电磁能作用下Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金微观组织演变

刘宝志，闫春雷，黄 斌，李守军，李艳霞，邢淑清

(1.包头市威丰稀土电磁材料股份有限公司，内蒙古 包头 014010；2.内蒙古科技大学 材料与冶金学院(稀土学院)，内蒙古 包头 014010)

汽车发动机活塞在高温、高压的环境下工作，这对活塞的性能提出了较高的要求[1]。制备活塞通常采用Al-Si-Cu-Mg-Ni合金。Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金流动性好、密度低、强度高、耐腐蚀、耐磨、高耐热，是航空、汽车业等领域不可缺少的材料[2-4]。

晶粒细化可以基本消除偏析、缩孔、疏松，同时提高材料的强度、塑性和韧性。Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金微观组织是由初生相α-Al、共晶硅、耐热相组成[5]。细化晶粒可以改变材料的性能和使用寿命。添加变质剂、Al-5Ti-1B中间合金可以有效减少Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金微观组织中初晶硅、共晶硅的尺寸；但向熔体添加化合物，可能会对熔体产生污染[6]。物理场晶粒细化技术操作方便，可以满足金属洁净度要求，同时具备节能等优点，成为近些年来研究热点之一。脉冲电磁场作为一种新型晶粒细化方法，适用于多种金属。由于其低频率、低电压等特点，具备工业化应用价值[7]。

活塞合金凝固时容易出现成分分布不均匀的情况，即合金出现成分偏析，损害合金的各项性能。本研究基于脉冲电磁场携带能量的特性，对Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金熔体施加脉冲电磁场，并分别对常规铸造和施加电磁能铸造生产的Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金铸锭进行微观组织观察与成分检测，分析电磁能对Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金微观组织、成分偏析的影响，并探究其影响机制。

1 试验材料及方法

本试验所用设备由电磁能晶粒细化装置、3 t半连续铸造系统、浇铸盘、引锭装置、结晶器组成，如图1所示。试验材料为Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金，化学成分见表1。在整个试验过程中保持铸造工艺参数不变。开始浇铸后，熔体经流槽进入浇铸盘。电磁能晶粒细化装置安置于主流槽正上方，电磁能发生器与铝合金熔体表面间距小于10 mm。铸造过程稳定后，对熔体进行电磁能处理，处理后的熔体流入浇注口开始半连续铸造凝固过程。

图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the test device

表1 Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金化学成分(质量分数/%)Table 1 Chemical composition of Al-Si-Cu-Mg-Ni piston alloy (wt/%)

铸造参数如表2所示。电磁参数处理频率为40 Hz，电流为40 A，占空比分别取0.2、0.3。取未施加磁场与施加不同磁场的铸锭进行径向切割、取样。采用光学显微镜(OM)与场发射扫描电镜(FESEM)二次电子相模式观察Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金微观组织，观察位置为铸锭中心部位及边部，取样位置如图2所示。腐蚀剂采用Keller试剂。沿铸锭横断面径向取5点进行成分检测，使用等离子发射光谱仪测量合金铸锭横断面元素分布。

表2 Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金铸造工艺参数Table 2 Casting process parameters of Al-Si-Cu-Mg-Ni piston alloy

图2 取样位置示意图Fig.2 Sampling location diagram

2 试验结果

2.1 电磁能对Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金凝固组织的影响

图3为Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金X射线衍射图。由图3可知，Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金由Si、α-Al、Al3CuNi、Al7Cu4Ni、Al3Ni、Al2Cu、Q-Al5Cu2Mg8Si6、Mg2Si等相组成[8]。

图3 不同占空比条件下Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金X射线衍射图Fig.3 X-ray diffraction patterns of Al-Si-Cu-Mg-Ni piston alloy with different duty cycles

图4为不同占空比条件下Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金铸锭微观组织。未施加电磁能，Al-Si-Cu-Mg-Ni合金铸锭中心位置金相组织中初生相α-Al平均尺寸为310 μm，边部组织中初生相α-Al平均尺寸为200 μm。施加0.2占空比脉冲电磁场，初生相α-Al平均尺寸减小，心部位置初生相α-Al平均尺寸减小到240 μm，边部组织中α-Al平均尺寸为170 μm。当施加0.3占空比脉冲电磁场时，发现初生相α-Al平均尺寸增大。金相组织中心部初生相α-Al平均尺寸为290 μm，边部组织中初生相α-Al平均尺寸为181 μm。试验结果表明，脉冲电磁场的变化，会影响组织的晶粒尺寸。电磁场可以减小初生相α-Al一次枝晶臂间距、二次枝晶臂间距。

图4 不同占空比参数下Al-Si-Cu-Mg-Ni合金铸锭微观组织照片 Fig.4 Microstructure photos of Al-Si-Cu-Mg-Ni alloy ingot with different duty cycle parameters

图5为不同占空比参数Al-Si-Cu-Mg合金铸锭微观组织尺寸变化图。未施加电磁能，心部组织中初生相α-Al一次枝晶臂间距为76 μm，二次枝晶臂间距尺寸为15.28 μm；施加0.2占空比脉冲电磁场，心部组织中初生相α-Al一次枝晶臂间距为60.4 μm，二次枝晶臂间距尺寸为13.67 μm；施加0.3占空比脉冲电磁场，心部组织中初生相α-Al一次枝晶臂间距为71.63 μm，二次枝晶臂间距尺寸为15.17 μm。 未施加电磁能，边部组织中初生相α-Al二次枝晶臂间距尺寸为9.06 μm，一次枝晶臂间距长度为32.91 μm；施加0.2占空比脉冲电磁场，边部组织中初生相α-Al二次枝晶臂间距尺寸减小到7.8 μm，初生相α-Al一次枝晶臂间距尺寸为22.63 μm；施加0.3占空比脉冲电磁场，边部组织中初生相α-Al二次枝晶臂间距尺寸为8.96 μm，一次枝晶臂间距尺寸为26.98 μm。从以上数据可知，脉冲电磁场占空比的改变影响了Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金的细化效果。

图5 不同占空比参数Al-Si-Cu-Mg活塞合金铸锭微观组织尺寸变化Fig.5 Variation of microstructure size of Al-Si-Cu-Mg piston alloy ingot with different duty cycle parameters

施加脉冲电磁场后，电磁能作用下，总自由能变化为

ΔGtot=VΔGm+Sσ

(1)

式中：

V—晶核体积；

S—表面积；

ΔGm—磁场中固液相吉布斯自由能增量；

σ—为固-液界面能[8]。

电磁能作用于合金熔体，磁场中固液相吉布斯自由能增量计算公式为

ΔGm=ΔGv+(μ0ΔχSLH2)/2

(2)

激活能计算公式表示为[9]

(3)

将式(2)代入式(3)可得

(4)

电磁能计算公式为

(5)

磁感应强度B为

B=Hμ0μr

(6)

得到

(7)

ΔχSL=χS-χL…

(8)

式中：

H—磁场强度；

μr—相对磁导率；

μ0—真空磁导率；

w—电磁能密度；

ΔχSL—固液相体积磁化率的变化；

χL—液相体积磁化率；

χS—固相的体积磁化率；

ΔGv—单位体积吉布斯自由能差。

液相线以上一定温度区间有序排列原子集团的演变规律[10]：

R(T)=

T0≤T≤TC

(9)

式中：

R(T)—T温度下有序排列原子集团的平均半径；

α—几何形状因子，0<α≤1；

z1—金属熔化前的配位数；

r—原子集团中原子之间的距离；

k—玻尔兹曼常数；

C0—熔点处被激活原子的相对浓度；

Tm—熔点；

T0—过冷熔体中临界形核温度；

TC—熔体从液态到气态转变过程中发生第一次原子集团失稳的温度。

电磁场携带的能量可以降低激活能，激活能的变化，会影响原子集团的平均半径，激活能减小，原子集团尺寸减小，熔体中原子集团数目增加，使形核过程中形核率提高[11]。

2.2 电磁能对Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金耐热相的影响

图6为不同占空比参数下Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金微观组织，合金微观组织包括六种耐热相，其中δ-Al3CuNi为亮色，Q-Al5Cu2Mg8Si6为黑色，θ-Al2Cu为网状， ε-Al3Ni为块状。活塞合金中耐热相的数量、形状、尺寸会影响合金的力学性能[12-13]。未施加电磁能，耐热相尺寸较大，聚集程度高。当施加0.2占空比脉冲电磁场后，耐热相ε-Al3Ni的形态发生变化、由长条状转变为粒状，耐热相δ-Al3CuNi数目增多，耐热相Q-Al5Cu2Mg8Si6的分布状态发生改变，分布更加均匀，同时数目增多。当施加0.3占空比脉冲电磁场后，耐热相尺寸更加细小，白色的Q-Al5Cu2Mg8Si数目增多，Q-Al5Cu2Mg8Si6所占的面积增大。电磁能作用下，耐热相形态、分布、尺寸的改变，有利于提高材料的力学性能。施加0.2占空比脉冲电磁场时，微观组织中耐热相尺寸变得最细小，δ-Al3CuNi数目最多，同时Q-Al5Cu2Mg8Si6所占的面积最大。从以上数据可知，电磁能不仅可以细化初生相，在液相线温度上施加脉冲电磁场，耐热相的尺寸、分布也发生变化。

图6 不同占空比参数下Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金微观组织中耐热相变化Fig.6 Variation of heat-resistant phase size in the microstructure of Al-Si-Cu-Mg-Ni piston alloy with different duty cycle parameters

2.3 电磁能对Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金宏观偏析的影响

在铸锭横断面沿径向打5点, 利用等离子发射光谱仪测量Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金中溶质元素Si 和Cu、Mg在铸锭横断面上的分布情况。图7为Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金铸锭横断面元素相对偏析程度。

如图7所示，占空比为0.2，溶质元素Si、Cu及Mg的成分偏析现象得到改善[14]。

图7 Al-Si-Cu-Mg合金-Ni活塞合金铸锭横断面元素相对偏析程度分布情况Fig.7 Relative segregation distribution of elements of Al-Si-Cu-Mg-Ni piston alloy ingots in the cross-section

铸锭(横断面上)的局部元素相对偏析程度用Δw表示[15]：

(9)

式中：

wi—各个位置所测定的元素质量分数;

w0—检测元素质量分数的平均值。

通过改变电磁参数，合金宏观偏析被改善。电磁能作用下，熔体的溶质元素分布更加均匀。

3 结 论

1)电磁能作用下，Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金凝固组织中初生相α-Al平均尺寸、一次枝晶臂间距、二次枝晶臂间距减小。耐热相尺寸减小，数目增多，分布状态发生改变。

2)施加占空比为0.2脉冲电磁场，熔体的温度场与流场发生改变，溶质元素分配更加均匀，溶质元素Si、Cu、Mg的成分偏析现象得到改善。

3)电磁场降低激活能，熔体中有序排列原子集团数目增加是形核过程中形核率提高的主要原因之一。