秦新鋒+王建東+郭巧琴+李全林

【摘 要】本研究對Al-20%Si 合金進行超聲熔體處理，研究超聲功率大小和超聲處理時間對熔體中初生硅和共晶硅的影響規(guī)律，以及顯微硬度的變化。研究發(fā)現(xiàn)：在720℃進行超聲波處理，隨著超聲功率的增大，初生硅的尺寸均是先減小后增大，同時合金的顯微硬度隨著初生硅晶粒尺寸的減小而增大。在1150W超聲處理40s時，初生硅的尺寸最小為12.8955μm，合金維氏顯微硬度達到最大為91.5HV。

【關(guān)鍵詞】鋁硅合金；超聲熔體處理；顯微結(jié)構(gòu)；顯微硬度

中圖分類號： TG292 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）35-0011-002

Effects of Supersonic Melt Treatment on Microstructure and Properties of the Al-Si Alloys

QIN Xin-feng1 WANG Jian-dong2 GUO Qiao-qin3 LI Quan-Lin4

（1.Representative Office in State-owned 616 Factory， PLA， Datong Shanxihui 237011，China；

2.Xian Military Representative Office， PLA， Xian Shaanxi 710032， China；

3.School of Materials & Chemical Engineering， Xian Technological University， Xian Shaanxi 710032， China； 4.Sate-owned 616 Factory， Datong Shanxi 035000， China）

【Abstract】Effects of supersonic power and melt treat times on the microstructure and microhardness of Al-20Si alloys were investigated through supersonic melt treatment. It was found that primary silicon size was decreased with the increase of supersonic powers at 720℃. Meanwhile， the microhardness was increased with the decrease of primary silicon size. The minimμm size of primary silicon was 12.8955 μm and the maxim microhardness of Al-20Si alloy was 91.5Hv when the supersonic power was 1150 W and the melt treat times were 40 seconds.

【Key words】Al-Si Alloy；Supersonic Melt Treatment；Microstructure；Microhardness

0 前言

Al-Si合金為典型的二元共晶組織，共晶點為12.6%，共晶溫度為 577℃。室溫下只有α（Al）和β（Si）兩種相，α（Al）相是Si溶于Al的固溶體，其性能和純鋁相似，Si的最大溶解度是1.65%，室溫時只有0.05%；β（Si）相是Al溶于Si的固溶體，性能和純硅相似。共晶成分在Si12.6%處，亞共晶合金組織由α（Al）+共晶體（α+β）所組成，過共晶合金的組織由β（Si）+共晶體（α+β）所組成[1-3]。當(dāng)Si含量在1.65%-12.6%之間時，結(jié)晶過程中先析出α相，到577℃時，析出（a+β）共晶體。通常把共晶體1中的β相稱為共晶Si，它在鑄態(tài)下，若不經(jīng)變質(zhì)處理，呈粗大的片狀；共晶和過共晶成分的合金組織中出現(xiàn)的初晶β相稱為初晶Si，它在鑄態(tài)下，若不經(jīng)變質(zhì)處理，呈粗大的多角形塊狀或板狀[4-5]。粗大的塊狀初生Si嚴(yán)重影響Al-Si合金的力學(xué)性能，特別是疲勞性能[6-7]。

通過對合金成分、冷卻速度、凝固時加外場作用等因素的調(diào)節(jié)可控制初生相的形貌、尺寸[3-8]。超聲波是頻率高于 20000 Hz 的聲波，它具有穿透能力強、方向性好、易于集中等優(yōu)點[4-8]。超聲波在液體中傳播時，與介質(zhì)之間發(fā)生相互作用，使介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生相應(yīng)的變化，從而產(chǎn)生一系列物理和化學(xué)等方面的的變化，稱之為超聲效應(yīng)。超聲波攪拌法是一種新型的金屬半固態(tài)制備方法，超聲能量的大小及作用時間將對共晶合金初生相的析出產(chǎn)生重要影響。

因此，本研究在Al-20%Si合金熔體中施加超聲場，研究超聲場的功率大小及作用時間對Al-20Si初生相的析出行為影響，及其顯微硬度的影響。

1 實驗方法

試驗合金以20%Si質(zhì)量配比，在高頻坩堝爐中進行熔煉Al-20Si合金，采用磷鹽進行變質(zhì)，C2Cl6進行除氣。在720℃條件下，分別在900 W、1200 W和1500 W超聲功率下進行超聲熔體處理40S、60S、80S后，澆鑄成Ф30 mm的圓棒。采用光學(xué)金相顯微鏡觀察合金顯微組織，用402MVDTM數(shù)顯維氏顯微硬度計測量合金的顯微硬度，采用200gf載荷，保載10秒。并通過連續(xù)的金相照片統(tǒng)計分析初生硅的尺寸，使用Image-Pro Plus軟件測量其面積，并求平均值及單個初生硅的平均直徑尺寸d。

d=2

2 結(jié)果與分析

2.1 超聲處理對鋁硅合金組織的影響

未經(jīng)超聲熔體處理的Al-20Si合金凝固組織如圖1所示。可以看出，初生硅成大片的板塊狀且分布較為集中不均勻，樹枝狀的共晶硅粗大且分布混亂。endprint

超聲功率為900W時不同處理時間下的金相組織如圖2所示?？梢悦黠@看出經(jīng)過900W功率下超聲處理的組織初生硅得到細化，塊狀初生硅尖角鈍化，圓整程度逐漸增加，尺寸統(tǒng)一變小，且分布的更加均勻，樹枝狀的共晶硅組織也有碎化的現(xiàn)象。

超聲功率為1200W時不同處理時間下的金相組織如圖3所示?？梢悦黠@看出經(jīng)過1200W功率下超聲處理的組織初生硅得到細化，塊狀初生硅尖角鈍化，圓整程度逐漸增加。圖（a）中初生硅較少且尺寸，相比圖（b）和圖（c）也是最小的，圖（b）和圖（c）中初生硅的尺寸大小相差不明顯，而且60s時初生硅的晶粒個數(shù)較多，80s時初生硅變得稀少，所以僅憑宏觀的觀察還未能發(fā)現(xiàn)規(guī)律，故還需進行客觀的數(shù)據(jù)分析。

超聲功率為1500W時不同處理時間下的金相組織如圖4所示?？梢悦黠@看出經(jīng)過1500W功率下超聲處理的組織初生硅得到細化，塊狀初生硅尖角鈍化，圓整程度逐漸增加。圖4試樣的金相照片中初生硅的尺寸同圖3和圖2相比，明顯均有所增大?？赡苁浅暪β蔬^大，溶液內(nèi)能增大，在凝固時被打碎的枝晶又重新組合，所以初生硅的尺寸有所增大。觀察圖（a）可以發(fā)現(xiàn)，大塊狀的初生硅剛被打碎，正隨著超聲振動向周圍散開，但是由圖（c）可以看到初生硅尺寸增大，可能是處理時間過長，溶液凝固時的結(jié)晶潛熱過大，導(dǎo)致初生硅的增大。

圖5為不同超聲功率不同處理時間下的Al-Si合金初生硅尺寸比較。在相同超聲處理時間下，隨著超聲功率的增大，初生硅的尺寸均是先減小后增大，在1200W左右達到最小值，其中超聲處理40s時的初生硅平均尺寸最小為12.8955μm，未經(jīng)超聲處理的Al-20Si凝固組織初生Si尺寸約30μm，相比之下超聲熔體處理對初生Si的細化效果明顯 。在相同超聲功率處理下，處理時間為40s，整體初生硅的平均尺寸最小，1200W時，初生硅的尺寸在超聲處理40s時的最小為12.8955μm。60s時的初生硅平均尺寸為14.90613μm，比40s時初生硅的尺寸增大了15.6%，從60s到80s時，尺寸增大不明顯，僅增大了1.7%。隨著超聲處理時間的增大，初生硅的尺寸先增大后慢慢趨于穩(wěn)定，超聲振動處理時間較短時， 熔體內(nèi)部的晶核形成還不充分， 振動攪拌作用還沒有把二次及三次枝晶破碎得更為細小， 因此獲得的等軸晶區(qū)域較小。如果超聲波振動處理的時間太長， 則產(chǎn)生發(fā)熱效應(yīng)， 導(dǎo)致金屬液溫度上升， 使原來已經(jīng)被細化了的枝晶再次重熔， 結(jié)果鑄錠的結(jié)晶組織粗化， 等軸晶區(qū)域減少。

2.2 超聲處理對鋁硅合金性能的影響

圖6 為不同超聲功率不同處理時間下的Al-Si合金顯微硬度比較?？梢园l(fā)現(xiàn)，熔體處理時間一定的情況下，隨著超聲功率的增大，組織整體的硬度值先增大后減小，在超聲功率為1200W，Al-20Si合金出現(xiàn)最大峰值。從1200W到1500W之間硬度值之所以減小是由于功率過大導(dǎo)致溶液內(nèi)能增大，組織在凝固過程中細小的枝晶重新組合促使初生硅尺寸增大，甚至在其尖銳的棱角處出現(xiàn)裂紋等一些缺陷，力學(xué)性能下降，所以硬度值出現(xiàn)下降的趨勢。

3 結(jié)論

（1）超聲熔體處理可顯著細化Al-Si合金的初生硅和共晶硅。

（2）超聲功率的增大，初生硅的尺寸先減小后增大，合金的顯微硬度隨著初生硅晶粒尺寸的減小而增大。

（3）在1150W超聲處理40s時，初生硅的尺寸最小為12.8955μm，合金維氏顯微硬度達到最大為91.5HV。

【參考文獻】

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