不同成分铝硅合金熔体混合对初生硅相细化的研究_叶春生

2023年12月31日发(作者：周小琪)

Vol151 No13Mar.2002铸造#145#FOUNDRY研究与开发不同成分铝硅合金熔体混合对初生硅相细化的研究叶春生,宋俊杰,张新平,潘 冶1234(11康佳集团股份有限公司,广东深圳518053;21洛阳自来水公司洛南水源,河南洛阳471023;31吉林大学南岭校区材料科学与工程学院,吉林长春130025;41东南大学机械工程系,江苏南京210096)lSi合金熔体和低温亚共晶A-lSi合金熔体混合后对微观组织的影响。结果表明:熔体混合摘要:研究了高温过共晶A-并迅速搅拌后的初晶硅大大细化,在2min内浇注,可以获得分布均匀且尺寸小于25Lm的初晶硅;随着熔体保持时间的延长,初晶硅的尺寸有增大的趋势。探讨了对硅相的细化机理。关键词:过共晶A-lSi合金;熔体混合;硅相细化;保持时间中图分类号:TG113112 文献标识码:A 文章编号:1001-4977(2002)03-0145-03InvestigationonRefiningGranulesofPrimarySiPhabyMeltMixingwithDifferentComponentsofA-lSiAlloysYEChun-sheng1,SONGJun-jie2,ZHANGXin-ping3,PANYe4(.,Shenzhen518053,Guangdong,China;21Luoyangwatersupplycompany(Luonanfountain),Luoyang471023,Henan,China;31CollegeofMaterialsScienceandEngineering,JilinUniversity(NanlingCampus),Changchun130025,Jilin,China;41DepartmentofMechanicalEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210096,Jiangsu,China)Abstract:EffectofmelttreatmentbymixingthehightemperaturehypereutecticA-lSialloymeltandthelowtemperaturehypoundthatprimaryySipart-iclesizeisreducedto25Lmpouredintwominutes,eextendingofholdingtimes,ds:hypereutecticA-lSialloy;meltmixing;refiningofsipha;holdingtime 过共晶A-lSi合金的导热性好,热膨胀系数小,尺寸稳定性和耐磨耐蚀性好,有足够的高温强度和弹性模量,是制造汽车发动机活塞的理想材料,日本已应用在载重汽车和小轿车上,有逐渐取代灰铸铁的趋势112。然而该合金结晶温度范围宽,组织中初晶硅尺寸大导致力学性能降低,使其应用受到限制。因此,对过共晶A-lSi合金组织的细化工艺和方法的研究比较活跃。目前,细化的方法有两种:一是在熔体中加入细化元素的化学细化法;二是对金属的凝固过程进行动力学处理的动力学处理法。但这两种方法只能使初晶硅的尺寸细化到50~60Lm。根据凝固理论,金属材料一般都是由液态金属不平衡凝固得到,液态熔体凝固时的结构状态对晶粒的形核、生长及最终的组织、性能有直接的影响12,32。近几年,国内外研究人员对熔体混合和液态熔体结构进行了广泛的研究14~72,但所研究的熔体成分在混合前后基本不变,而对不同成分熔体混合的研究鲜有报道。本文主要阐述不同成分的高、低温熔体混合对所得的过共晶A-l17%Si合金微观组织的影响,为探索初晶硅的细化措施提供了新的途径,并为开发高性能、低成本的新型活塞材料提供一定的理论基础。1 试验方法试验用原材料为高纯铝和1工业结晶硅。熔炼在8kW井式电阻炉(I)和(II)中进行,其中电阻炉(I)提前30min熔炼,720e时分批加入粒度为8~12mm的1#工业结晶硅,待结晶硅完全熔解后将炉温升至780e,加入016%无毒精炼剂,精炼10~15min后继续将炉温升至至950e,配制过共晶A-l27%Si合金。电阻炉(II)中的熔体,待结晶硅完全熔解后升温至780e进行精炼处理,然后将熔体温度降低到610e,配制亚共晶A-l7%Si合金。最终将质量相同的两种熔体混合并迅速搅拌,停放一定时间后浇注到已预热至250~300e的金属型中。试验过程#收稿日期:2001-07-18收到初稿,2001-11-07收到修订稿。作者简介:叶春生(1970-),男,江苏泰兴人,硕士,主要研究方向是注塑模具结构设计和CNC编程。

# 146 # Mar.2002FOUNDRY Vol151 No13中分别采用电位差计和标准热电偶检测熔体的温度,取试样的同一位置经磨平抛光并用015%HF水溶液腐蚀后,用带有标尺的OLYMPUS显微镜观察金相组织,在相互垂直的方向上分别测定同一个初晶硅的尺寸,取其平均值作为该初晶硅的尺寸。每个试样随机测定10个初晶硅的尺寸,取其平均值作为该试样的初晶硅尺寸。2 试验结果图1显示了将950e浇注的过共晶A-l27%Si合金和610e浇注的亚共晶A-l7%Si合金以及将这两种合金混合后浇注的过共晶A-lSi合金的金属型试样的金相组织。(a)A-l27%Si合金,950e浇注 (b)未变质A-l7%Si合金,610e浇注 (c)混合处理后4min的合金,670e浇注(d)0106%Sr变质A-l7%Si合金,610e浇注 (e)950eA-l27%Si合金与Sr变质A-l7%Si (f)950eA-l27%Si合金与Sr变质A-l7%Si 合金混合处理后2min浇注 合金混合处理后4min浇注图1 由不同成分和温度熔体混合后浇注试样的金相组织Fig11 Microstructuresofthesamplespouredbymeltsmixedwithdifferentcomponentsandtemperature 图1a为950e浇注的过共晶A-l27%Si合金的金属型试样金相组织,初晶硅呈典型的板片状,厚度为40~50Lm,最大长度接近300Lm,共晶硅呈针片状;图1b为未经变质处理的亚共晶A-l7%Si合金在610e浇注试样的金相组织,共晶硅呈针片状;图1c是950e过共晶A-l27%Si合金与610e未变质处理亚共晶A-l7%Si合金混合后4min在670e浇注试样的金相组织,初晶硅细化,共晶硅呈针片状;图1d是0106%Sr变质的亚共晶A-l7%Si合金在610e浇注试样的金相组织,共晶硅呈点链状,有大量枝晶A相;图1e、1f为950eA-l27%Si合金与0106%Sr变质的610eA-l7%Si合金混合后的金相组织,图1e为混合后2min时浇注的组织,初晶硅的尺寸小于25Lm,共晶硅呈点链状,并且枝晶A相也大大细化;图1f为混合后4min时浇注的组织,初晶硅的尺寸变大,共晶硅仍然为点链状,枝晶A相更加细小。 图2表明了熔体混合后停放时间与初晶硅尺寸的关系,随着停放时间的延长,初晶硅尺寸逐渐增大。

铸造叶春生等:不同成分铝硅合金熔体混合对初生硅相细化的研究#147#由此可以定性说明,高温熔体与低温熔体混合后是吸热的。据此,可增大合金液在凝固过程中的过冷度。晶核的临界半径与过冷度之间的关系2RalTmRk=L$Tm式中 Rk)))晶核的临界半径 Lm)))金属结晶潜热图2 停放时间与初晶硅尺寸的关系Fig12 RelationshipofprimarySisizewithholdingtime1112:(2) Tm)))凝固温度 $T)))过冷度 Ral)))界面能过冷度与体积自由能之间的关系为:$GV=Lm$TTm(3)图3所示为熔体停放时间与合金硬度的关系,刚开始硬度变化不大,超过4min后硬度增加很快。说明停放时间不能太长,熔体混合有一个最佳的有效期,故为了制备出满足需求的材料应把握好停放时间。式中 $GV)))体积自由能由式(2)和式(3)可知,随着过冷度的增大,临界晶核半径减小,体积自由能的变化增大,结晶过程中的驱动力增加,有利于形核。在结晶温度范围内,过冷度的增大,将促使形核速度增加,从而细化初生Si相。4 结论图3 停放时间与硬度的关系Fig13 Relationshipofhardnesswithholdingtime(1)不同温度的过共晶A-l27%Si合金和亚共晶A-l7%Si合金按1B1比例混合,获得了过共晶A-l17%Si合金。(2)熔体混合后停放时间对初晶硅尺寸影响很大,随着停放时间的延长,初晶硅的尺寸增大,停放2min后浇注获得的组织中初晶硅分布均匀且尺寸小于25Lm。参考文献:112 全燕鸣.过共晶型铝-硅合金研究的进展1J2.轻合金加工技术,1996,(2):26~31122 黄良余.铝及其合金的晶粒细化简述1J2.特种铸造及有色合金,1997,(3):41~43132 魏朋义,傅恒志.熔体温度对快凝A-lSi过共晶合金条带微观组织及性能的影响1J2.金属学报,1996,(8):816~821142 坚增运,杨根仓,周尧和.A-l18%Si合金的温度处理1J2.中国有色金属学报,1995,(4):133~135152 常芳娥,坚增运,严文.熔体温度处理对A-l25%Si合金显微组织的影响1J2.西安工业学院学报,2000,(1):39~42162 lkd,1996,87(4):295~301172 GENGHao-ran,MAJia-Ji,-ferrousMetSocChina,1991,(12:137~141182 桂满昌,宋广生,贾均,李庆春.A-l18%Si过共晶合金熔体结构特征及磷的影响1J2.金属学报,1995,(4):177~182192 关绍康,沈宁福,石广新.熔体预处理对过共晶A-lSi合金组织及性能的影响1J2.郑州工业大学学报,1999,(2):5~71102 吴长春,郝德庆.物理化学1M2.北京:机械工业出版社,19881112 崔忠坼.金属学及热处理1M2.北京:机械工业出版社,19893 讨论将一部分低温熔体与一部分高温熔体相混合,低温熔体被迅速加热,高温熔体被迅速冷却,这样所形成的混合熔体既具有高温熔体的性质,又具有低温熔体的性质。一方面,高温熔体快速混合并搅拌后,被低温熔体快速冷却而改善了散热条件;另一方面,高温熔体由微观均匀的区域组成182,其结构状态保持到混合熔体中,导致后续组织中初生Si相的均匀分布。因此,高温熔体与低温熔体的混合,既克服了高、低温熔体各自的缺点,又利用了两者的优点,从而达到细化初晶硅和共晶硅的目的。另外,由于高、低温熔体的化学成分不同,快速混合时也发生成分的改变,最终变为过共晶A-l17%Si合金,即在最初的混合过程中熔体发生剧烈的反应。可以设想,过共晶A-l27%Si合金中的S-iSi原子对和亚共晶A-l7%Si合金A-lAl原子对发生反应生成A-lSi原子对,文献19,102说明了发生这种反应的热力学条件:1(UUA-A-lAl+US-iSi)lSi>2(1)式中 UA-lSi原子对的作用能lSi)))A- UA-lAl原子对的作用能lAl)))A- US-iSi原子对的作用能iSi)))S-(编辑:杜向才)