方嘉勤，智常建,2，王曉榮，莊文瑋

（1.東華理工大學機械與電子工程學院，南昌 330013；2.江西省新能源工藝及裝備工程技術(shù)研究中心，南昌 330013）

0 引言

對于Al-Si合金中，當硅質(zhì)量分數(shù)超過12.6%時，稱為過共晶Al-Si合金，其硅含量超過共晶成分。由于過共晶Al-Si合金不僅擁有良好的耐磨性、耐蝕性、熱穩(wěn)定性好和較低的熱膨脹系數(shù)，而且其鑄造性能和力學性能俱佳，因此廣泛應用于航空領(lǐng)域和汽車制造業(yè)[1-2]。汽車已經(jīng)成為了人們生活中不可缺少的交通工具，發(fā)動機是汽車等機械設備中的重要驅(qū)動裝置，活塞是汽車發(fā)動機的“心臟”。相比于亞共晶Al-Si合金及共晶Al-Si，過共晶Al-Si合金優(yōu)勢突出，是當前市場中一種較為理想的汽車活塞材料。過共晶Al-Si合金中初生Si相和共晶Si相的尺寸、形貌及分布對合金的力學性能影響較大[3-4]。因此，對過共晶Al-Si中初生Si和共晶Si尺寸、形貌的優(yōu)化可以提高其力學性能，使其更適合應用在工業(yè)中。

由于過共晶Al-Si合金在鑄態(tài)過程中具有許多形貌復雜的初生Si組織，導致其合金基體的完整性被破壞，從而使其力學性能降低，因此過共晶Al-Si合金在工業(yè)上的應用受到了限制[5-6]。如何改善過共晶Al-Si合金的初生Si組織是提高其力學性能及擴大其應用研究極其重要的一點。國內(nèi)外學者對過共晶Al-Si合金進行了大量研究，發(fā)現(xiàn)過共晶Al-Si合金凝固過程中組織中形成了較粗而不規(guī)則的塊狀及長條狀初生硅，嚴重破壞了其力學性能。學者們通過試驗發(fā)現(xiàn)細化過共晶Al-Si合金中初生Si組織形貌的主要方法有：半固態(tài)攪拌、變質(zhì)處理、電脈沖處理、快速凝固等方法[7-11]。機械攪拌法是一種尤為經(jīng)典的半固態(tài)鋁合金漿料制備方法，過共晶鋁合金在半固態(tài)溫度下，其組織會在攪桿葉片的攪拌作用下破碎，同時其顆粒的圓整度增加。最重要的一點是機械攪拌裝置具有搭建簡單、成本較低、操作方便等優(yōu)點，適合在工業(yè)生產(chǎn)中大規(guī)模應用[12-13]。

本文以Al-20Si合金為研究對象，其含Si量為20%，查閱大量相關(guān)文獻發(fā)現(xiàn)，半固態(tài)攪拌對共晶及過共晶鋁合金的最佳攪拌溫度、攪拌速度分別為650℃、300 r/min左右，過共晶Al-20Si合金的液相線溫度為680℃左右。因此實驗中固定攪拌溫度為650℃，攪拌速度為300 r/min，通過改變攪拌時間來制備半固態(tài)Al-20Si合金，研究攪拌時間對該合金初生Si相的影響，獲得不同攪拌時間下其初生Si尺寸、形貌的變化規(guī)律，通過觀察其微觀組織、檢測其硬度，尋求最合適的攪拌時間。

1 實驗

1.1 實驗材料

Al-20Si合金是本文的研究對象，屬于過共晶型鋁硅合金。Al-Si合金二元相圖如圖1所示，由圖可知，此成分的合金液相線溫度為680℃左右。Al-20Si合金鑄態(tài)過程中的微觀組織在過共晶Al-Si合金中極具代表性，而且其含硅量與目前應用較廣的多種牌號高硅鋁合金如A390等合金相近。因此，Al-20Si合金是研究機械攪拌對過共晶Al-Si合金微觀組織及力學性能的影響規(guī)律的極佳材料。

圖1 Al-Si合金二元相圖

1.2 機械攪拌法實驗裝置

機械攪拌法操作簡單，易于搭建，并且可以制備性能較優(yōu)的半固態(tài)坯料。為了進一步滿足機械攪拌對半固態(tài)過共晶鋁合金組織及性能影響實驗的需要，搭建出了如圖2所示的機械攪拌裝置。本實驗搭建的攪拌裝置主要由SG2-8-12型坩堝電阻爐、SN-OES-60SH攪拌器、熱電偶、隔熱保溫蓋、石墨坩堝5部分組成。在整個實驗過程中每部分的作用是不同的：熔化鋁合金原料主要用干鍋爐，在650℃時對其半固態(tài)進行保溫；而整個機械攪拌裝置的核心在于攪拌器，安裝攪拌器的目的是為了打碎Al-20Si合金在半固態(tài)溫度下的組織，增加其初生Si顆粒的尺寸和圓整度。為了保證攪拌桿在攪拌過程中的均勻性和充分性，自制了不銹鋼雙葉輪攪桿，即在攪拌桿下端焊接了2個4葉葉輪，進一步增加攪拌器的攪拌能力，可以讓攪拌結(jié)果變得更加均勻和充分。熱電偶主要作用是對鋁液溫度的變化進行實時監(jiān)測。隔熱保溫蓋主要作用是對坩堝內(nèi)部溫度進行保溫，防止在攪拌過程中，爐內(nèi)的溫度大量散失，鋁液隨著攪拌時間增加快速下降，并且使得鋁液在攪拌過程中可以保持在一定的范圍之內(nèi)。石墨坩堝采用的是高純石墨坩堝，主要用于盛裝鋁合金坯料，可以減少對鋁液的污染。搭建攪拌裝置力在獲得力學性能和組織較好的半固態(tài)坯料。

圖2 機械攪拌半固態(tài)Al-20%Si合金實驗裝置

1.3 實驗過程

首先，為了減小實驗外在因素的影響，制備試樣前要對石墨坩鍋加熱至200℃并保溫2 h，對其進行預熱處理。將鋁錠切割好并放入坩堝中，把Al-20Si合金隨爐加熱到液態(tài)溫度以上的一定溫度，同時對攪拌桿進行隨爐預熱，實驗過程中采用通氮氣的方式對合金進行保護，待其完全熔化成液態(tài)后，加入精煉劑對鋁液進行第一次精煉，待10 min之后對其進行扒渣，之后對其再進行第二次精煉，待10 min之后對其進行第二次扒渣，兩次精煉完成后讓其隨爐冷卻到預先設定好的半固態(tài)溫度，并通過熱電偶來實時監(jiān)測其鋁液溫度。待達到650℃半固態(tài)溫度下后保溫5 min，然后設置攪拌裝置速率為300 r/min，分別設置攪拌時間10 min、20 min、30 min、40 min對其進行攪拌。取樣時采用快速冷卻方法固定高溫瞬態(tài)組織。

將制成的過共晶Al-Si合金坯料在車床上按標準的金相試樣、硬度試樣的尺寸進行加工。金相試樣的尺寸為φ12 mm×10 mm的圓柱，在觀察其顯微組織前需要將試樣進行粗磨、精磨、拋光、腐蝕、清洗等步驟以制備標準的金相試樣。待金相表面磨至如光亮時，用濃度為0.5%的氫氟酸將試樣進行腐蝕，腐蝕6～10 s，隨后取出，用無水乙醇清洗并烘干，借助DDM-300C金相顯微鏡觀察其組織。硬度試樣尺寸按φ12 mm×10 mm加工，用HB3000型布氏硬度試驗機對試樣進行測試，每個試樣測量3個點，記錄硬度值，求取平均值以減小實驗誤差。

2 實驗結(jié)果與分析

本實驗所得到的過共晶Al-Si合金坯料的硬度是在HB3000型布氏硬度機上測得的。布氏硬度機設置加載250 kg的載荷，鋼球壓頭直徑為5.0 mm，保壓時間為30 s。每個硬度測試試樣均采取3個點不重復測量，結(jié)果取3個測試點所得數(shù)據(jù)的平均值，測試結(jié)果如表1所示。

表1 攪拌剪切時間對半固態(tài)AI-20Si合金硬度的影響

圖3所示為不同機械攪拌時間下過共晶Al-20Si合金的均值布氏硬度曲線。經(jīng)過機械攪拌后，該合金布氏硬度得到了一定程度上的提升。隨著機械攪拌時間的逐步增加，過共晶Al-20Si合金的布氏硬度值整體上呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢。當機械攪拌時間為20 min時，材料的布氏硬度達到峰值，其值為87.43 HB，與未經(jīng)機械攪拌的合金布氏硬度相比提高了17.78%。

圖3 不同攪拌時間AI-20Si合金的硬度變化曲線

圖4（a）是未攪拌的原始坯料的顯微組織，其初生硅呈現(xiàn)粗大的塊狀。圖4（b）～（e）是Al-20Si合金在不同的攪拌時間下，以650℃的半固態(tài)溫度、300 r/min轉(zhuǎn)速攪拌的顯微組織。由圖4可以看出，隨著攪拌時間的延長，初生Si形貌發(fā)生顯著改變，尺寸相比與未攪拌的顯微組織而言明顯減小，機械攪拌的破碎效果顯著。破碎的初生Si顆粒多為不規(guī)則的小塊狀。攪拌時間對初生硅的尺寸及形貌有一定的影響，攪拌時間不同其尺寸、形貌也有所不同。具體表現(xiàn)為：當攪拌時間為10 min，其初生硅的尺寸相對于未攪拌的有明顯的細化；當攪拌時間為20 min，微觀組織中初生硅的尺寸變得越來越小且分布較為均勻；當攪拌時間為30 min，初生硅的尺寸變化不大，但是出現(xiàn)了初生硅的團聚現(xiàn)象，其初生硅的分布有一定的聚集；當攪拌時間達到40 min，初生硅的尺寸相對于20 min、30 min的有一定的增大，由于攪拌時間過長，導致其初生硅聚集和長大。由此可見，攪拌時間在20 min左右，其初生硅組織得到了明顯的細化，并且分布也較為均勻。

圖4 不同攪拌時間的金相顯微組織

3 結(jié)束語

（1）Al-20Si合金用機械攪拌的工藝可以對其初生硅組織進行一定的細化，獲得力學性能及組織較好的半固態(tài)坯料。

（2）基于650℃的攪拌溫度、300 r/min的攪拌速度條件下，以此研究不同的攪拌時間對過共晶Al-20Si合金的組織及表面硬度的影響。隨著攪拌時間的延長，Al-20Si合金的初生硅組織細化程度不同，在攪拌作用及攪拌時間下，初生硅可被打碎從而細化其微觀組織。微觀組織的細化改變了Al-20Si合金的硬度，其合金的布氏硬度值整體呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢。當攪拌時間為20 min時，材料的布氏硬度達到峰值，其值為87.43 HB，相比與未經(jīng)攪拌的提高了17.78%。

（3）綜合Al-20Si合金的微觀組織及其硬度實驗結(jié)果可得：當攪拌溫度、攪拌速度為650℃、300 r/min時，Al-20Si合金性能最佳的攪拌時間為20 min，該條件下Al-20Si合金性能有較大的改善。為進一步完善對機械攪拌對Al-20Si合金力學性能及微觀組織的影響，需要對溫度和攪拌速度進行進一步的研究。