Ti掺杂及冷却速率对共晶铝硅合金组织结构的影响①

2022-06-27刘士斌许建伟李洋洋

佳木斯大学学报（自然科学版） 2022年3期

刘士斌, 王静, 许建伟, 李洋洋

(1.佳木斯大学材料科学与工程学院,黑龙江佳木斯 154007;2.百色学院材料科学与工程学院,广西百色 533000)

0 引言

铝硅合金由于良好的可铸造性,成本低廉,产量高,低热膨胀系数和高比强度等优点被广泛的应用于制造发动机气缸、活塞转子等关键零部件[1]。但是熔铸法制备的铝硅合金中,共晶硅通常以层片状形式存在,层片状的共晶硅容易产生应力集中,导致共晶铝硅合金综合力学性能下降,影响了其使用效果。变质处理是目前细化铸造铝硅合金最有效的方法[2-5]。早在上世纪20年代,研究者就对变质处理对共晶铝硅合金形貌的影响做了大量的研究,研究表明,变质剂Sr的加入能够有效的抑制共晶铝硅合金的生长,达到细化共晶硅尺寸的目的[6]。变质剂的加入虽然在一定程度上能够细化共晶硅尺寸,但变质元素的添加会使共晶铝硅合金熔体产生十分严重的吸氢现象,使铸件的孔隙率增加,影响共晶铝硅合金的综合力学性能。针对变质剂的上述缺点,研究者提出化学变质法,通过加入微量变质金属元素来达到变质效果,由于其成本低廉,易于操作等优点成为工业生产中广为使用的变质处理方法。在铝硅合金中加入Ti可以有效的提高材料的硬度和拉伸强度,同时能够提高共晶铝硅合金的耐蚀性和抗氧化性[7]。微量Ti的添加可以大大细化共晶铝硅合金中的α铝相,起到枝晶强韧化的效果。杨涤心等认为在铝合金中加入钛细化了晶粒,增加了晶界面积[8]。综上所述,通过研究Ti掺杂对共晶铝硅合金中共晶硅组织结构影响的研究,对制备高性能共晶铝硅合金具有重大的实际应用价值。

1 实验材料及方法

实验熔炼所选用的合金为Al-10%Si,Al-20%Si,Al-13%Si,Al-3%Ti。合金均购买自徐州思源铝业有限公司。其化学成分如表1—3所示。

表1 Al-10%Si的化学成分

表2 Al-20%Si的化学成分

表3 Al-3%Ti的化学成分

熔炼工艺:将Al-20%Si与Al-10%Si中间合金按照一定的配比在电阻炉中熔炼,在720℃条件下保温30min,使Al-20%Si与Al-10%Si中间合金全部熔化,进行扒渣,在720℃加入不同含量的Al-3%Ti中间合金(0%,0.3%,0.6%,0.9%),大约保温5min 后通入氩气,在720℃保温10min,对液体进行2次扒渣,继续在720℃下保温10min,倒入四种不同冷却速率(5℃/s,10℃/s,50℃/s,500℃/s)的模具中制得Al-13wt%Si金属铸锭。

选用Zeiss MX82-X 显微镜对铝硅合金金相组织进行观察,样品用水砂纸磨到1200#后进行抛光,采用0.5wt%的氢氟酸对样片进行腐蚀5-10s,深腐蚀采用10m LHF + 15m LHCl +75m LH2O 为腐蚀液,腐蚀120s。共晶硅尺寸的测量方法采用测量视场中的共晶硅尺寸的平均值。在变质或过冷后,共晶硅形貌的变化使得其长度难以测量故采用其宽度的测量来代表其细化程度。选用Hitachi S4800扫描电子显微镜对制备材料的形貌进行检。

2 实验结果与讨论

图1为未掺杂Ti元素与掺杂Ti之后共晶铝硅合金的XRD 图谱,由图中可以看到,没有掺杂Ti元素的共晶铝硅合金中只出现了Al,Si的峰值,合金主要有Al相,Si相组成,而掺杂Ti之后的共晶铝硅合金,合金中除了有Al相、Si相,还出现了Al2Ti相。说明Ti元素成功掺杂到共晶铝硅合金中形成了Al2Ti化合物。而Al2Ti化合物的峰值与Al的峰值几乎重合,说明Al2Ti可作为共晶铝硅合金的异质形核点。

图1 Ti掺杂前后Al-13wt%Si的XRD图谱

2.1 Ti掺杂对共晶铝硅合金组织的影响

图2为不同Ti掺杂量制备的共晶铝硅合金的金相组织,由图2(a)可以看出,未掺杂Ti的共晶铝硅合金中初生硅以层片状形式存在,尺寸较为粗大,对基体割裂比较严重。随着Ti的掺杂,但Ti掺杂量较小时,如图2(b)所示,共晶铝硅合金中的初生硅虽然割裂为较小的尺寸,但仍以层片状形式存在于基体中,继续增加Ti的掺杂量,如图2(c)所示,当Ti的掺杂量增大到0.6%时,共晶硅组织由层片状逐渐细化为球状,分布也更加的均匀,继续增加Ti的掺杂量到0.9%时,共晶硅的尺寸基本不在发生变化。

图2 不同Ti掺杂量对Al-13wt%Si组织结构的影响(a)未掺杂Ti(b)0.3%Ti(c)0.6%Ti(d)0.9%Ti

2.2 冷却速率对Ti掺杂共晶铝硅合金组织的影响

图3为不同冷却速率对Ti掺杂共晶铝硅合金中共晶硅形貌的影响。可以看出冷却速率对Ti掺杂的共晶铝硅合金形貌的影响较大、随着冷却速率的不断加快,共晶硅的尺寸不断细化,同时共晶硅的形貌也发生了明显的变化,当冷却速率较慢时,如图3(a)所示,共晶硅组织呈现较大的层片状。当冷却速率加大到10℃/s时,如图3(b)所示,缓慢的增加冷却速率对共晶硅形貌影响并不大,共晶硅仍以层片状形式存在于基体中。随着冷却速率的进一步加大到50℃/s,如图3(c)所示,进一步加大冷却速率,可使共晶硅组织形貌发生明显的变化,共晶硅完全变质,无未变质的块状或层片状的组织存在。共晶硅以纤维状均匀分布于基体中。但同时冷却速率对Ti掺杂共晶铝硅合金的影响也存在临界冷却速率,当继续加大冷却速率到500℃/s时,如图3(d)所示,由于过高的冷却速率引起的成分偏析,使共晶铝硅合金出现明显的成分分布不均匀的现象,细化效果反而减弱。

图3 不同冷却速度对Ti掺杂Al-13wt%Si组织结构的影响(a)5℃/s(b)10℃/s(c)50℃/s(d)500℃/s

2.3 冷却速率对Ti掺杂共晶铝硅合金变质机制的探讨

关于共晶硅的变质机理,Lu等[8]提出的杂质诱发孪晶机制是目前最被广泛接受的。有研究结果显示,共晶硅的变质效果,很大程度上取决于其形核过程。Ti的加入主要是在熔体中与Al发生反应生成Al2Ti化合物,Al2Ti化合物可作为异质形核点,从而细化初生硅组织。Ti的掺杂可以使共晶铝硅合金中初生硅组织尺寸明显减小。根据Lu的理论[8],Ti掺杂后,Ti吸附于Si的(111)晶面,共晶硅以孪晶的方式生长,在其(111)晶面上会有突出的生长台阶。Ti作为变质剂原子就作用于其生长台阶上,抑制其继续生长。同时由于变质剂原子的作用,会在台阶表面生成大量的高密度孪晶,共晶硅会以Ti为形核点,改变其原有的生长方向,使其继续以孪晶的形式生长为球状或纤维状。冷却速率的提高会增加Ti掺杂在Si的(111)晶面的吸附效果,致使附着在共晶硅上的Ti含量得到提高,有利于孪晶的产生。因此,冷却速率的提高,可以提高Ti元素对共晶硅的变质效果。