林東來(lái)

摘 要：Al-Si合金是目前使用較為廣泛的工程材料，其具有良好的耐磨和耐熱等性能及易于鑄造和流動(dòng)性好等一系列優(yōu)良特點(diǎn)，它主要應(yīng)用于汽車(chē)、摩托車(chē)等發(fā)動(dòng)機(jī)活塞材料。當(dāng)前采用強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)Al-Si合金的晶粒進(jìn)行細(xì)化，提高鋁硅合金的性能和質(zhì)量的意義深遠(yuǎn)。本文概括當(dāng)前在強(qiáng)磁場(chǎng)下制備Al-Si合金的工藝研究并綜合分析強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)Al-Si合金性能的影響。

關(guān)鍵詞：Al-Si合金 強(qiáng)磁場(chǎng) 細(xì)化

中圖分類(lèi)號(hào)：TG146 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）10（b）-0073-02

如今我國(guó)經(jīng)濟(jì)已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展階段，節(jié)約資源、創(chuàng)新技術(shù)與發(fā)展綠色循環(huán)經(jīng)濟(jì)已成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。隨著工業(yè)、制造業(yè)的發(fā)展，材料科學(xué)也迅速發(fā)展，特別是生產(chǎn)領(lǐng)域上工程材料的廣范運(yùn)用，工程材料的性能（硬度、耐磨性、韌性等）也越來(lái)越受到人們的關(guān)注與研究。Al-Si合金，它是一種輕質(zhì)金屬材料，因其具備良好的耐磨和耐熱等性能及易于鑄造和流動(dòng)性好等特點(diǎn)被人們所關(guān)注。為了獲得更好的共晶合金材料，對(duì)細(xì)化合金的凝固組織進(jìn)行研究是有必要的。近些年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，在磁場(chǎng)下由于磁化力和洛倫茲力的作用對(duì)合金的凝固組織產(chǎn)生影響，將強(qiáng)磁場(chǎng)作為一種Al-Si合金改性手段，其性能得到了顯著提高。

1 強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)Al-Si合金細(xì)化處理的特點(diǎn)

隨著研究對(duì)Al-Si合金變質(zhì)細(xì)化處理的不斷深入，人們正努力尋找可以細(xì)化鋁硅合金的方法。恰巧在研究材料電磁過(guò)程中發(fā)展了強(qiáng)磁場(chǎng)材料科學(xué)，便有研究人員嘗試在Al-Si合金的凝固過(guò)程中使用磁場(chǎng)的方法[1]，通過(guò)對(duì)材料處理過(guò)程中增加電磁場(chǎng)的手段，達(dá)到細(xì)化合金凝固組織。此方法以無(wú)接觸地傳遞能量，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)污染加工工藝及設(shè)備簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，受到了廣大研究者的關(guān)注[2]。在研究過(guò)程中人們發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)磁場(chǎng)能改變?cè)拥倪w移、排列和匹配等行為，它可以無(wú)接觸地將高強(qiáng)度的能量傳遞到物質(zhì)的原子尺度來(lái)控制材料晶體取向和長(zhǎng)大過(guò)程中分布的顆粒大小與形狀等[3]，從而改善材料的結(jié)構(gòu)、組織及性能。

2 影響強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)Al-Si合金細(xì)化處理的因素研究

2.1 磁場(chǎng)梯度

綜合近幾年來(lái)在強(qiáng)磁場(chǎng)下制備Al-Si合金，磁場(chǎng)梯度在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也成為改變強(qiáng)磁場(chǎng)工藝的一個(gè)因素。梯度磁場(chǎng)下的磁化力是影響分布狀態(tài)與第二相遷移行為的主要控制參數(shù)，當(dāng)磁場(chǎng)梯度較小時(shí)，因磁化力受洛倫茲力的制約導(dǎo)致對(duì)第二相遷移控制的效果不明顯，但隨著增加磁場(chǎng)梯度，磁化力逐漸增強(qiáng)了作用效果。晉芳偉[4]等人在關(guān)于Al-Si合金凝固過(guò)程中通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)保持磁場(chǎng)強(qiáng)度基本穩(wěn)定在某一值的情況下，觀察凝固試樣在不同磁場(chǎng)梯度下的宏觀組織，發(fā)現(xiàn)偏聚初晶硅顆粒分布的較為均勻，且尺寸有逐漸變小的現(xiàn)象。因?yàn)镾i為抗磁性，而Al為順磁性，因此Si顆粒發(fā)生遷移由于磁場(chǎng)排斥力的作用，逐漸變小了聚集層的初晶硅尺寸。

2.2 磁場(chǎng)強(qiáng)度

根據(jù)目前實(shí)驗(yàn)研究，在強(qiáng)磁場(chǎng)下對(duì)Al-Si的初晶硅進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加熱至全熔態(tài)，由于強(qiáng)磁場(chǎng)抑制了對(duì)流效果，阻擋了自由移動(dòng)的初晶硅晶粒，當(dāng)其冷卻下來(lái)對(duì)凝固組織進(jìn)行觀察，顯然發(fā)現(xiàn)初晶硅形態(tài)有得到了細(xì)化的改變，從一片片變成了一塊塊。但并不是磁感應(yīng)強(qiáng)度越大細(xì)化效果就越好，雖然磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，洛倫茲力阻礙流體運(yùn)動(dòng)也逐漸變大，有更加明顯的效果在磁場(chǎng)的對(duì)流抑制。張維平[5]等在研究組織細(xì)化實(shí)驗(yàn)中分別在5T、10T和無(wú)磁場(chǎng)下凝固后的微觀組織，認(rèn)為細(xì)化中有最佳的磁場(chǎng)強(qiáng)度值存在。

3 強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)改善鋁硅合金性能的影響

3.1 機(jī)械性能

在Al-Si合金中，隨著硅含量增加，晶粒直徑的增大而降低了沖擊值與抗拉強(qiáng)度，并且硅含量越高，初晶硅細(xì)化越難，強(qiáng)磁場(chǎng)可以影響初晶硅晶粒尺寸。在施加強(qiáng)磁場(chǎng)的淬火組織中發(fā)現(xiàn)彌散分布以及細(xì)小的晶粒，這是由于有許多的細(xì)小初晶硅晶核生成，雖然晶粒數(shù)量增多，但尺寸減少了。這主要是通過(guò)強(qiáng)磁控制了晶粒的擴(kuò)散、遏制了對(duì)流，使晶粒的長(zhǎng)大受限、使組織得到細(xì)化。所以經(jīng)過(guò)強(qiáng)磁變質(zhì)處理的合金，能獲得滿意的機(jī)械性能。

3.2 鑄造性能

Al-Si合金結(jié)晶過(guò)程中隨著增加硅的含量加大了合金的疏松傾向，結(jié)晶溫度范圍變大，降低合金的氣密性，使合金的鑄造工藝性能變差。而在強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下，由于磁場(chǎng)的作用使得固、液界面變形，導(dǎo)致界面失穩(wěn)，促使胞晶向枝晶、平面向胞晶轉(zhuǎn)變以及細(xì)化了枝晶的分枝。這是因?yàn)榇艌?chǎng)取向作用以及熱電磁力的作用，造成組織和凝固過(guò)程的變化，使得在強(qiáng)磁場(chǎng)下的Al-Si合金的枝晶的分枝細(xì)化，極大地改善了鋁硅合金的鑄造性能。

4 結(jié)語(yǔ)

強(qiáng)磁場(chǎng)在Al-Si合金細(xì)化處理工藝中，通過(guò)合金晶粒的細(xì)化處理，提高Al-Si合金耐磨性和其他一些性能，已得到了共同認(rèn)可。但它作為材料熱處理的一種延續(xù)，材料最終性能的好壞，不能單單取決于強(qiáng)磁場(chǎng)處理的工藝，還有降溫過(guò)程中熱處理工藝或熱處理與強(qiáng)磁場(chǎng)處理之間相互搭配的工藝，需要相關(guān)的文獻(xiàn)進(jìn)行探討，了解降溫過(guò)程中的熱處理與強(qiáng)磁場(chǎng)處理對(duì)材料影響的機(jī)理，這也會(huì)對(duì)強(qiáng)磁場(chǎng)處理技術(shù)穩(wěn)定使用增加了難度。因此鑒于Al-Si合金類(lèi)型和成分的多樣性和復(fù)雜性，強(qiáng)磁場(chǎng)處理后Al-Si合金凝固組織細(xì)化工藝研究意義，值得相關(guān)科研人員繼續(xù)深入實(shí)驗(yàn)、歸類(lèi)以及總結(jié)出一定的強(qiáng)磁場(chǎng)處理規(guī)律，達(dá)到進(jìn)一步提高Al-Si合金性能的目的。

參考文獻(xiàn)

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[3] Asai Shigeo.Birth and Recent Activities of Electromagnetic Processing of Materials[J].ISIJ International，1989，29（12）：981-992.

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[5] 張維平，袁聰.強(qiáng)磁場(chǎng)下Al-Si過(guò)共晶合金組織細(xì)化原理研究[J].材料科學(xué)與工藝，2007，15（5）：670-672.endprint