共晶Al-18Si-2Cu合金组织及性能的研究

张小平

(渭南市职业技术学院， 陕西 渭南 711711)

随着铝合金中硅含量的增加，合金组织中会生成板片状、针状的共晶硅以及大量粗大且不规则的块状初生硅，在材料受力时，硅粒子的尖端及其棱角部位会形成应力集中，割裂较软的铝合金基体，这不但会使合金的抗拉强度降低，而且明显降低合金的塑性和耐磨性。同时，材料在机械加工时，合金中硬质大块硅相会导致刀具磨损严重，切削加工困难。所以，研究如何细化过共晶铝硅合金中的初生硅，提高材料的加工性能及力学性能，对变质理论的完善发展及其应用具有极其重要的意义。由于过共晶铝硅合金中存在各类不规整形态的硬质硅相，使其力学性能和加工性能都比较差，为了使初生硅在工业生产中得到更广泛的应用，必须对初生硅进行细化变质[1-3]。长期以来，人们研究并应用多种变质剂对过共晶铝硅合金的初生硅进行变质细化，但目前为止，所有类型单一的变质剂都未能得到令人满意的变质效果[4-8]。所以，为了得到更好的变质效果，目前人们倾向于采用复合变质的方法，而复合变质也是未来对过共晶铝硅合金变质的新途径和趋势。

鉴于此，本课题采用新型复合变质剂，通过一系列实验，研究其变质效果、作用机制以及热处理前后合金的力学性能变化。开展的研究内容如下：复合变质剂对Al-18Si-2Cu铸态下组织及力学性能的影响，包括Al-P变质、Al-P与铁基非晶复合变质、Al-P与镍基非晶复合变质、Al-P与TiC复合变质等；复合变质剂对Al-18Si-2Cu热处理后组织及力学性能的影响；变质温度对非晶变质效果的影响。

1 实验部分

1.1 化学试剂

铝磷，分析纯，山东吕美熔体技术有限公司；铁非晶，分析纯，成都锦尚科技责任有限公司；镍非晶，分析纯，成都锦尚科技责任有限公司；TiC，分析纯，天津市元立化工有限公司。

1.2 实验仪器及设备

MTS-810型电液伺服实验机，梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司；QT08型线切割机，郑州长城科工贸有限公司；JSM-5310型扫描电子显微镜，Edinburgh Instrμments；XJZ-6型显微镜(oM)(配有数码相机)，德国布鲁克光谱仪器公司。

1.3 实验方法

1.3.1 各类变质剂的制备

(1)实验用重500g的圆锭状Al-4.5P，用手工锯将其锯成1cm3～2cm3大小的铝磷块，然后用铝箔纸包好。(2)实验用铁基非晶与镍基非晶均为厚30μm的金属薄带，为使非晶快速熔化，需将非晶剪成0.2cm2～0.5 cm2的小碎片。(3)实验用的TiC粉末为吉林大学铸造实验室老师制备，TiC粉末在铜合金的变质处理上取得了显著效果，本实验之一是把TiC粉末用于铝合金变质，试图研究TiC粉末对Al-18Si-2Cu的初生硅是否有细化作用。

1.3.2 过共晶铝硅合金的变质过程

以加入Al-P和Ni非晶复合变质剂为例：把600g左右的Al-18Si-2Cu合金板放入坩埚中，把炉温调到850 ℃，等待铝合金熔化；用打渣勺清除铝合金液体上方的氧化物；用铝箔纸包裹Al-P，用打渣勺将其按入坩埚底部，待Al-P熔化后，充分搅拌，然后保温20min；将Ni非晶碎片均匀撒入到坩埚中，充分搅拌，然后保温5min；加入清渣剂，加入量约为0.5%，将清渣剂用铝箔包裹，用打渣勺将其按入炉子底部，待打渣剂熔化后搅拌，保温2min～3min，用打渣勺将炉渣清出；用坩埚钳夹出坩埚，从模具的一侧，将金属液浇注到金属模中，待其冷却后，取出铝板。

2 实验结果与讨论

2.1 铸态组织与性能

2.1.1 未变质Al-18Si-2Cu合金

如图1所示，图中深灰色片状部分为初生硅，颜色稍浅条状部分为共晶硅，而近白色部分为共晶铝。可以看出，未变质的过共晶Al-18Si-2Cu合金中的初生硅形状不规整，呈多角形且初晶硅晶粒粗大，平均尺寸在130μm左右。此外，由图1(a)可以看出，未经变质的初晶硅分布及其不均匀。这样的过共晶铝硅合金力学性能很差，不经过变质细化是很难在工业生产中使用的。

图1 未变质过共晶Al-18Si-2Cu合金的组织Fig.1 Microstructure of unmodified eutectic Al-18Si-2Cu alloy

2.1.2 Al-P变质

试验中加入0.5wt.%的Al-P变质剂。如图2所示，Al-P对过共晶Al-18Si-2Cu合金的变质作用十分明显，经过Al-P变质剂变质之后，初生硅的尺寸明显变小，平均尺寸为20μm左右，初晶硅分布变得更均匀。初生硅形态由粗大的五角星形或者板形变为形状均匀的多边形，且变得更加圆滑。Al-P变质的机理是可以作为初生硅形成的核心，使得初生硅形成的核心增多，从而使初生硅变小，分布更加均匀。

图2 Al-P变质后过共晶Al-18Si-2Cu合金的组织Fig.2 Microstructure of hypereutectic Al-18Si-2Cu alloy modified by Al-P

Al-P变质的Al-18Si-2Cu合金，试样(0-1号)尺寸3.74mm×1.62mm×10mm，抗拉强度220.5MPa，延伸率2.84%；试样(0-2号)尺寸3.74mm×1.76mm×10mm，抗拉强度208.0MPa，延伸率1.96%。可以看出，单独使用Al-P变质的Al-18Si-2Cu合金，平均抗拉强度为214MPa，平均延伸率为 2.4%。而通过查阅资料可知，未变质的Al-18Si-2Cu抗拉强度大约为170MPa，变质后其拉伸性能得到了大幅提高。

2.1.3 Al-P和Fe基非晶复合变质

试验中，在炉内加入0.5wt.%的Al-P和0.05wt.%的铁基非晶复合变质剂。如图3所示，使用Al-P和Fe非晶复合变质后，过共晶Al-18Si-2Cu合金中初晶硅的形状大小并没有明显变化，共晶硅形态变得更加复杂，尺寸也有所减小，可以初步判断Fe-非晶的作用机理是影响共晶硅或者共晶铝的生长方式，但是还需进一步验证。

图3 Al-P和Fe非晶复合变质后过共晶Al-18Si-2Cu合金的组织Fig.3 Microstructure of hypereutectic Al-18Si-2Cu alloy modified by Al-P and Fe amorphous composite

Al-P和Fe非晶复合变质的Al-18Si-2Cu，试样(1-1)号尺寸3.90mm×1.68mm×10mm，抗拉强度195.2MPa，延伸率1.97%；试样(1-2)号尺寸3.94mm×1.52mm×10mm，抗拉强度200.4MPa，延伸率2.25%。可以看出，使用Al-P和Fe非晶复合变质的Al-18Si-2Cu合金，平均抗拉强度为197.8MPa，平均延伸率为 2.11%，相对于只用Al-P变质后的Al-18Si-2Cu力学性能略有下降。

2.1.4 Al-P 和Ni非晶复合变质

试验中，在炉内加入0.5%的Al-P和0.1%的铁基非晶复合变质剂。如图4所示，使用Al-P和Ni非晶复合变质剂对过共晶Al-18Si-2Cu合金进行变质后，初晶硅与共晶硅变质更为均匀，初晶硅不但尺寸变小而且形态变得更加圆滑，棱角不是很明显，初晶硅平均尺寸为20μm。变质效果比单独使用Al-P变质效果更好。

图4 Al-P和Ni非晶复合变质后过共晶Al-18Si-2Cu合金的组织Fig.4 Microstructure of hypereutectic Al-18Si-2Cu alloy modified by Al-P and Ni amorphous composite

Al-P 和Ni非晶复合变质的Al-18Si-2Cu，试样(2-1)号尺寸3.54mm×1.82mm×10mm，抗拉强度255.4MPa，延伸率3.18%；试样(2-2)号尺寸3.78mm×1.96mm×10mm，抗拉强度247.6MPa，延伸率3.22%。可以看出，使用Al-P和Ni非晶复合变质的Al-18Si-2Cu合金，平均抗拉强度为251.5MPa，平均延伸率为 3.20%。合金的抗拉强度和延伸率都比较高，原因是经过Al-P和Ni非晶复合变质后，Al-18Si-2Cu合金的初晶硅和共晶硅分布都比较均匀，初晶硅细小且圆滑。

2.1.5 Al-P 和TiC复合变质

如图5所示，使用Al-P和Ni非晶复合变质剂对过共晶Al-18 Si-2Cu合金进行变质后，共晶硅和初晶硅的分布都相对均匀，初晶硅晶粒尺寸也有所减小，平均粒度尺寸为30μm左右，初生硅形态不规整，而且出现了条状初晶硅，这会在材料受力时产生应力集中，影响使用。

Al-P 和TiC复合变质的Al-18Si-2Cu，试样(3-1)号尺寸3.66mm×1.98mm×10mm，抗拉强度183.7MPa，延伸率1.63%；试样(3-2)号尺寸3.64mm×1.92mm×10mm，抗拉强度181.7MPa，延伸率1.43%。可以看出，经过Al-P和Fe非晶复合变质后，合金的平均抗拉强度为182.7 MPa，平均延伸率为1.53%。无论是抗拉强度还是延伸率都表明，Al-P和TiC复合变质效果并不好。

图5 使用Al-P和TiC复合变质后过共晶Al-18Si-2Cu合金的组织Fig.5 Microstructure of hypereutectic Al-18Si-2Cu alloy modified by Al-P and TiC composite

2.2 热处理对变质Al-18Si-2Cu合金组织与性能的影响

为了提高力学性能、加工性能和稳定尺寸，需对过共晶铝硅合金进行热处理。本次实验对Al-18Si-2Cu采用T6热处理。T6热处理包括固溶处理和完全人工时效，即把合金加热到高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中后快速冷却(水冷)，以得到过饱和固溶体。较高的时效温度和较长的保温时间可使合金获得最大的硬度和最高的抗拉强度，但会使其伸长率较低。根据合金成分不同，参数的选取也不同，本实验所选取的工艺参数为：500℃固溶处理8h，60℃～100℃水冷，然后在180℃进行完全人工时效6h，空冷。

图6为Al-P变质Al-18Si-2Cu合金的热处理组织，可以看出，T6热处理使初生硅棱角钝化，长针状的共晶硅变得更加细小。试样在1822.8N的拉力下被拉断，最大伸长量为0.38mm，经计算，试样的抗拉强度为259.2MPa，延伸率为3.08 %。通过对比可以看出，试样在T6热处理之后抗拉强度和延伸率有一定提高，这主要是初生硅和共晶硅被球化减小了其对铸件的割裂作用，提高了拉伸性能。

图6 Al-P变质Al-18Si-2Cu的热处理组织Fig.6 Heat treatment structure of Al-18Si-2Cu alloy modified by Al-P

图7为Al-P和Fe基非晶复合变质Al-18Si-2Cu的热处理组织。试样在1761.6N的拉力下被拉断，最大伸长量为0.32mm，经计算，试样的抗拉强度为263.7MPa，延伸率为3.19%。与未经热处理的合金相比，试样在T6热处理之后抗拉强度和延伸率有一定提高。

图8为Al-P和镍非晶复合变质Al-18Si-2Cu的热处理组织。试样在1761.0N的拉力下被拉断，最大伸长量为0.29mm，经计算，试样的抗拉强度为270.4MPa，延伸率为3.23%。T6热处理使得基体得到了固溶强化，变质Al-18Si-2Cu的硬度会有较大提高，完全人工时效使其抗拉强度有所提高。

图7 Al-P和Fe基非晶复合变质Al-18Si-2Cu的热处理组织Fig.7 Heat treatment microstructure of Al-18Si-2Cu alloy modified by Al-P and Fe

图8 Al-P和Ni基非晶复合变质Al-18Si-2Cu的热处理组织Fig.8 Heat treatment microstructure of Al-P and Ni amorphous composite modified Al-18Si-2Cu

图9为Al-P和TiC复合变质Al-18Si-2Cu的热处理组织。试样在1027.7N的拉力下被拉断，最大伸长量为0.081mm，经计算，试样的抗拉强度为182.5MPa，延伸率为1.91%。Al-P和TiC复合变质Al-18Si-2Cu合金在铸态下的抗拉强度和延伸率不高，经过T6处理之后，试样的性能与非晶处理的试样仍有一定的差距。

图9 Al-P和TiC复合变质Al-18Si-2Cu的热处理组织Fig.9 Heat treatment microstructure of Al-P and TiC composite modified Al-18Si-2Cu

2.3 非晶变质处理温度对Al-18Si-2Cu组织及性能的影响

通过实验和对比分析可以看到，使用Al-P和Ni基非晶作为变质剂对Al-18Si-2Cu合金进行复合变质，变质效果良好，无论是在铸态下还是在T6热处理后，变质合金都具有较高的抗拉强度和延伸率。所以，我们有必要以温度为变量，探讨非晶变质温度对过共晶铝硅合金组织及性能的影响，研究最适合Al-P和Ni基非晶复合变质剂的变质温度。我们分别对变质温度为790 ℃、820 ℃、850 ℃进行了实验。

2.3.1 变质温度790℃

在850℃条件下熔化Al-18Si-2Cu合金板，然后把炉温降低，用温度计测量为790℃后，加入Al-P变质剂，然后加入Ni基非晶。图10为变质后Al-18Si-2Cu合金的金相组织。试样(0-1)号尺寸3.70mm×1.38mm×10mm，抗拉强度232.4MPa，延伸率3.10%；试样(0-2)号尺寸3.70mm×1.32mm×10mm，抗拉强度224.1MPa，延伸率3.13%；经计算，材料的平均抗拉强度为228.3 MPa，平均延伸率为3.12 %。

图10 变质温度790℃下Al-18Si-2Cu合金的金相组织Fig.10 Metallographic structure of Al-18Si-2Cu Alloy at metamorphic temperature 790℃

2.3.2 变质温度820℃

图11为变质后Al-18Si-2Cu合金的金相组织。在相同试样长度下，变质温度为820 ℃时试样的伸长量高于变质温度为790℃的试样。试样(1-1)号尺寸3.36mm×1.80mm×10mm，抗拉强度292.1MPa，延伸率3.45%；试样(1-2)号尺寸3.52mm×1.82mm×10mm，抗拉强度265.8MPa，延伸率3.24%；经计算，试样的平均抗拉强度为265.8MPa，平均延伸率为3.24%。相比之下，抗拉强度和延伸率均高于变质温度为790℃的试样。

图11 变质温度820℃下Al-18Si-2Cu合金的金相组织Fig.11 Metallographic structure of Al-18Si-2Cu Alloy at metamorphic temperature 820℃

2.3.3 变质温度850 ℃

图12为变质后Al-18Si-2Cu合金的金相组织。试样(2-1)号尺寸3.50mm×1.66mm×10mm，抗拉强度249.5MPa，延伸率3.11%；试样(2-2)号尺寸3.54mm×1.82mm×10mm，抗拉强度223.6MPa，延伸率3.19%；试样(2-3)号尺寸3.64mm×1.28mm×10mm，抗拉强度237.5MPa，延伸率3.03%；经计算，试样的平均抗拉强度为236.8 MPa，延伸率为3.11%。相比于变质温度为820 ℃的试样，其抗拉强度和延伸率都有所降低，说明850 ℃的变质温度下，Ni非晶的孕育效果受到了弱化。

图12 变质温度850℃下Al-18Si-2Cu合金的金相组织Fig.12 Metallographic structure of Al-18Si-2Cu Alloy at metamorphic temperature 850℃

3 结论

本文研究了复合变质对Al-18Si-2Cu合金组织及性能的影响，得到了如下结论：

(1)Al-P是一种有效细化过共晶铝硅合金中初生硅的变质剂，加入Al-P后，Al-18Si-2Cu中的初晶硅变得均匀，平均晶粒尺寸由130μm降低到20μm。Al-P变质后Al-18Si-2Cu合金平均抗拉强度为214MPa，平均延伸率为2.4%。

(2)非晶对初生硅影响不大，但能增加共晶硅的形核数量，使针状的共晶硅得到细化。加入非晶后，Al-18Si-2Cu合金的抗拉强度有一定提高，其中Ni非晶的变质效果比Fe非晶好。在拉伸试验中，Al-P与Fe非晶的复合变质后，材料的抗拉强度为197.7MPa，延伸率为 2.11%；而Al-P与Ni非晶的复合变质后，材料的抗拉强度达到了251.5MPa，延伸率为3.20%。

(3)Al-P与TiC复合变质对Al-18Si-2Cu的变质效果不太明显。变质后，试样的延伸率为1.53%，抗拉强度为182.7MPa。

(4)T6热处理不能改变初生硅的大小，但能使初生硅晶粒圆钝化，此外，热处理能使针状和条状的共晶硅粒化。在拉伸试验中，圆钝化的初晶硅和粒状的共晶硅能减少应力集中，减小了其对铸件的割裂作用，使变质后的Al-18Si-2Cu抗拉强度都有所提高。

(5)最适合Ni基非晶的变质温度是820℃，此时，变质后的Al-18Si-2Cu具有最大的抗拉强度278.9MPa和最高的延伸率3.39%，当温度达到850℃时，Ni基非晶的变质效果受到了弱化。