孫 虎，楊凱雯，蔣 壯，陳雪美，吳 婷，李康嵐

（宿遷學(xué)院 材料工程系，江蘇宿遷 223800）

0 引言

過(guò)共晶鋁硅合金具有獨(dú)特性能特點(diǎn)，如較高的耐磨性、良好的機(jī)械性能、低熱膨脹系數(shù)和低密度。這些特性在汽車行業(yè)以及一些耐磨工況環(huán)境特別適用，因此其常用于節(jié)能型車輛的輕質(zhì)部件，如活塞、連桿、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體等[1-3]。然而，在傳統(tǒng)的重力鑄造中，合金的微觀組織是粗大的、不規(guī)則形狀的初生硅顆粒，因此對(duì)機(jī)械性能和合金的耐磨性產(chǎn)生不利影響。初生硅相的形態(tài)還存在多邊形、星狀或魚(yú)骨狀等形態(tài)，因合金中Si 含量不同而異。初生硅顆粒硬且脆，容易在顆粒邊緣產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而誘發(fā)產(chǎn)生裂紋。因此過(guò)共晶合金性能的提升依賴于原生硅顆粒和共晶硅的尺寸、分布和形態(tài)的改善。目前有幾種技術(shù)可以改善初生硅的尺寸、分布和形態(tài)，例如熔體處理、半固態(tài)成型、擠壓細(xì)化等[4]。

其中有工業(yè)前景的研究是熔體處理，通過(guò)添加合金元素或稀土金屬進(jìn)行化學(xué)處理，使初生硅顆粒通過(guò)精煉和改性，或通過(guò)改變?nèi)垠w的結(jié)構(gòu)，從而獲得理想的凝固組織[5-7]。熔體混合是將兩種不同溫度和成分的合金或金屬的熔體混合，最終經(jīng)過(guò)擴(kuò)散、熔體相互作用并凝固成目標(biāo)成分合金的熔體處理過(guò)程。通常的熔體混合技術(shù)主要有：高低溫熔體混合、高低成分熔體混合兩種。高低成分熔體混合是通過(guò)將兩種不同溶質(zhì)元素含量的熔體混合成所期望成分合金的熔體混合方法，這種方法熔體成分純凈，在操作過(guò)程中不會(huì)帶入其他合金元素，因此是一種非常有發(fā)展前景的熔體處理技術(shù)[8-10]。本文通過(guò)對(duì)高低Si 含量的熔體進(jìn)行混合，研究成分互補(bǔ)對(duì)鑄態(tài)合金的微觀組織的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)采用的合金均為工業(yè)純鋁與多晶硅配制而成，用來(lái)進(jìn)行熔體混合的成分分別為Al-7%Si合金、Al-12%Si 合金、Al-25%Si 合金。合金配制在SG2-5-10 井式電阻爐內(nèi)進(jìn)行，經(jīng)六氯乙烷精煉后澆至金屬型內(nèi)待用。

熔體混合在兩臺(tái)井式電阻爐內(nèi)進(jìn)行，分別加熱高低成分兩種合金，待加熱至設(shè)定溫度后，從井式爐取出，經(jīng)撇渣后，將高成分熔體取出，倒入低成分熔體的坩堝中，并充分的攪拌，待攪拌結(jié)束后澆入金屬型模具中冷卻。成分互補(bǔ)熔體混合方案如表1 所示。為考察熔體混合后合金的重熔穩(wěn)定性，對(duì)熔體混合后的合金再次加熱至730℃，后澆注至金屬模中，本次試驗(yàn)重熔1，2 次。

表1 成分互補(bǔ)熔體混合實(shí)驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 不同成分互補(bǔ)熔體混合的對(duì)比

圖1 為兩種不同成分的互補(bǔ)熔體混合后的Al-20%Si 合金鑄態(tài)組織與常規(guī)鑄造的條件下Al-20%Si 合金的光學(xué)顯微組織圖，其中圖1a 為常規(guī)鑄造的合金組織，圖1b 為Al-12%Si 合金與Al-25%Si 混合后的鑄態(tài)組織，圖1c 為Al-7%Si合金與Al-25%Si 混合后的鑄態(tài)組織，從圖1 可見(jiàn)，鑄態(tài)合金的基體為α-Al 組織，在α-Al 基體上存在粗大不規(guī)則形狀的初生硅組織和針狀的共晶硅組織，因其顆粒數(shù)目有限，無(wú)法完成有效的顆粒平均直徑統(tǒng)計(jì)，其平均直徑約為127μm。相對(duì)于原始鑄態(tài)組織，經(jīng)Al-12%Si 合金與Al-25%Si 混合后的鑄態(tài)組織中，初生硅發(fā)生明顯的細(xì)化，經(jīng)統(tǒng)計(jì)其顆粒平均直徑約為35μm。而經(jīng)Al-7%Si 合金與Al-25%Si 混合后，初生硅的顆粒平均直徑約為26μm。但從顆粒的形狀上看，初生硅的形態(tài)無(wú)論是否熔體混合均呈現(xiàn)不規(guī)則塊狀，熔體混合技術(shù)并不能改變第二相顆粒的形狀。

成分互補(bǔ)的熔體混合過(guò)程是一個(gè)熔體溫度場(chǎng)均勻化和濃度場(chǎng)均勻化的過(guò)程。在兩種不同溫度、濃度的熔體混合過(guò)程中，當(dāng)高濃度高溫度合金熔體倒入低濃度低溫度合金熔體時(shí)，高溫熔體迅速冷卻，低溫熔體迅速升溫，此時(shí)熔體的內(nèi)部溫度和成分極度的不均勻，導(dǎo)致液相中出現(xiàn)強(qiáng)烈的對(duì)流。這種對(duì)流，一方面，流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊剪切力作用于初生硅晶核，使其發(fā)生碎裂分離，這些晶核的碎片在強(qiáng)對(duì)流的作用下被帶到局部高溫處，熔化形成更多更小的碎片。另一方面，混合熔體中的原子團(tuán)或初生硅核也會(huì)隨著對(duì)流在熔體內(nèi)部游動(dòng)。游到高溫區(qū)會(huì)熔化，游到低溫區(qū)會(huì)生長(zhǎng)。由于混合熔體存在明顯的溫度起伏，在游動(dòng)過(guò)程中成核的粒子會(huì)反復(fù)生長(zhǎng)或局部熔化，最終會(huì)增加核數(shù)，從而使初生硅得到細(xì)化[11]。

2.2 熔體混合組織的重熔穩(wěn)定性

熔體混合后的合金，經(jīng)1，2 次重熔至730℃，而后再次冷卻至室溫，其組織如圖2 所示?？梢钥闯?，圖2a 的1 次重熔的凝固組織，初生硅尺寸明顯小于圖1a 的原始合金的初生硅尺寸；圖2b 是2次重熔的凝固組織，組織中的初晶硅明顯粗大，幾乎接近于原始合金的初生硅組織。這說(shuō)明，熔體混合處理合金具有一定程度的1 次重熔穩(wěn)定性，2次重熔細(xì)化效果幾乎消失。熔體混合時(shí)，熔體內(nèi)部存在成分和組織的極大不均勻性，短時(shí)間的過(guò)熱處理并不能消除混合熔體的不均勻性。因此經(jīng)過(guò)1 次重熔后合金中初生硅的尺寸并沒(méi)有明顯長(zhǎng)大，但是隨著重熔次數(shù)的增加，這種組織的遺傳性會(huì)逐漸隨著熔體的均勻化慢慢消失。

圖1 不同成分互補(bǔ)混合的Al-20wt%Si 合金的鑄態(tài)組織

圖2 熔體混合合金經(jīng)1，2 次重熔的室溫組織

3 結(jié)論

（1）成分互補(bǔ)熔體混合處理可以有效地細(xì)化初生硅顆粒，且混合的熔體成分差異越大，細(xì)化效果越明顯。

（2）經(jīng)1 次重熔后仍能保持一定的細(xì)化效果，但2 次重熔后細(xì)化效果消失。