P-Sr-RE 复合变质对过共晶铝硅合金微观组织的影响

2022-03-29刘夙伟郭宇航

中国铸造装备与技术 2022年2期

刘夙伟，任意，郭宇航

（1.江阴职业技术学院机电工程系，江苏江阴 214405；2.江苏科技大学材料科学与工程学院，江苏镇江 212003）

过共晶铝硅合金具有热膨胀系数低、密度低、耐蚀性好、耐磨性好等优点，是制备铝合金的理想材料，被认为是航空航天、汽车和一般工程行业结构应用的优秀候选材料，用于生产制动转子、发动机缸体、缸套和活塞，在工程应用中可降低燃料消耗并改善车辆排放[1-3]。然而，经铸造生产的过共晶合金中，初晶硅粗大且棱角尖锐，其形貌为板片状或五瓣星状，而共晶硅则为粗大的针状结构，这可能导致过早的裂纹萌生和拉伸断裂，并影响合金的机械性能[4]。因此，必须对初晶和共晶硅进行细化和改性，以获得具有理想性能的细小分散硅相。一般来说，细小、球形、均匀分布的初晶和共晶硅可以改善过共晶铝硅合金的机械性能和摩擦学性能[5]。而含P 中间合金，由于具有显著地细化初生Si 相的作用，已被工业界广泛采用[6，7]。此外胡小琳[8]和Chen[9]等人报道RE 和Sr 复合变质对铸造铝硅合金的变质效果具有协同作用。因此，本文研究了RE 单独变质和RE+P+Sr 三种元素复合变质对过共晶铝硅合金微观组织的影响，对RE+P+Sr 复合变质机理进行了探究。

1 试验

1.1 原材料与设备

试验原材料为Al-25% Si、Al-5.6% P 和Al-8%Sr 中间合金以及混合稀土；除气精炼采用99.999%高纯Ar 气；在SG2.5-12 型坩埚电阻炉中熔炼，熔炼温度为1000℃，温控设备为XMT101数显调解仪；采用金相显微镜、SEM和XRD 进行观察和分析。

1.2 试验过程

对原料进行预热，温度为200℃，然后将其置于石墨坩埚后于电阻炉中进行熔炼，在高纯氩气气氛下，迅速将温度升至800℃后保温至熔化完成，静置扒渣；而后加入变质剂，Sr 加入后820℃保温15min、P 加入后850℃保温15min。熔炼结束后冷却至790℃倒入模具；完全冷却后对合金进行切样，并观察分析。

2 试验结果与分析

2.1 不同RE加入量对Al-25%Si 合金微观组织的影响

图1 为不同RE 加入量对Al-25%Si 合金微观组织的影响，可以看出，RE 加入量为0.3%时，合金中共晶硅多为粗针状，初晶硅为粗大的板片状或五瓣星状；当RE 加入量0.4%时，共晶硅相已有部分变质，由长棒状变为短棒状；当RE 加入0.6%时，共晶硅已有大部分变质，为短棒状，初晶硅变质效果不明显；当RE 加入量为0.8%时，合金已经完全变质，共晶硅基本上为短棒状或粒状，分布均匀，仅有一小部分为粗针状，初晶硅的圆形度也有很大提高，平均尺寸在45μm。当RE 加入量为1.0%时，共晶硅相尺寸反而增大，由颗粒状变为针状，初晶硅尺寸变为板片状、五瓣星状。

图1 不同RE 加入量对Al-25%Si 合金微观组织的影响

通过添加不同量的稀土，初晶硅和共晶硅均出现改变，随着加入量的增多，晶粒尺寸先减小后增加；这说明RE 的添加能够起到不错的变质效果。有研究发现，稀土的变质机理是由于能够在Al-Si 合金凝固界面处形成成分过冷，这会使得硅晶体生长易于分枝，从而使得共晶硅细化[10]。由于稀土元素是表面活性元素，且RE 元素的原子半径同硅原子的原子半径相差较大（RCe/RSi=1.56,RLa/RSi=1.6），因此部分稀土元素会在凝固过程中固溶于硅相形成间隙固溶体，造成晶格扭曲，这种晶格畸变会引起晶体缺陷，并由此促成多个方位的生长台阶，结果硅相向热力学、动力学较为容易生长的方向长成纤维状[11]。从图中还可看出，稀土元素对初晶硅的变质效果较共晶硅差，这是由于当初晶硅结晶时，其生长孪晶尺寸较大，且此时周围液相中α-Al 还未开始结晶，无法使稀土元素在初晶硅周围产生成分起伏，从而使得阻碍初晶硅孪晶生长的成分过冷区难以形成，影响了其变质效果。而随着稀土的含量继续增多，可以看出晶粒尺寸明显出现再增大现象，这是由于过量的稀土元素易聚集并长大成化合物，导致能够起实际变质效果的稀土元素相对减少，这将导致变质效果变差，从而使得初晶硅和/或共晶硅的晶粒尺寸增大。

2.2 RE+Sr+P 复合变质对Al-25%Si 合金微观组织的影响

文献[8，9]报道RE-Sr 和RE-P 复合变质对过共晶铝硅合金均有一定作用；因此，本试验对P-Sr-RE 三种元素的复合变质效果进行了探究，固定Al-P 合金加入量为0.1%，Al-Sr 合金加入量为0.8%，通过改变RE 的加入量，探究不同RE 含量P-Sr-RE 复合变质剂对Al-25%Si 合金微观组织的影响，如图2 所示。可以看出，RE 加入量为0.6%时，初晶硅已经转变成了块状，而且部分块状的棱角已经钝化，共晶硅部分细化成短棒状；RE加入量为0.8%时，初晶进一步细化，共晶硅细化成了短棒状；RE 加入量为1.0%时，初晶硅进一步细化效果不太明显，平均尺寸为33μm，共晶硅已完成变质为颗粒状或短棒状，继续加大RE 的量，RE 加入量为1.2%时，初晶硅平均尺寸略有增大，且共晶硅也出现粗化现象，部分为短棒状和针状。图3 为P-Sr-RE 复合变质后的XRD 图，可以看出复合变质Al-25%Si 合金中含有AlP、Sr3P2、AlCe3相。

P-Sr-RE 复合变质时，三种元素对合金共同作用从而起到变质效果。其中，P 对初晶硅变质机理是[12-13]P 可在液态合金中形成大量的AlP 质点，AlP 质点熔点较高（高于1000℃），可为初晶硅的形核提供场合；同时，AlP 质点的晶体结构同硅相相似且两者具有相近的晶格常数（Si 为0.543 nm，AlP 为0.546 nm）；此外，两者均具有相近的最小原子间距（Si 为0.244 nm，AlP 为0.756 nm），AlP 与初晶Si 均为面心立方，且晶格错配度小于1%，以上条件使AlP 质点能够成为硅相的本质核心，在凝固过程中可为初晶硅的形核提供场所，从而使初晶硅得到细化。但是，复合变质时，三种元素之间也会相互作用产生不利影响：（1）P 和稀土元素Ce 反应消耗了P，导致起变质作用的P 和RE 均减少[14]，从而削弱了变质剂的变质效果（如生成CeP5、CeP 等）；（2）RE 元素容易与其他元素形成富稀土相，如图3 XRD 图中出现的AlCe3相，进一步削弱了RE 的变质效果；（3）P 和Sr 两种元素在液态合金中相互作用，导致P 与Sr 发生毒化，这也会削弱两种元素的变质效果，使得初晶硅和共晶硅均出现粗化现象。图3 是RE+Sr+P 复合变质后XRD 图，从图中可以看出，存在Sr3P2、AlP 和AlCe3等相，这与我们之前的分析结果一致。虽然元素之间发生作用而减弱变质效果，但并不代表复合变质剂效果不佳，三种元素之间的优异变质性能也能互补，结合图1 和图2 可以发现，复合变质下初晶硅更多呈现块状，无锋利棱角，且初晶硅和共晶硅尺寸可快速细化，变质效果优异。

图2 不同RE 加入量对Al-25%Si 合金微观组织的影响

图3 RE-Sr-P 复合变质X 射线能谱

2.3 变质效果的重熔性

在实际工业生产中，往往在浇注成型出合格的铸件后，总是不可避免地出现不合格铸件和浇注系统留下的废料，从经济效率及绿色生产角度来看，如若能够将这些废品废料再利用，这无疑将节约大量的成本和提升生产效率。这就涉及到变质处理后合金的重熔性，重熔性便是判断变质剂能否在工业生产中可广泛应用的标准之一。

通过对过共晶铝硅合金进行变质，结果表明，P-Sr-RE 复合变质剂具有良好的变质效果，可以使合金中初晶硅和共晶硅尺寸快速细化。但作为变质剂，其变质效果和重熔性能需要综合考虑。为了验证该变质剂的重熔性能，对经变质后的过共晶铝硅进行重熔实验，共重熔5 次，每次重熔后对合金中初晶硅和共晶硅进行观察，检验重熔对变质合金的影响。经过金相观察得到不同重熔次数后初晶硅和共晶硅的晶粒尺寸如表1 所示，随着重熔次数增多，初晶硅和共晶硅晶粒尺寸均增大。其中初晶硅在一次重熔、二次重熔和三次重熔后，平均晶粒尺寸变化较大，分别约为38μm、45μm和50μm 左右，再经两次重熔后，晶粒尺寸变化较小，约53μm 和55μm。同时，共晶硅晶粒尺寸也呈增大趋势，但尺寸变化较小，重熔后共晶硅形貌SEM如图4 所示，为蠕虫状或圆点状。初晶硅和共晶硅晶粒尺寸出现增大现象说明重熔后变质剂的变质效果变弱，但初晶硅尺寸均小于60 μm，共晶硅尺寸均小于10μm，由此可见该变质剂经过重熔够仍然具有良好的变质效果，说明其满足重熔性这一生产标准。

表1 重熔次数对Al-25%Si 合金硅相尺寸的影响

图4 不同重熔次数后共晶硅SEM图

2.4 冷却速度对变质效果的影响

合金在铸造过程中，使用不同的模具时金属液的冷却速度是不同的。为了探究冷却速度对变质处理后过共晶铝硅合金中初晶硅和共晶硅尺寸的影响，现采用金属型和石墨型两种模具进行浇注。图5 为变质后采用不同铸型浇注时的组织金相照片，可以看出，经过P-Sr-RE 复合变质后，在金属型模具中冷却时初晶硅多呈不规则圆形，而石墨型模具中冷却时初晶硅呈条状或片状，但初晶硅尺寸均较细小，且共晶硅为颗粒状或短棒状，晶粒尺寸亦差别不大。说明经过变质后，冷却速度对合金的组织形貌无显著影响，变质效果对冷却速度并不敏感。在实际生产中，这一性能可带来诸多便利。