P对Al-Si18合金变质效果的影响

金 光，王宋瓷

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院,沈阳 110159)

铝硅合金是应用最多的一类铸造铝合金，广泛用于汽车制造和航天航空领域，其中过共晶铝硅合金由于具有耐热、耐磨、线膨胀系数小和尺寸稳定等优点，是发动机气缸、活塞部件的重要材料。但是该种合金中的初晶硅因为尺寸粗大且多角尖锐，严重割裂了铝基体，对力学性能有重要影响[1-2]。为了改善由于晶体硅的形状及大小对力学性能带来的影响，人们现在加入Na盐或Sr中间合金对共晶硅进行变质处理，加入P盐对初晶硅进行变质处理[3-4]。然而在加入P盐变质处理时，很难辨别过共晶铝硅合金的变质效果，以往多是通过观察加入不同含量P盐的显微组织去反应加入P盐的变质效果，这种方法是目前实验室常用的，但不适用于工厂要求的便捷，快速检测[5]。A.Niklas等[6]采用热分析曲线上的特征值来研究不同冷却速度对A356铝合金的晶粒细化效果，该研究表明冷却速度的细化效果与初晶过冷度有关系，当晶粒尺寸从2.3mm减小到0.31mm时，液态过冷由1.5℃降低到0℃。姜姗等[7]等利用特征值共晶硅的过冷度来判断Sr变质处理对铝合金共晶硅的变质效果。这种方式为过共晶铝合金在线检测P盐变质效果提供了思路：引入热分析仪来检测得到热分析曲线，通过热分析曲线上的特征值来评价变质效果。其原理是热量随着相变的变化而变化，如在凝固开始时，金属因为结晶相变释放出大量潜热，导致热分析曲线上的斜率发生改变，根据这些变化的不同，可以找出金属在整个凝固过程中的相变热效应[8]。根据该原理，本文采用CA-CCA(computer assistant-cooling curve analysis)[9]技术对过共晶铝硅合金P盐变质效果进行检测。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

合金原料为质量分数为99.9%的纯铝、含硅量为Al-Si20合金，将其配制熔化成5kg的Al-Si18合金，变质剂为P盐。利用工业电阻炉熔炼合金，当温度在(740±5)℃时加入P 0.5%、0.8%和1.0%充分搅拌，使变质剂能够均匀分布在熔体中。

1.2 热分析曲线

熔炼过程中使用SGJ-II型热分析仪测量得到相应的热分析曲线，测量过程中对小坩埚预热到300℃。热分析曲线的数据由仪器中的程序测得，利用origin、Excel等相关软件对数据进行处理，包括：作图、作一阶导数曲线(即为冷却速率曲线)和识别曲线中的热分析参数，如所需过冷度[10]。

图1所示的是添加不同含量P盐情况下的热分析曲线和其一阶导数曲线。在图1中可以看到，热分析曲线存在两处转折点和两个平台：两处转折点分别是初晶硅相开始形核的温度和共晶硅相开始形核的温度，两处平台分别是初晶硅平台和共晶硅平台。其一阶导数曲线上存在与之对应的两个峰值，第一个峰值是初晶硅的形核峰值，该峰值的数值大小分别是-0.01℃/s、-0.58℃/s、-0.85℃/s和-0.62℃/s，这些峰值的物理意义是一阶导数曲线(冷却速率曲线)上的一个极大值，标志着初晶硅开始形成，峰值对应的温度即为初晶硅形核温度，其与初晶硅形核的难易程度无关，不能利用这些数值去区分P盐变质剂对Al-Si18合金的变质效果。第二个峰值是共晶硅形核的峰值，该峰值的大小与共晶形核的难易程度无关，只标志着共晶硅开始形核[11]。添加P盐变质剂主要影响初晶硅的凝固阶段，而P盐对共晶硅形核阶段没有直接的影响。

1.3 Al-Si18显微组织制备

从铸件中切出一个小薄片，使用胶木粉热镶成金相试样，经过240～1500目的砂纸进行机械研磨后抛光，采用腐蚀剂(0.5%HF)进行擦蚀，通过蔡司Axiovert200 MAT金相显微镜观察合金的显微组织。结合显微组织与对应热分析曲线上的特征值——所需过冷度，判定P盐变质剂对Al-Si18合金的变质效果。

2 实验结果及分析

2.1 P盐加入量对Al-Si18合金所需过冷度的影响

不同P盐加入量在变质15min时所需过冷度如表1所示。

表1 P盐加入量对Al-Si18合金所需过冷度的影响

所需过冷度指合金在结晶之前，温度连续下降，当液态金属合金冷却到理论结晶温度Tm(熔点)时，并未开始结晶，而是需要继续冷却到Tm之下某一温度Tn，液态金属合金才开始结晶。金属合金的理论结晶温度和实际结晶温度之差定义为所需过冷度(ΔTN，Si=Tm-Tn)[12]。由表1可得：在相同的变质时间15min情况下，加入P盐后，Al-Si18合金的特征值所需过冷度有变化，且所需过冷度随着P盐的加入而减小。在本实验条件下，当加入P盐的含量达到1.0%时，此时的所需过冷度较小，也就意味着初晶Si更容易形核。

初晶Si变质作用的机理是P盐加入Al-Si18合金后，P元素和Al反应：Al+P→AlP，AlP具有与硅相近的晶体结构和晶格常数，并在 Al-Si18合金的液相线附近处于固态，分布在合金熔体中，由于晶体结构相似、晶格常数相应原理，AlP可以作为初晶硅结晶时的形核核心，使硅原子依附其上，这样使初晶硅的所需形核功降低，从而使结晶核心数量增多，并抑制其长大，以实现结晶组织细化均匀的目的[4]。

2.2 P盐变质时间对Al-Si18合金所需过冷度的影响

不同变质时间下铝硅合金所需过冷度如表2所示。在加入相同的1.0%P盐后，随着变质时间延长，Al-Si18合金的特征值所需过冷度发生变化，且所需过冷度随变质时间的延长而增大。当加入P盐的变质时间达到60min时所需过冷度最大，意味着P盐变质剂随着变质时间的延长有衰退的现象，变质效果变差，但比未变质的Al-Si18合金仍然有变质效果。分析是由于随着变质时间的延长，形核核心AlP发生了团聚的现象，导致P盐变质效果衰退，但是团聚的AlP仍然可以为初晶硅形核提供有效的核心。

表2 P盐变质时间对Al-Si18合金所需过冷度的影响

2.3 P盐加入量对Al-Si18合金显微组织的影响

图2为不同P盐加入量在变质15min时的金相组织。

由图2可以看出：在相同的变质时间情况下，加入P盐后，Al-Si18合金中初晶硅由粗大尖锐状向细小圆润状发生改变，初晶硅均匀分布。当加入P盐的含量达到1.0%时，变质效果达到最佳。但P盐变质处理对Al-Si18合金共晶硅的形貌和尺寸几乎没有影响。

图2 不同P盐加入量的Al-Si18合金显微组织

2.4 P盐变质时间对Al-Si18合金显微组织的影响

图3为添加相同含量(1.0%)P盐后，在不同P盐变质时间下的金相组织。

图3 不同变质时间Al-Si18合金的显微组织

由图3a可以看出，在添加相同P盐变质剂的情况下，P盐变质15min时，基体中的硅相尺寸变小，部分硅相尖角处发生明显的钝化现象。从图3b和图3c中可以看出，随着变质时间的延长，基体中的硅相形貌无太大变化，但尺寸增加。

3 结论

(1)在本实验中，加入P盐对Al-Si18合金的初晶硅相起到变质作用，且当加入量为1.0%时，变质效果较好，此时所需过冷度较小为7.66℃。P盐变质对Al-Si18合金共晶硅的形貌和尺寸几乎没有影响。

(2)P盐变质时间对Al-Si18合金初晶硅的变质效果有影响：随变质时间的延长，变质效果产生衰退现象。

(3)热分析曲线上的特征值——所需过冷度与显微组织有良好的对应关系，可以通过热分析法在线检测P盐对Al-Si18合金初晶硅的变质效果。