楊凱雯，劉淑琪，徐金山，鐘魯寧，孫 虎

（江蘇省宿遷學(xué)院材料工程系，宿遷223800）

0 前言

過共晶鋁硅合金有著優(yōu)良的耐磨性能和力學(xué)性能，是代替鋼材制備汽車活塞和各種機(jī)械部件的理想材料[1]。但由于過共晶鋁硅合金中含有大量粗大板狀的初生硅相，會(huì)使合金的力學(xué)性能大大降低，而且初生硅的硬度高，如不改善其形態(tài)則會(huì)嚴(yán)重降低合金的切削性能，也會(huì)導(dǎo)致其應(yīng)用極大受限[2-3]。為了使過共晶鋁硅合金能有更好的力學(xué)性能和切削性能，使初生硅變得規(guī)則和圓整，改善初生硅的形態(tài)是重要的研究課題[4-5]。

熔體過熱處理技術(shù)是熔體溫度處理技術(shù)中最為簡(jiǎn)單的一種，即合金熔體過熱到一個(gè)很高溫度后，保溫一段時(shí)間后再進(jìn)行澆注[6]。經(jīng)過適當(dāng)?shù)娜垠w過熱處理，可以控制熔體變化進(jìn)程并獲取對(duì)合金性能最有利的熔體結(jié)構(gòu)，能夠有效地改善和細(xì)化組織，提升其綜合力學(xué)性能[7]。該技術(shù)工藝簡(jiǎn)單，熔體純凈，效果較為顯著，已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。目前對(duì)于鑄造鋁合金熔體溫度處理技術(shù)中的熔體混合法的研究開展得較多[8-10]，而對(duì)于熔體過熱技術(shù)，特別是對(duì)過共晶鋁硅合金的應(yīng)用研究報(bào)道較少[11，12]。因此，本研究對(duì)Al-18%Si合金進(jìn)行了熔體過熱處理，然后研究熔體過熱溫度及保溫時(shí)間對(duì)合金中初生硅形態(tài)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

試驗(yàn)用原料為純度99.95%的純鋁錠和99.95%純硅，置于井式爐中熔煉制得含Si 量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為18%的過共晶鋁硅合金。合金在井式爐中通過850 ℃、950 ℃、1 050 ℃保溫1 h 的熔體過熱處理后，澆入鋼模具中凝固。另外將合金升溫至1 050 ℃分別保溫30 min、1 h、2 h，然后澆入鋼模具中凝固。因鋁的化學(xué)性質(zhì)比較活潑，試驗(yàn)中加入C2Cl6 精煉劑，在750 ℃下精煉15 min。將澆注完成的試樣經(jīng)打磨拋光，用0.5%的HF腐蝕后，在雙目倒置金相顯微鏡4XBII下進(jìn)行金相觀察，并利用ImagePro金相分析軟件進(jìn)行分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 熔體過熱溫度對(duì)Al-18%Si合金組織的影響

從Al-18%Si 二元平衡相圖中可知本次試驗(yàn)采用的Al-18%Si 合金的共晶溫度為577 ℃，液相線為660 ℃，常規(guī)鑄造的澆注溫度一般選擇在700～750 ℃。本次研究選擇在850 ℃、950 ℃和1 050 ℃溫度下進(jìn)行熔體過熱處理，并保溫1 h，其合金組織如圖1所示。

圖1 不同過熱溫度保溫1h后的Al-18%Si合金組織

在未經(jīng)熔體過熱處理，經(jīng)750 ℃進(jìn)行澆注的鑄造組織（圖1（a））中可見粗大板狀和塊狀的初生硅，且初生硅的分布非常不均勻，經(jīng)金相分析軟件統(tǒng)計(jì)其平均直徑約為155 μm；隨著熔體過熱處理的溫度升高，初生硅的尺寸和形態(tài)都發(fā)生了明顯改變。合金組織中大部分的初生硅在熔體過熱處理溫度達(dá)到850 ℃時(shí)，發(fā)生了一定的細(xì)化，板狀的初生硅基本消失，初生硅的形態(tài)主要以塊狀為主，且其大小發(fā)生了明顯的細(xì)化，經(jīng)金相分析軟件統(tǒng)計(jì)其平均直徑約為76 μm（圖1（b））；在熔體過熱處理溫度達(dá)到950 ℃時(shí)，合金組織中初生硅的大小進(jìn)一步的細(xì)化，平均直徑約為50 μm（圖1（c））；當(dāng)熔體過熱溫度提升至1 050 ℃時(shí)，發(fā)現(xiàn)有少量初生硅發(fā)生了球化作用，不規(guī)則的多邊形顆粒不斷變小，平均直徑約為43 μm（圖1（d））。熔體過熱處理之后合金熔體中硅原子團(tuán)簇發(fā)生了改變，溫度越高硅原子的排布越均勻，初生硅的顆粒尺寸也就越小。在微觀上金屬以及合金的熔體構(gòu)造都存在著一定的不均勻性，熔體是由游動(dòng)的有序原子集團(tuán)和各種組元原子組成的呈紊亂分布的無(wú)序帶所組成的。當(dāng)熔體過熱的溫度越高，無(wú)序帶會(huì)越大，有序原子集團(tuán)尺寸就會(huì)越小，熔體結(jié)構(gòu)也就越細(xì)小均勻，并最終凝固成細(xì)小的初生硅組織[13]。從熔體過熱溫度提升幅度看，熔體過熱至850 ℃較之常規(guī)澆注溫度雖然只提升了100 ℃，但初生硅的細(xì)化非常明顯，其平均直徑降低了51%。而隨著過熱溫度的進(jìn)一步提升，初生硅的細(xì)化趨于平緩，這主要是因?yàn)檫^高的溫度雖然會(huì)提升熔體的不均勻性，但也會(huì)減少熔體中可充當(dāng)核心的原子集團(tuán)。另外過高的溫度使熔體的氧化程度增加，不利于合金的性能，因此過熱溫度以1 050 ℃為宜。

2.2 熔體過熱時(shí)間對(duì)Al-18%Si合金組織的影響

為了研究熔體過熱時(shí)間對(duì)Al-18%Si 合金組織的影響，將合金升溫至1050 ℃分別保溫30 min、1 h和2 h后再澆注，其合金組織如圖2所示。熔體升溫至1 050 ℃后保溫30 min，其初生硅顆粒與保溫1 h 的試樣（圖1（d））大小接近，經(jīng)統(tǒng)計(jì)其平均直徑約為49 μm（圖2（a））。但從初生硅分布的均勻程度上看，其分布仍有一定的團(tuán)聚現(xiàn)象，這說明熔體過熱需要一定的時(shí)間來(lái)使得游離狀態(tài)的硅原子團(tuán)簇進(jìn)行充分的分散，否則其凝固組織中會(huì)出現(xiàn)初生硅相團(tuán)聚。而在熔體1 050 ℃過熱處理保溫2 h 后，初生硅的形貌和尺寸明顯發(fā)生了變化。由于時(shí)間的延長(zhǎng)而促進(jìn)了初生硅的熔斷和分離，部分初生硅產(chǎn)生一定的尖銳端部，但其初生硅的細(xì)化并不明顯，其平均直徑約為41 μm（圖2（b））。因此可見，熔體過熱需要一定的時(shí)間進(jìn)行初生硅的細(xì)化并使其分布均勻，但過長(zhǎng)的保溫時(shí)間并不會(huì)引起初生硅的進(jìn)一步細(xì)化。

圖2 1 050 ℃下不同保溫時(shí)間的Al-18%Si合金組織

3 結(jié)論

（1）熔體過熱技術(shù)能有效細(xì)化Al-18%Si合金的初生硅相，過熱溫度越高越有利于獲得細(xì)小且均勻分布的初生硅。經(jīng)1 050 ℃過熱1 h的熔體凝固的合金中初生硅相呈細(xì)小塊狀均勻分布，其平均直徑由原來(lái)的155 μm降至43 μm。

（2）熔體過熱需要一定的保溫時(shí)間進(jìn)行初生硅的細(xì)化和均勻分布，但延長(zhǎng)的保溫時(shí)間并未引起初生硅的進(jìn)一步細(xì)化。