探析熔体过热处理对亚共晶Al-Si合金凝固特性和组织的影响

牛 玉

（吉林化工学院，吉林 吉林 132022）

Al-Si合金在工业领域中应用广泛，表现出优异的铸造性能。相关研究指数，对Al-Si合金进行熔体过热处理，可将共晶硅转变成棒状或点状，无需使用变质剂，规避其带来的环境污染、性能衰退等问题，进而优化其凝固组织，强化结构的力学性能。

1 熔体过热处理实验

在合金从熔体转变为凝固状态的过程中，熔体温度与均匀化时间，会影响合金熔体的状态；凝固时的冷却条件，会影响合金的凝固组织性能。就此，实验目的在于探究熔体热处理对熔体状态的影响、冷却条件对凝固组织的影响，为Al-Si合金生产中共晶硅的控制提供帮助。

1.1 实验材料

选择99.995%的铝和99.999%的单晶硅为原材料，通过高真空中频感应炉进行材料的熔炼，获得进行Al-Si合金，其硅含量为17.59%。将Al-Si合金置于钢模中浇筑。浇筑结构为φ8×150mm，呈小棒状，用于熔体状态影响实验，分析熔体过热处理对Al-Si合金组织的影响。

选择高纯铝和多晶硅为原材料，通过高真空中频感应炉进行材料的熔炼，获得Al-Si合金，其硅含量为17.42%。将Al-Si合金置于钢模中浇筑[1]。浇筑结构为φ26×130mm，呈圆柱型，用于凝固组织影响实验，分析熔体过热处理对Al-Si合金凝固特性的影响。

1.2 实验方法

1.2.1 熔体过热处理对熔体状态的影响实验

首先应用显微镜、金相分析仪等设备，观察母材Al-Si合金的金相组织特征，发现初生硅粗大、分散在组织结构中；共晶硅以针状为主。说明该合金组织性能较差，需进行进一步处理。在此基础上，本文开展熔体过热处理实验，对Al-Si合金熔体进行等温液淬处理，分析其对初生硅的影响，明确熔体过热处理对Al-Si合金组织的影响。实验条件如下：

（1）过热温度为700℃，观察保温时间10min、30min、60min、120min的液淬组织特征；过热温度为800℃，观察保温时间10min、30min、60min、90min的液淬组织特征；过热温度为900℃，观察保温时间10min、30min、60min、90min的液淬组织特征；过热温度为1000℃，观察保温时间15min、30min、60min、90min的液淬组织特征；过热温度为1100℃，观察保温时间7min、20min、30min的液淬组织特征。观察不同等温液淬条件下，Al-Si合金组织的初生硅变化，其对组织的影响。

（2）将1号液淬组织在622℃温度条件下保温10min；将2号液淬组织加热至900℃，随炉冷却至622℃，保温10min，对比两种处理方式下初生硅的变化，明确熔体热经历对Al-Si合金组织的影响。

1.2.2 冷却条件对凝固组织的影响实验

按照700℃、900℃、1100℃的过热条件，对硅含量为17.42%的Al-Si合金进行处理，设置不同冷却速率，分析冷却条件对凝固组织的影响。在实验中，不同冷却速率通过Al-Si合金的不同台阶厚度来实现，共设置四个台阶，其对应的降温速率分别为904℃/s、139℃/s、28℃/s、5℃/s。在三种过热条件下保温30min，观察凝固组织、共晶组织形态特征。同时，对Al-Si合金熔体反复重熔，分别进行循环一次、循环三次的加热处理，分析循环过热对凝固组织的影响[2]。

2 熔体过热处理实验结果分析

2.1 熔体状态影响实验结果

2.1.1 等温液淬条件影响

通过显微镜观察不同等温液淬条件下的Al-Si合金组织可知，在同样的过热温度下，保温时间越长，合金组织内的初生硅数量越少，结构越小；在同样的保温时间下，过热温度越高，合金组织内的初生硅数量越少，结构越小。在1100℃的过热温度、30min的保温时间下，Al-Si合金内的初生硅结构最小、数量最少，且在组织内均匀分布，难以分辨初生硅和共晶硅。随着过热温度与保温时间的增加，共晶组织也会出现相应的变化，即分布均匀、结构细化。但熔体过热处理对其的影响显著低于初生硅组织。

根据定量金相分析，在某一个熔体过热温度下，只有保温时间达到一定数值后，初生硅组织方可表现出均匀化、细化的成果。在700℃的过热温度下，该数值为60min；在800℃与900℃的过热温度下，该数值为630min；在1000℃的过热温度下，该数值为20min；在1100℃的过热温度下，该数值为30min。在保温时间超过该数值后，即可在合金组织内形成伪共晶状态。

2.1.2 熔体热经历影响

在对熔体进行不同处理后，组织内初生硅的变化不同。将熔体直接在622℃保温时，初生硅相出现溶解现象，受组织内曲率影响，初生硅表现出不同的溶解速率。组织内尖角位置的初生硅溶解速度，要高于组织内的平面内位置，使得组织内平面区域的初生硅，大都以多边形结构存在，且具备钝化与球化特征。将熔体在900℃条件下过热处理，再置于622℃条件下保温，初生硅出现生长现象。在组织内部，小平面区域的初生硅聚集并生长。根据热力学理论可知，在同一温度条件下，合金熔体状态大致相同。但观察实验结果发现，在同样保温温度条件下，合金熔体是否经过过热处理，会对其组织形态产生影响。可见，在合金熔体状态下，其高温环节出现的结构变化，在温度降低后，不能完全恢复，可以判断合金组织与其熔体状态息息相关。

2.2 凝固组织影响实验结果

2.2.1 冷却条件对初生硅的影响

在700℃的过热温度下，不同冷却速率下的组织结构不同，在904℃/s、139℃/s的降温速率下，组织内的初生硅表现出细小、分布均匀的特征；在28℃/s、5℃/s的降温速率下，组织内的初生硅表现出粗大聚集特征，说明降温速率越快，越能够抑制初生硅的生长。

在900℃的过热温度下，不同冷却速率下的组织结构不同，在904℃/s、139℃/s、28℃/s的降温速率下，组织内的初生硅表现出细小特征，呈羽毛状分布，降温速率越高，该特征越显著。在904℃/s的降温速率下，组织内的初生硅甚至难以辨别。在5℃/s的降温速率下，组织内的初生硅较为粗大。在1100℃的过热温度下，所有降温速率下的组织初生硅均表现出细小、分布均匀的特征。可见，在合金凝固组织中，初生硅不仅受降温速率影响，还受熔体过热处理时的熔体状态影响。

同时，在不同的过热温度下，组织内初生硅的形态有所差异。在过热处理过程中，组织内初生硅不仅表现为星形，还出现羽毛状，更为均匀地分散在组织中，强化合金组织的性能。另外，根据各个组织的定量金相分析结果，在过热温度升高的条件下，不同冷却速率的组织内初生硅的面积差值缩小，说明冷却速率对组织内初生硅的影响程度逐渐降低，可判断过热处理会降低初生硅对降温速率的敏感性。

2.2.2 冷却条件对共晶组织的影响

为深入分析冷却条件对凝固特性的影响，本文还对冷却处理后的共晶组织进行观察与分析。分析结果显示，在对合金熔体进行过热处理时，降温速率与过热温度，均会对共晶组织形态产生影响。在降温速率加大或过热温度升高的条件下，共晶组织内的共晶硅从长片状转变为粒状，说明共晶硅的过冷度有所增加，对共晶硅的生长产生影响，强化合金性能。

同时，在Al-Si合金组织中，共晶硅过冷度的提升，还会导致非平衡凝固现象，使组织中的伪共晶区在相图内更为靠近硅的一侧。就此，可以判断，在Al-Si合金组织中，熔体过热处理温度越高，降温速率越大，共晶组织内的含硅量越大。而实际实验结果，也验证该结论。在降温速率固定的条件下，过热温度为700℃时，含硅量为10.32%；在过热温度为900℃时，含硅量为12.21%；在过热温度为1100℃时，含硅量为17.35%。

2.2.3 循环过热的影响

根据实验结果可知，和普通过热处理相比，一次循环过热的组织初生硅细化与均匀化程度更高；和一次循环过热相比，三次循环过热的组织初生硅细化与均匀化程度更高。可见，在熔体过热处理中，循环过热措施可强化熔体内初生硅的细化与均匀化程度。出现该现象的原因在于循环过热可为熔体提供更多的热量，提高熔体的均匀性，进而提高熔体在凝固再结晶过程中的过冷度，使合金组织得到细化。通过多次循环过热，可优化凝固再结晶过程，不仅可消除合金组织内具备生长特征的结构相，还可消除合金组织内的异质形核，有效抑制二者生长，优化合金组织结构。

综合上述分析结果可知，在Al-Si合金生产中，熔体过热处理的温度与降温速率，是影响其凝固特性与组织结构的主要因素。为避免Al-Si合金中出现粗大的初生硅，使初生硅与共晶硅细化，优化合金组织，制造企业可提升熔体过热处理的温度，并采取循环过热处理手段，提高Al-Si合金冷却时的降温速率，提高初生硅的细化程度，使其在Al-Si合金组织内均匀分布，提高共晶硅组织的含硅量，进而提升Al-Si合金组织的强度、硬度，使Al-Si合金的工业生产中的应用更为广泛。同时，在设定Al-Si合金熔体过热处理的温度时，制造企业需考虑合金材料的零件结构，对于尺寸较小、结构简单、壁薄的零件，以较低的温度进行熔体过热处理即可；对于尺寸较大、结构壁厚的零件，以较高的温度进行熔体过热处理，实现Al-Si合金熔体热处理参数的最优化，保障合金质量。

3 结论

综上所述，在熔体过热处理中，处理参数会影响Al-Si合金的组织，处理时的过热温度越高、保温时间越长，初生硅结构越小，在合金组织内的分布越均匀，Al-Si合金的性能越强。同时，冷却条件会影响Al-Si合金的凝固特性，制造企业可通过冷却速率提升、熔体处理温度升高、循环过热等方式，强化凝固特性，制备更优质的Al-Si合金，推动工业发展。