成分互补熔体混合对过共晶铝硅合金组织的影响

2021-12-02杨凯雯陈雪美李康岚

中国铸造装备与技术 2021年6期

孙虎，杨凯雯，蒋壮，陈雪美，吴婷，李康岚

（宿迁学院材料工程系，江苏宿迁 223800）

0 引言

过共晶铝硅合金具有独特性能特点，如较高的耐磨性、良好的机械性能、低热膨胀系数和低密度。这些特性在汽车行业以及一些耐磨工况环境特别适用，因此其常用于节能型车辆的轻质部件，如活塞、连杆、发动机缸体等[1-3]。然而，在传统的重力铸造中，合金的微观组织是粗大的、不规则形状的初生硅颗粒，因此对机械性能和合金的耐磨性产生不利影响。初生硅相的形态还存在多边形、星状或鱼骨状等形态，因合金中Si 含量不同而异。初生硅颗粒硬且脆，容易在颗粒边缘产生应力集中，进而诱发产生裂纹。因此过共晶合金性能的提升依赖于原生硅颗粒和共晶硅的尺寸、分布和形态的改善。目前有几种技术可以改善初生硅的尺寸、分布和形态，例如熔体处理、半固态成型、挤压细化等[4]。

其中有工业前景的研究是熔体处理，通过添加合金元素或稀土金属进行化学处理，使初生硅颗粒通过精炼和改性，或通过改变熔体的结构，从而获得理想的凝固组织[5-7]。熔体混合是将两种不同温度和成分的合金或金属的熔体混合，最终经过扩散、熔体相互作用并凝固成目标成分合金的熔体处理过程。通常的熔体混合技术主要有：高低温熔体混合、高低成分熔体混合两种。高低成分熔体混合是通过将两种不同溶质元素含量的熔体混合成所期望成分合金的熔体混合方法，这种方法熔体成分纯净，在操作过程中不会带入其他合金元素，因此是一种非常有发展前景的熔体处理技术[8-10]。本文通过对高低Si 含量的熔体进行混合，研究成分互补对铸态合金的微观组织的影响。

1 试验材料与方法

试验采用的合金均为工业纯铝与多晶硅配制而成，用来进行熔体混合的成分分别为Al-7%Si合金、Al-12%Si 合金、Al-25%Si 合金。合金配制在SG2-5-10 井式电阻炉内进行，经六氯乙烷精炼后浇至金属型内待用。

熔体混合在两台井式电阻炉内进行，分别加热高低成分两种合金，待加热至设定温度后，从井式炉取出，经撇渣后，将高成分熔体取出，倒入低成分熔体的坩埚中，并充分的搅拌，待搅拌结束后浇入金属型模具中冷却。成分互补熔体混合方案如表1 所示。为考察熔体混合后合金的重熔稳定性，对熔体混合后的合金再次加热至730℃，后浇注至金属模中，本次试验重熔1，2 次。

表1 成分互补熔体混合实验方案

2 试验结果及讨论

2.1 不同成分互补熔体混合的对比

图1 为两种不同成分的互补熔体混合后的Al-20%Si 合金铸态组织与常规铸造的条件下Al-20%Si 合金的光学显微组织图，其中图1a 为常规铸造的合金组织，图1b 为Al-12%Si 合金与Al-25%Si 混合后的铸态组织，图1c 为Al-7%Si合金与Al-25%Si 混合后的铸态组织，从图1 可见，铸态合金的基体为α-Al 组织，在α-Al 基体上存在粗大不规则形状的初生硅组织和针状的共晶硅组织，因其颗粒数目有限，无法完成有效的颗粒平均直径统计，其平均直径约为127μm。相对于原始铸态组织，经Al-12%Si 合金与Al-25%Si 混合后的铸态组织中，初生硅发生明显的细化，经统计其颗粒平均直径约为35μm。而经Al-7%Si 合金与Al-25%Si 混合后，初生硅的颗粒平均直径约为26μm。但从颗粒的形状上看，初生硅的形态无论是否熔体混合均呈现不规则块状，熔体混合技术并不能改变第二相颗粒的形状。

成分互补的熔体混合过程是一个熔体温度场均匀化和浓度场均匀化的过程。在两种不同温度、浓度的熔体混合过程中，当高浓度高温度合金熔体倒入低浓度低温度合金熔体时，高温熔体迅速冷却，低温熔体迅速升温，此时熔体的内部温度和成分极度的不均匀，导致液相中出现强烈的对流。这种对流，一方面，流体流动时产生的冲击剪切力作用于初生硅晶核，使其发生碎裂分离，这些晶核的碎片在强对流的作用下被带到局部高温处，熔化形成更多更小的碎片。另一方面，混合熔体中的原子团或初生硅核也会随着对流在熔体内部游动。游到高温区会熔化，游到低温区会生长。由于混合熔体存在明显的温度起伏，在游动过程中成核的粒子会反复生长或局部熔化，最终会增加核数，从而使初生硅得到细化[11]。

2.2 熔体混合组织的重熔稳定性

熔体混合后的合金，经1，2 次重熔至730℃，而后再次冷却至室温，其组织如图2 所示。可以看出，图2a 的1 次重熔的凝固组织，初生硅尺寸明显小于图1a 的原始合金的初生硅尺寸；图2b 是2次重熔的凝固组织，组织中的初晶硅明显粗大，几乎接近于原始合金的初生硅组织。这说明，熔体混合处理合金具有一定程度的1 次重熔稳定性，2次重熔细化效果几乎消失。熔体混合时，熔体内部存在成分和组织的极大不均匀性，短时间的过热处理并不能消除混合熔体的不均匀性。因此经过1 次重熔后合金中初生硅的尺寸并没有明显长大，但是随着重熔次数的增加，这种组织的遗传性会逐渐随着熔体的均匀化慢慢消失。