压入熔体中进行一次精炼处理，保温10 min后撇渣，得到铝硅二元合金熔液．然后再分别加入不同量的中间合金Al-Ni和Al-Cu，搅拌均匀后在熔体表面均匀地撒上适量的覆盖剂，静置30 min后撇渣，加热待温度升至780 ℃时，再加入变质剂Al-Sr并静置30 min，最后浇注到模具中以制备金相试样．在浇铸的经不同变质处理的铝硅合金铸块的同一部位上切取试样，然后用0.5%的HF溶液腐蚀3 s，最后进行显微组织观察与研究．

2 结果与讨论

2.1 Sr变质处理

为了得到Sr对共晶铝硅合金最佳的变质效果，设计了4组试验，Sr加入量分别为0.04%，0.06%，0.08%和0.10%.Sr加入量对共晶铝硅合金组织形态的影响如图1所示．图1(a)为未经变质处理的亚共晶铝硅合金组织形貌．从图1(a)可见，组织中有大量锯齿状共晶硅，其严重割裂基体，影响了合金的力学性能，这样的合金在实际生产中无法达到使用要求．图1(b)～图1(e)是Sr加入量分别为0.04%，0.06%，0.08%和0.1%的铝硅合金组织形貌．从图1(b)～图1(e)可见，随着Sr加入量的增加，共晶硅逐渐球化，形状从锯齿状向纤维状和蠕虫状转变．当Sr含量为0.06%时，微观组织α(Al)树枝晶略有细化，蠕虫状的共晶硅大部分细化成圆点状；当Sr含量增加到0.08%乃至0.10%时，α(Al)开始变粗，出现粗大树枝晶，圆点状共晶硅开始粗化，发生过变质现象．Sr变质对合金中微观组织有显著的细化作用，α(Al)树枝晶得到了细化，其形状更规则、圆滑，没有明显的一次及二次分支；共晶硅由粗大的针片状变成细小蠕虫状．

图1 Sr对亚共晶铝硅合金组织形态的影响(a)0；(b) 0.04%；(c) 0.06%；(d) 0.08%；(e) 0.10%Fig.1 The effect of Sr modification on the structural morphology of hypo-eutectic Al-Si alloy

采用Image-Pro-Plus软件进一步对Sr变质后的亚共晶铝硅合金微观组织中共晶Si相晶粒尺寸进行了分析，结果列于表1．由表1可知：当Sr加入量为0.04%时，合金微观组织中共晶Si相平均尺寸从未变质的73 μm减小为34 μm；当Sr加入量增加到0.06%时，合金微观组织中共晶Si相平均尺寸急剧减小到8 μm；进一步增加Sr含量到0.08%时，合金微观组织中共晶Si相平均尺寸略微增加到19 μm；当Sr含量增加到0.1%时，合金微观组织中共晶Si相平均尺寸增加到21 μm．综上所述，亚共晶铝硅合金中Sr的加入量以0.06%较为合适，对组织的细化效果最好．

表1Sr含量对共晶硅相平均尺寸的影响

Table1TheeffectofSrcontentontheaveragesizeoftheeutecticsiliconphase

Sr加入量w/%00 040 060 080 10共晶硅平均尺寸/μm733481921

2.2 合金化对亚共晶铝硅合金力学性能的影响

选取四个不同组成成分的亚共晶铝硅合金试样(表2)，将它们分别经过变质处理(Sr加入量为0.06%)和热处理(510 ℃下固溶6 h，185 ℃下时效6 h)后，对合金进行硬度及室温下抗拉强度的测定，所得结果分别列于表3和表4．

表2 试样合金元素含量

表3铸态下合金的硬度和抗拉强度

Table3Thehardnessandtensilestrengthofthealloyincasting

序号合金元素含量w/%CuNi硬度(HBS)抗拉强度/MPa13 01 093 9151 1423 51 098 3194 2433 02 099 5164 5843 52 0112208 43

由表3可知，铸态下当其它合金元素含量相同时，随着Cu和Ni含量的增加合金的硬度及抗拉强度逐渐增加，当Cu和Ni含量为3.5%和2.0%时，合金硬度及抗拉强度达到最大值,分别为112 HBS和208.43 MPa．

表4 时效后合金的硬度和抗拉强度

由表4可知，经热处理后合金的力学性能大幅度提高，当Cu含量3.5%和Ni含量2.0%时合金的硬度及抗拉强度达到最大值，分别为155 HBS和347.72 MPa，与铸态合金相比硬度提高了38.3%、强度提高了66.8%．综上所述，在加入3.5%的Cu和2.0%的Ni，同时经过适当的热处理工艺后，Al-Si合金力学性能达到最佳．

对亚共晶Al-Si合金来说，固溶和时效处理对其力学性能有显著影响．在固溶温度下保温的目的是使合金中的强化相充分溶入基体中，从而形成过饱和固溶体，同时球化Si相．固溶处理可提高合金基体过饱和程度及组织均匀化程度，为时效时沉淀相的析出提供驱动力，从而影响沉淀相的数量、大小及分布状态，最终决定合金的力学性能．亚共晶Al-Si合金在固溶处理后需要进行时效处理，时效处理过程中合金元素沉淀过程一般需要经过四个阶段：形成GPⅠ区，合金力学性能提高；形成GPⅡ区，合金强度进一步提高；形成亚稳相，使合金得到更高的强度；形成第二相质点的聚集，显著降低合金强度，提高合金塑性． Cu和Ni对铝硅合金的强度及硬度有强化效果，直径更大的Cu和Ni原子会置换合金中的Al原子，从而使晶格发生畸变，阻止位错的滑移[5].同时，Cu和Ni会与Al生成金属化合物CuAl2或Ni3Al且弥散分布在基体周围，阻碍位错的运动，使位错切割需要更大的力，从而使合金的强度及硬度增加．所以Cu和Ni的加入，经过热处理后在合金组织中形成强化相，对提高合金力学性能有很大的帮助．

3 结 论

(1)Sr变质对亚共晶Al-Si(w(Si)=10.5%)合金中微观组织有显著的细化作用，当Sr含量为0.06%时对组织的细化效果最好．

(2)亚共晶Al-Si合金的力学性能随着Cu和Ni含量的增加而提高，铸态下当Cu含量为3.5%和Ni含量为2.0%时，合金硬度达到最大值112HBS，抗拉强度最大值208.43 MPa．

(3)经过固溶+时效处理之后，亚共晶Al-Si合金的力学性能得到大幅度提高，当Cu含量3.5%和Ni含量2.0%时硬度和抗拉强度达到最大值，分别为155HBS和347.72 MPa，与铸态的相比硬度提高了38.3%、强度提高了66.8%．

[1] 陈琪云．铝合金活塞材料的研发与应用进展[J]．合肥学院学报，2012，22(3)：46-49．

[2] 孙进宝．Al-15.5Si-4.5Cu-1.0Zn-0.7Mg-0.5Ni变形合金组织与性能研究[D]．沈阳：东北大学，2011．

[3] ASGHAR Z，REQUENA G，KUBEL F．The role of Ni and Fe aluminides on the elevated temperature strength of an AlSi12 alloy[J]．Materials Science and Engineering：A，2010，527(21)：5691-5698．

[4] BELOV N A，ESKIN D G，AVXENTIEVA N N．Constituent phase diagrams of the Al-Cu-Fe-Mg-Ni-Si system and their application to the analysis of aluminium piston alloys[J]．Acta Materialia，2005，53(17)：4709-4722．

[5] 张洋．Sr加入量及微量Cu元素对A357合金组织和性能的影响[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，2010．

Thestudyofhighperformancehypo-eutecticaluminumsiliconalloy

XU Tong，ZHANG Yufei，LI Yongkai

SchoolofMaterialsScienceandEngineering，HefeiUniversityofTechnology，Hefei230009，China

Through the composition methods of optimization metamorphism，alloying and heat treatment to improve the hardness and strength of the alloy. The results show that the modification treatment of hypoeutectic Al-Si alloy, eutectic Si by needle plate can be metamorphosed into tiny fibrous and mechanical properties of alloy can be improved. When adding the element such as Cu and Ni, after solid solution and aging treatment, the mechanical properties of hypo eutectic Al-Si alloy are improved greatly; When Cu content is 3.5% and the content of Ni was 2.0%, alloy reach maximum hardness and tensile strength, 155 HBS and 347.72 MPa, respectively, compared with the as-cast alloy the hardness increased by 38.3%, the intensity is increased by 66.8%.

metamorphism；heat treatment；alloying；mechanical properties

2017-08-28

徐通(1992-)，男，安徽安庆人，硕士研究生.

1673-9981(2017)04-0236-04

TG146.21

A