磷对过共晶A390合金组织和硬度的影响

王雨旋，石为喜，杨 俊，刘 阳，罗心怡，鄢嘉诚，张继源

(辽宁科技学院 冶金工程学院，辽宁 本溪 117004)

A390合金系典型的多元过共晶铝硅合金，该合金主要由铝、硅、铜和镁等构成，其化学成分为：Si 16%～18%，Cu 4.0%～5.0%，Mg 0.45%～0.65%，Mn﹤0.1%，Fe﹤0.5%，Zn<0.1%，Ti<0.2%，余量为Al。A390合金除了具有良好的铸造性能以外，还有较低的线膨胀系数、较高的耐磨性及优良的耐腐蚀性能等，因而在汽车工业领域应用较为广泛，尤其被用于制造发动机活塞等零部件〔1-2〕。采用常规铸造方法所制得的A390合金，其组织中初晶硅一般呈粗大的板片状或者多角块状，共晶硅一般以长针状形态存在，造成合金性能降低，切削加工性变差。在决定A390合金的性能方面，合金中的初晶硅相的形状、尺寸及分布起了非常关键的作用，因此需要对其进行细化处理以提高合金的机械性能〔3-4〕。

磷是初晶硅的理想变质剂，P对初晶硅具有很好的细化效果。目前在对过共晶铝硅合金中初晶硅的变质处理研究中，常用的磷类变质剂有铝磷、铜磷、磷盐和赤磷等〔5-6〕，因此，文章以Cu-14%P合金为变质剂来细化处理过共晶A390合金，对变质前后合金的组织和硬度进行详细的研究。

1 试验方法

以过共晶A390合金为实验原材料，Cu-14%P合金为变质剂。在A390合金中分别加入0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.5%和2.0%的P变质剂。

变质工艺过程：将称量好的A390合金放置于井式电阻炉内的石墨坩埚中，调节温控仪程序升温至780 ℃，保温一定时间，合金熔化后，搅拌熔体，除去表面浮渣，将变质剂Cu-14% P加入石墨坩埚中，保温全部熔化后，用C2Cl6对合金液进行除气精炼处理，保温10 min后除渣，浇注于铁质模具中，获得合金铸锭。

从铸锭相同位置利用线切割车床割成15 mm×20 mm的图形试样，按照金相制样程序制得样品，采用0.5 wt% HF酸对样品表面进行腐蚀。采用金相显微镜(OM，蔡司Axio Imager M2m型)、扫描电镜(SEM，蔡司EVO18型扫描电镜，装有牛津X-Max能谱仪)对变质前后的A390合金样品表面形貌、组织和成分进行观察和分析。采用X射线衍射仪(XRD，布鲁克D8-ADVANCE型)分析变质前后的合金样品物相的变化。采用布氏硬度计(HB-3000)测量变质前后合金样品的硬度，压头直径选用5 mm，试验载荷力选用为250 kg，载荷保持时间选为30 s。用读数显微镜测量压痕直径，相互垂直方向各测一次，取其平均值，对照金属布氏硬度数值表读出试样的硬度值。

2 结果与讨论

2.1 微观组织

利用金相显微镜对合金微观组织形貌进行观察，未加入变质剂的 A390合金及不同加入量的P变质剂变质处理后的A390合金的微观组织如图1(a)-(h)所示。

(a)未变质

从图1可以看到，P变质前后的A390合金的铸态组织中都存在着初晶硅、共晶硅和灰色的组织。初晶硅以多角形状或者不规则形状分布(黑色有棱角的块状)，而共晶硅为长针状(黑色细条状)，灰色组织为CuAl2相(在后来的XRD和SEM检测中，证明该组织的存在)分布于白色铝基体上。同时在P变质后的A390合金中还发现了细长针状的黑色组织(该相组织将在后续开展研究)，如图1(f)、图1(g)和图1(h)所示。随着P加入量的增加，A390合金中的初晶硅的晶粒尺寸变小，其尖角形状钝化，灰色组织的CuAl2相明显增加。由此得出变质剂P的加入，可细化A390合金中的初晶硅相，同时对其形态也有影响，还可以看出，Cu-14%P的加入对A390合金中的共晶组织也有一定的作用。

通过用Ruler电子尺软件测量加入P变质剂前后A390合金中初晶硅的晶粒尺寸，每个试样都选取了3张有代表性的金相图片，利用软件对图像中的初晶硅进行测量，计算求得晶粒尺寸平均数值，将其测量结果绘制成图2。

P的加入量(wt/s)

从图2可看出，初晶硅晶粒尺寸在P变质剂加入后细化效果比较明显。初晶硅晶粒尺寸随着P的加入量的增加呈先减小后增大的趋势。当P变质剂的加入量为0.8%时，初晶硅的晶粒尺寸达到最小值，约为15 μm。这表明在过共晶A390合金中，P变质剂的加入量有一个区间范围，大约0.8%。

2.2 XRD分析

采用X射线衍射仪对P变质前后A390合金相的变化进行测试和分析，其图谱如图3所示。

(a)未加变质剂，(b)0.8%P变质后

由图3可知，P变质前后的试样中的主峰值与Al、Si和CuAl2的衍射峰都具有良好的对应关系。与未添加P的试样相比较，在加入Cu-14%P的试样中检测到了AlP的衍射峰。Si的晶格常数(aSi)为5.45Å，而AlP的晶格常数(aAlP)为5.42Å，两者从其数值来看相差无几。从图中可看出AlP化合物在图谱上显示出了五条不同角度的衍射峰，相比于Si相的衍射峰，AlP的峰值与Si相比较吻合，这说明A390合金中加入P变质剂后，P可能与Al生成大量的AlP相，AlP的熔点大约为1 000℃，可为初晶硅提供大量的形核核心，使初晶硅得到细化，其变质机理符合异质形核理论。

2.3 SEM分析

采用扫描电镜对变质后的合金进行分析，P的加入量为0.8%的扫描电镜图片如图4(a)所示。对图4(a)中的浅灰色组织进行能谱分析，如图4(b)所示。

(a)浅灰色组织

经扫描电镜能谱成分分析，浅灰色组织其元素成分比例如表1所示，其中Si的原子百分比含量只有0.78%，Al和Cu原子百分比含量分别为38.39%和16.74%，Al和Cu的原子比大约为2∶1，因此可判断该组织为CuAl2相。

表1 浅灰色组织EDS成分

2.4 硬度试验

过共晶A390合金组织中存在着初晶硅相、共晶硅相、CuAl2相和Al基体组织，其硬度不同且存在较大差异，因此适宜采用布氏硬度实验测量合金材料硬度。P加入量对A390合金硬度的影响如图5所示。

图5 P加入量对A390合金硬度的影响

由图5知，A390合金的硬度随P变质剂加入量的增加而不断增大。当P为0.8%时，合金的硬度最佳，即168 HB，而继续增加P的加入量，合金的硬度呈下降趋势。金属材料的微观组织对其硬度值有着重要的影响，A390合金的硬度反比于初晶硅的晶粒尺寸，初晶硅晶粒尺寸越小，合金的硬度越大。

3 结论

(1)P变质剂对A390铝硅合金中的初晶硅细化效果良好，初晶硅的晶粒尺寸明显减小，其尖角钝化，其变质机理符合异质形核理论。

(2)当P的加入量为0.8%时，A390合金中的初晶硅晶粒尺寸最小，大约为15 μm，继续增加P的加入量，初晶硅的晶粒尺寸开始粗化。

(3)A390合金的硬度达到最大时约168 HB，此时对应P的加入量为0.8%，效果最为明显，继续增加P的加入量，合金硬度值随之降低。