郭濤銘， 馮志禹， 徐俊哲， 鞠昊言， 水 麗

（沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110159）

引言

過共晶鋁硅合金具有密度小、強(qiáng)度高、耐磨性好、導(dǎo)熱強(qiáng)度高、膨脹系數(shù)低以及良好的鑄造性能等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，在航空、航天、內(nèi)燃機(jī)活塞和缸體[3]等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。而且隨著合金中硅含量的增加,合金的耐磨性提高,密度降低，線膨脹系數(shù)減小，熱穩(wěn)定性增加，耐蝕性提高。在普通鑄造條件下,由于冷卻速率慢,析出粗大的不規(guī)則形態(tài)初晶硅,破壞了基體的連續(xù)性,顯著降低了合金的強(qiáng)度、塑性。變質(zhì)處理可以改善初晶硅的形貌、細(xì)化初晶硅[4],但當(dāng)合金中硅含量超過14%時(shí), 采用變質(zhì)處理方法也無法根本消除初晶硅形態(tài)粗大帶來的不利影響。采用快速凝固技術(shù)可以顯著細(xì)化初晶硅相[5-9]。本文研究冷卻速率對Al-18Si、Al-25Si 合金的凝固組織和拉伸性能的影響, 觀察不同的冷卻速率下Al-18Si 和Al-25Si 合金的微觀組織形貌，測量不同冷卻速率下合金內(nèi)部初晶硅顆粒尺寸，研究經(jīng)不同冷卻速率凝固后Al-18Si 和Al-18Si 合金的拉伸性能，分析初晶硅顆粒形態(tài)及顆粒尺寸對合金抗拉強(qiáng)度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 冷卻設(shè)備工作原理

雙控金屬凝固冷卻裝置如圖1 所示，合金凝固結(jié)晶冷卻裝置由液壓元件、循環(huán)泵、熱電偶、冷凝管等組成，上述元件組合成冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、水流速控制系統(tǒng)、溫度測量系統(tǒng)3 個(gè)部分。打開進(jìn)水流量調(diào)節(jié)閥A，向箱體內(nèi)注入冷卻水至刻度線處，溢流排水截止閥B 開始工作，接通溢流排水截止閥B 與冷卻水出口C 使得冷卻水持續(xù)流入冷卻裝置循環(huán)系統(tǒng)中，打開冷卻水出口F 與進(jìn)水流量調(diào)節(jié)閥A 保證冷卻降溫后的冷卻水重新流入水流速度控制系統(tǒng)中，通過循環(huán)泵與進(jìn)水流量調(diào)節(jié)閥A 控制水流速度，配合水流測速儀調(diào)節(jié)水流速度至恒定不變，隨后將經(jīng)過高溫融化的Al-Si 合金液體倒入實(shí)驗(yàn)裝置中的坩堝D內(nèi)，將熱電偶插入金屬液體中，測量Al-Si 合金液體溫度，將液體溫度變化數(shù)據(jù)收集反饋至計(jì)算機(jī)存儲。

圖1 雙控金屬凝固冷卻裝置

1.2 冷卻速度選擇及力學(xué)性能測試

采用純度為99.95%的純鋁錠和Al-50Si 的工業(yè)鋁硅在井式電阻爐中配制熔煉Al-18Si 和Al-25Si過共晶鋁硅合金，以不同冷卻速率凝固，觀察不同的冷卻條件下的凝固組織。

1）當(dāng)水流速度為0.9 m/s 時(shí)，合金的冷卻速率約0.2 K/s；

2）當(dāng)水流速度為1.1 m/s 時(shí)，合金的冷卻速率約0.35 K/s；

3）當(dāng)水流速度為2.0 m/s 時(shí)，合金的冷卻速率約0.5 K/s；

4）當(dāng)冷卻箱內(nèi)水流速度為0 時(shí)，合金的冷卻速率約0.1 K/s。對比不同冷卻條件下的凝固組織。用Carl Zeiss Axioskop 2MAY 型光學(xué)顯微鏡和SEM-IAS數(shù)字圖像分析軟件，對不同冷卻速率凝固的Al-18Si與Al-25Si 合金中的初晶硅顆粒形貌和顆粒輪廓平均尺寸進(jìn)行定量分析。拉伸試驗(yàn)在CTM-4GD 型拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。拉伸試樣的尺寸為Φ18 mm×160 mm，裝夾試樣，試樣端部連接記錄應(yīng)變變化感應(yīng)片，試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄以Tensile stress（MPa）-Tensile strain（%）曲線的形式自動輸出。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同冷卻速率下的合金微觀組織形貌

在快速凝固過程中，Al-18Si 與Al-25Si 合金內(nèi)微觀組織形態(tài)特征（初晶硅的形貌及顆粒尺寸）與鋁硅合金冷卻速率間存在一定對應(yīng)關(guān)系，通過測量Al-18Si 和Al-25Si 合金內(nèi)部的初晶硅顆粒尺寸和初晶硅顆粒形狀因子來評估合金的冷卻凝固速率對合金微觀組織形貌的影響；通過測量合金的拉伸強(qiáng)度，間接確定初晶硅顆粒尺寸和初晶硅顆粒形狀因子與合金拉伸強(qiáng)度間的對應(yīng)關(guān)系。

甘吉松等[9]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示冷卻速率對Al-Si合金凝固組織形態(tài)有顯著的影響，冷卻速率不同，初晶硅的形貌和顆粒尺寸大小隨之變化。Al-18Si 和Al-25Si 合金在0.2 K/s、0.5 K/s 冷卻速度下的微觀組織形貌如圖2 所示，微觀組織由（a-Al+共晶Si+初晶硅）相組成，初晶硅顆?；旧铣史派錉顝?fù)雜的多角形，形態(tài)粗大。Al-8Si 合金中初晶硅顆粒平均尺寸約150 μm（0.2 K/s）;共晶硅為針狀，其長度為30～50 μm（如圖2-1 所示），當(dāng)冷卻速率為0.35 K/s 時(shí)（如圖2-2 所示），共晶硅依然呈針狀，初晶硅和共晶硅相的形貌與0.2 K/s 冷卻速度試樣的微觀組織形貌特征相同，但是初晶硅顆粒和針狀共晶硅相尺寸比0.2 K/s 冷速試樣的尺寸都有所減小，隨著冷卻速率提高至0.5 K/s，Al-18Si 合金中初晶硅顆粒平均輪廓尺寸持續(xù)下降至約50 μm。對比圖2-3 和圖2-4，可以發(fā)現(xiàn)Al-25Si 合金在不同冷卻速率下初晶硅顆粒平均尺寸演化規(guī)律與Al-18Si 合金在不同冷卻速率下的演化趨勢相似。Al-18Si 和Al-25Si 合金中初晶硅顆粒平均尺寸隨冷卻速率變化的規(guī)律如圖3 所示，表明冷卻速率越高強(qiáng)化相初晶硅顆粒尺寸越細(xì)小。顆粒的形狀因子反映了初晶硅相形貌的復(fù)雜程度，形狀因子絕對值越大，說明初晶硅的形態(tài)大多為放射狀的復(fù)雜星形多邊形，隨冷卻速率提高，形狀因子逐步下降（見圖4），顆粒形態(tài)趨于簡單的四邊形和碎塊狀形態(tài)。當(dāng)合金中星形狀初晶硅顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵嗡倪呅维F(xiàn)象發(fā)生，有益于提高合金的力學(xué)性能。

圖2 不同冷速下Al-8Si 和Al-25Si 合金的微觀組織形貌

圖3 不同冷卻速率下初晶硅顆粒輪廓尺寸

圖4 初晶硅顆粒形狀因子隨冷卻速率變化

2.2 不同冷卻速率下鋁硅合金拉伸性能分析

經(jīng)歷不同冷卻速率凝固后的Al-18Si 和Al-18Si 合金加工成片狀拉伸試樣，選取實(shí)驗(yàn)溫度為室溫，進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測試，Al-18Si 合金拉伸測試結(jié)果列于下頁表1 中。表中對應(yīng)1-1～1-3 組試樣合金的冷卻速率為0.5 K/s，2-1～2-3 組試樣對應(yīng)的冷卻速率為0.35 K/s，3-1～3-3 組試樣對應(yīng)的冷卻速率為0.2 K/s，4-1～4-3 組試樣對應(yīng)的冷卻速率為0.1 K/s，對比分析表中數(shù)據(jù)，合金的強(qiáng)度和延伸率均隨著合金冷卻速率的提高逐步改善。下頁圖5、圖6 為Al-25Si 合金冷卻速率分別為0.2 K/s 和0.5 K/s 拉伸試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以看出，在冷卻速率較高的0.5 K/s，圖5 的抗拉強(qiáng)度達(dá)到250 MPa，延伸率接近3%，比冷速為0.2 K/s 試樣的強(qiáng)度和塑性分別提高約25%和30%。可見隨著冷卻速率的提高，過共晶Al-18Si 和Al-25Si 合金的綜合性能逐步升高。

圖5 0.5 K/s 冷卻速度試樣室溫拉伸曲線

圖6 0.2 K/s 冷卻速率下Al-25Si 合金拉伸試樣的拉伸曲線

表1 Al-18Si 合金不同冷卻速率凝固后合金拉伸性能數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

1）應(yīng)用金屬凝固冷卻設(shè)備，可以定量評估合金冷卻速率。隨著冷卻速率的增加，Al-18Si 和Al-25Si合金微觀組織中初晶硅顆粒的尺寸逐漸減小，其形狀由放射狀復(fù)雜多角形演化為相對簡單多邊形和碎塊狀。

2）在0.1～0.5 K/s 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)合金的冷卻速率，Al-18Si 和Al-25Si 合金的組織結(jié)構(gòu)由（a-Al+共晶Si+初晶硅）相組成。Al-18Si 和Al-25Si 合金在0.5 K/s冷卻速率試樣的抗拉強(qiáng)度比0.1 K/s 冷卻速率試樣的抗拉強(qiáng)度分別提高約12%和17%，延伸率小幅下降約10%和6%，合金的綜合力學(xué)性能提高。

3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙控金屬凝固冷卻設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對鋁合金冷卻速率的調(diào)節(jié)，并對相關(guān)鑄造實(shí)驗(yàn)提供參考依據(jù)。