初晶硅的遺傳特性及其溶解動(dòng)力學(xué)

文 滔，王建華，蘇旭平，涂 浩，劉 亞，吳長(zhǎng)軍

(1. 常州大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，常州 213164；2. 常州大學(xué) 先進(jìn)金屬材料常州市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，常州 213164；3. 三一重工股份有限公司，長(zhǎng)沙 410100)

初晶硅的遺傳特性及其溶解動(dòng)力學(xué)

文 滔1,2,3，王建華1,2，蘇旭平1,2，涂 浩1,2，劉 亞1,2，吳長(zhǎng)軍1,2

(1. 常州大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，常州 213164；2. 常州大學(xué) 先進(jìn)金屬材料常州市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，常州 213164；3. 三一重工股份有限公司，長(zhǎng)沙 410100)

將Al-21%Si(質(zhì)量分?jǐn)?shù))合金在750～1 200 ℃分別重熔保溫20、40、60、80、100和120 min后銅?？炖浼爸厝郾?20 min后空冷，采用光學(xué)顯微鏡觀察分析合金中初晶硅形態(tài)與尺寸的變化，對(duì)Al-21%Si合金中的初晶硅的溶解動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析。結(jié)果表明：過(guò)熱溫度越高，初晶硅尺寸越細(xì)小。在銅?？炷龡l件下，在750和850 ℃重熔時(shí)，保溫時(shí)間對(duì)初晶硅顆粒尺寸的影響較大；在950～1 200 ℃重熔時(shí)，保溫時(shí)間對(duì)初晶硅顆粒尺寸基本沒(méi)有影響。當(dāng)合金空冷時(shí)，即使過(guò)熱溫度足夠高也不能獲得細(xì)小的初晶硅組織，較高的過(guò)熱溫度和較快的冷卻速度有利于消除過(guò)共晶鋁硅合金中粗大初晶硅的遺傳現(xiàn)象和獲得細(xì)小的初晶硅。短時(shí)重熔實(shí)驗(yàn)和溶解動(dòng)力學(xué)分析表明，當(dāng)合金在1 200 ℃重熔并保溫7～10 min后就可以使Al-21%Si合金中的初晶硅基本溶解。當(dāng)重熔溫度為950 ℃時(shí)，需要保溫1.4～1.7 h才能使初晶硅得到溶解。

初晶硅；組織遺傳；溶解動(dòng)力學(xué)；過(guò)熱溫度；快速凝固

Abstract:The Al-21%Si alloy was rapidly cooled in copper mould after being overheated at 750?1 200 ℃ for 20, 40,60, 80, 100 and 120 min, respectively. It was also dry quenched after being overheated at 750?1 200 ℃ for 120 min.The changes of the morphology and particle size of primary Si were analyzed with optical microscopy. The solution kinetic of primary Si in Al-21%Si melt was analyzed. The results show that the particle size of primary Si gradually decreases with the increase of overheating temperature. The effect of holding time on the particle size of primary Si is obvious as remelted at 750 and 850 ℃, and that is little as remelted at 950?1 200 ℃, when the alloy is cooled in copper mould. Fine primary Si microstructure cannot be obtained when the alloy is dry quenched even if the overheating temperature is quite high. High overheating temperature and rapid solidification are beneficial to eliminate the heredity of coarse primary Si in hypereutectic Al-Si alloy and to obtain the fine primary Si. Short-time remelt experiments and solution kinetic analysis indicate that the primary Si in Al-21%Si alloy can be mostly dissolved after the alloy is remelted at 1 200 ℃ for 7?10 min. When the remelt temperature is 950 ℃, the holding time of 1.4?1.7 h is needed for the solution of primary Si.

Key words:primary Si; structural heredity; solution kinetic; overheating temperature; rapid solidification

隨著汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和低碳經(jīng)濟(jì)的倡行，越來(lái)越多的鋁材被用來(lái)代替鋼鐵材料和銅材等，以使汽車(chē)大幅輕量化，達(dá)到節(jié)能減排的目的[1]。過(guò)共晶鋁硅合金以其密度小、強(qiáng)度高、耐腐蝕和鑄造性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用[2?4]。過(guò)共晶鋁硅合金中大塊的初晶硅會(huì)使其棱角處產(chǎn)生應(yīng)力集中，嚴(yán)重割裂合金基體，導(dǎo)致合金的力學(xué)性能降低。工業(yè)上主要通過(guò)磷變質(zhì)[5?6]和熔體混合處理[7]細(xì)化過(guò)共晶鋁硅合金中的粗大初晶硅組織。早在20世紀(jì)20年代，法國(guó)著名學(xué)者 LEVI[8]就發(fā)現(xiàn)在鑄鐵中存在一定的遺傳性現(xiàn)象，并首次將這一現(xiàn)象提了出來(lái)。隨后在 1975年，MONDOLFO和BARLOCK[9]發(fā)現(xiàn)隨著熔體過(guò)熱度的增加(高于熔點(diǎn)500 ℃以上)，鋁熔體中晶核的尺寸減小，數(shù)量減少。陳光等[10]根據(jù)材料的熔體結(jié)構(gòu)特性與溫度及相關(guān)處理工藝的關(guān)系，明確給出了熔體熱處理的概念，認(rèn)為熔體處理工藝將成為挖掘材料性能潛力的有效新途徑。合金的組織遺傳性可以通過(guò)合適的熔體處理工藝得以消除，獲得較好的合金凝固組織和力學(xué)性能[11]。對(duì)過(guò)共晶鋁硅合金進(jìn)行超聲處理能顯著細(xì)化初晶硅[12]。利用溫度對(duì)熔體結(jié)構(gòu)的影響、通過(guò)控制合金熔體的預(yù)結(jié)晶狀態(tài)和冷卻速度可以改善金屬材料的組織和性能[13]。陳忠華[14]對(duì) Al-18%Si合金進(jìn)行熔體處理后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熔體過(guò)熱到1 150 ℃并保溫處理后，熔體的液態(tài)結(jié)構(gòu)遺傳得以消除，提出了“不可逆液液轉(zhuǎn)變”的推論。GUI等[15]等用熔體過(guò)熱處理消除鋁硅合金中的組織遺傳，細(xì)化或改變?cè)摵辖鹬械诙嘈螒B(tài)。魏朋義和傅恒志[16]在研究快凝 Al-(14%～18%)Si合金條帶微觀組織及性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)熔體溫度達(dá)到1 200 ℃時(shí)，可以得到100 nm尺度的Si彌散強(qiáng)化的鋁基復(fù)合材料。宋紹峰等[17]將 Al-20%Si合金在1 000 ℃下保溫時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨保溫時(shí)間的增加，初晶硅尺寸逐漸變細(xì)。王建華等[18]的研究表明，熔體過(guò)熱處理對(duì)2618鋁合金中Al9FeNi相具有細(xì)化作用，并分析了中間合金中的Al3Fe相和回爐料中的Al9FeNi相在鋁合金熔體中的溶解動(dòng)力學(xué)。GUAN等[19]提出了一種可以細(xì)化鋁合金晶粒組織的震蕩波形斜板工藝(VWSP)。張蓉等[20?21]通過(guò)考慮界面反應(yīng)對(duì)初晶硅相溶解過(guò)程的影響，分別建立了初晶硅在過(guò)熱熔體中的溶解動(dòng)力學(xué)模型。目前，對(duì)過(guò)共晶鋁硅合金的最佳熔煉溫度和保溫時(shí)間仍缺乏有據(jù)可循的數(shù)據(jù)，因此在生產(chǎn)中很難得到最佳的初晶硅變質(zhì)處理效果。本文作者研究熔體處理工藝對(duì)Al-21Si%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))合金中初晶硅組織遺傳特性的影響、并初步定量分析合金中初晶硅的溶解動(dòng)力學(xué)，研究結(jié)果對(duì)過(guò)共晶鋁硅合金的變質(zhì)處理及生產(chǎn)工藝的制定具有一定的參考和指導(dǎo)作用。

1 實(shí)驗(yàn)

采用工業(yè)純鋁(99.7%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))和Al-30Si中間合金配制Al-21%Si合金。首先將工業(yè)純鋁和Al-30Si中間合金混合料裝入石墨坩堝并在井式電阻爐中加熱至850 ℃熔煉保溫30 min，熔煉過(guò)程中采用質(zhì)量比為1:1的KCl和NaCl脫水混合物鹽對(duì)合金液體表面進(jìn)行覆蓋。待合金液降溫至780 ℃時(shí)澆注到預(yù)熱至100 ℃左右的金屬型(鐵模)中，得到80 mm×80 mm×13 mm的初始合金塊。然后將初始合金塊切割成12 mm×12 mm×8 mm、質(zhì)量約為3 g的小四方塊試樣。將這些合金試樣分別裝入內(nèi)徑為18 mm，高為25 mm的杯型剛玉坩堝內(nèi)并置于箱式爐中，在750、850、950、1 100和1 200 ℃溫度下分別保溫20、40、60、80、100和120 min，然后將合金熔液快速壓入自制銅模中得到厚度約為2 mm的合金薄片。此外，將初始合金分別在750、800、850、900、950、1 000、1 100和1 200 ℃下熔煉保溫120 min后空冷，以考察冷卻速度對(duì)初晶硅組織遺傳性的影響。采用全自動(dòng)圖像分析儀對(duì)合金初始鑄態(tài)組織、銅?？炖浜涂绽浜辖鹪嚇臃謩e進(jìn)行顯微組織觀察和分析。采用數(shù)學(xué)模型對(duì) Al-21%Si合金中初晶硅的溶解動(dòng)力學(xué)進(jìn)行計(jì)算和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 合金銅?？焖倌探M織

圖1所示為Al-21%Si合金的初始鑄態(tài)組織。從圖1可以看出，合金初始鑄態(tài)組織主要由α(Al)基體、粗大的塊狀初晶硅和粗針狀共晶硅組成。經(jīng)定量金相測(cè)量發(fā)現(xiàn)，過(guò)共晶Al-21%Si合金中初晶硅的平均顆粒尺寸約為30 μm。

圖1 Al-21%Si合金初始鑄態(tài)組織Fig.1 Primary casting structure of Al-21%Si alloy

圖2所示為初始Al-21%Si合金在750 ℃下分別重熔保溫20和120 min后的銅?？炷M織。從圖2可以看出，在750 ℃下重熔保溫處理并銅模快凝后，合金凝固組織中的初晶硅較初始鑄態(tài)組織中的均有不同程度的減小。在該溫度下分別保溫20和120 min并銅?？炷螅蹙Ч璧钠骄w粒尺寸從26 μm減小到20 μm，增加100 min的保溫時(shí)間使初晶硅顆粒尺寸減小了23%?？梢?jiàn)，在750 ℃重熔時(shí)保溫時(shí)間對(duì)初晶硅的細(xì)化具有一定的作用。

圖2 Al-21%Si合金在750 ℃重熔保溫不同時(shí)間后的銅模快凝組織Fig.2 Copper mould rapid solidification microstructures of Al-21%Si alloy remelted at 750 ℃ for different holding times:(a) 20 min; (b) 120 min

由Al-Si二元相圖[22]可知，Al-21%Si合金的液相線溫度大約為700 ℃。在過(guò)熱度僅為50 ℃的750 ℃重熔保溫時(shí)，合金中初晶硅的溶解速度很慢，此時(shí)保溫時(shí)間對(duì)合金中初晶硅的溶解程度影響不太大。但是隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，合金快速凝固組織中初晶硅的平均尺寸還是逐漸減小的。

圖3所示為Al-21%Si合金在850 ℃下分別重熔保溫20和120 min后的銅模快凝組織。從圖3可以看出，在850 ℃下重熔保溫處理時(shí)，保溫120 min后銅模快凝組織中的初晶硅尺寸比保溫 20 min后的有明顯的減小，其平均顆粒尺寸從保溫20 min時(shí)的21 μm減小到保溫120 min時(shí)的11 μm，增加100 min的保溫時(shí)間使初晶硅顆粒尺寸減小了47.6%。對(duì)比圖2和3還可以看出，保溫時(shí)間相同時(shí)，在850 ℃重熔保溫處理時(shí)初晶硅的細(xì)化效果比750 ℃時(shí)的更好。這主要是由于溫度越高，合金液中初晶硅的溶解速度越快，從而使初晶硅的溶解更充分，導(dǎo)致在幾近相同的快速冷卻條件下初晶硅的尺寸越細(xì)小。

圖3 Al-21%Si合金在850 ℃重熔保溫不同時(shí)間后的銅?？炷M織Fig.3 Copper mould rapid solidification microstructures of Al-21%Si alloy remelted at 850 ℃ for different holding times:(a) 20 min; (b) 120 min

圖4所示為Al-21%Si合金在1 200 ℃下分別重熔保溫20和120 min后的銅?？炷M織。從圖4可以看出，在1 200 ℃下重熔保溫處理后，合金凝固組織中的初晶硅呈彌散分布的細(xì)小顆粒狀，初晶硅平均顆粒尺寸僅5 μm。在該溫度下重熔保溫20和120 min后，合金的銅?？炷M織變化甚微，合金中初晶硅的平均顆粒尺寸基本相當(dāng)。

圖4 Al-21%Si合金在1 200 ℃重熔保溫不同時(shí)間后的銅?？炷M織Fig.4 Copper mould rapid solidification microstructures of Al-21%Si alloy remelted at 1 200 ℃ for different holding times: (a) 20 min; (b) 120 min

隨著過(guò)熱重熔溫度的升高，Al-21%Si合金中初晶硅的溶解驅(qū)動(dòng)力增大，溶解的Si原子和原子團(tuán)在合金溶液中的擴(kuò)散速度加快，使初晶硅的溶解速度也隨之加快。在1 200 ℃重熔保溫處理時(shí)，合金中初晶硅的溶解速度很快，在很短的保溫時(shí)間(20 min)內(nèi)即可使初晶硅溶解得相當(dāng)充分，更長(zhǎng)的保溫時(shí)間對(duì)合金凝固組織的形貌影響很小?？梢哉J(rèn)為，在該溫度下重熔保溫處理時(shí)，當(dāng)保溫時(shí)間達(dá)到20 min時(shí)，合金中的初晶硅已完全溶解，合金熔液達(dá)到均勻的液態(tài)。在冷卻凝固過(guò)程中，初晶硅的析出只能依靠成分起伏進(jìn)行均勻形核，由于冷卻速度很快，形核后的初晶硅來(lái)不及充分長(zhǎng)大，從而使合金銅?？炷M織中的初晶硅呈細(xì)小顆粒狀，消除了合金的組織遺傳現(xiàn)象。

圖5所示為Al-21%Si合金在不同的過(guò)熱溫度下重熔保溫處理后，其銅?？炷M織中初晶硅的平均顆粒尺寸與保溫時(shí)間的關(guān)系。由圖5可見(jiàn)，Al-21%Si合金在750～1 200 ℃間重熔保溫處理時(shí)，隨著過(guò)熱溫度的升高，合金銅模快凝組織中初晶硅的平均顆粒尺寸都有不同程度的減小。在750 ℃重熔處理時(shí)，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，合金銅模快凝組織中初晶硅的平均顆粒尺寸逐漸減小。在850 ℃重熔處理時(shí)，保溫時(shí)間對(duì)初晶硅的平均顆粒尺寸影響最大。合金在 950～1200 ℃溫度范圍內(nèi)重熔處理時(shí)，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，合金銅模快凝組織中初晶硅的平均顆粒尺寸變化很小。

圖5 銅?？炷M織中初晶硅的平均顆粒尺寸與保溫時(shí)間的關(guān)系Fig.5 Relationship between average particle size of primary Si in copper mould rapid solidification microstructure and holding time at different remelting temperatures

由于銅模的冷卻速度非?？?，因此可以認(rèn)為 Al-21%Si合金在銅模冷卻條件下，能較好地保存其在重熔保溫處理時(shí)的熔體狀態(tài)。隨著過(guò)熱重熔溫度的逐步升高，合金中初晶硅的溶解驅(qū)動(dòng)力增大，其溶解速度也隨之加快，使得合金在經(jīng)過(guò)相同保溫時(shí)間的重熔處理后，合金熔液中初晶硅的尺寸逐漸減小。此外，過(guò)熱重熔的溫度越高，合金熔液冷凝時(shí)的溫差就越大，冷卻速度加快、過(guò)冷度增大，導(dǎo)致初晶硅的自發(fā)形核率增加和原子擴(kuò)散速度減慢，從而使初晶硅在凝固過(guò)程中的生長(zhǎng)速度降低，導(dǎo)致合金銅模快凝組織中初晶硅的平均顆粒尺寸隨著過(guò)熱溫度的升高而逐漸減小。

當(dāng)Al-21%Si合金在過(guò)熱溫度750和850 ℃重熔處理時(shí)，合金中初晶硅的溶解速度較慢，因而此時(shí)保溫時(shí)間對(duì)合金凝固組織中初晶硅顆粒尺寸有一定的影響，使得合金在750和850 ℃重熔保溫處理時(shí)，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，銅?？炷M織中初晶硅的平均顆粒尺寸逐漸減小。同時(shí)，由于850 ℃比750 ℃擁有更長(zhǎng)的過(guò)熱度，重熔保溫處理時(shí)合金中初晶硅的溶解速度也更快，因此在850 ℃重熔時(shí)，保溫時(shí)間對(duì)合金凝固組織中初晶硅平均顆粒尺寸的影響作用更明顯，曲線斜率更大。

當(dāng)Al-21%Si合金在較高的過(guò)熱溫度950～1 200 ℃重熔保溫處理時(shí)，合金中初晶硅的溶解速度很快，在較短的時(shí)間內(nèi)即可達(dá)到各自重熔溫度下比較充分的溶解狀態(tài)，此時(shí)更長(zhǎng)的保溫時(shí)間對(duì)合金銅模快凝組織中初晶硅的平均顆粒尺寸影響較小。按推理分析，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，如果合金快凝組織中初晶硅的尺寸不再變化，可以認(rèn)為合金在重熔一定時(shí)間后，初晶硅都得到了完全溶解。如果合金液的冷卻速度相同，那么最后得到的凝固組織應(yīng)該相同。但由于冷卻速度的差別，最后得到的初晶硅尺寸仍然有所不同，重熔溫度越高，初晶硅的尺寸越小。

2.2 合金空冷凝固組織

圖6所示為Al-21%Si合金在750和1 200 ℃重熔保溫120 min后空冷凝固后的組織形貌。從圖6可以看出，合金空冷組織中初晶硅的顆粒尺寸比較大，其平均值都達(dá)到了60 μm以上，重熔溫度對(duì)空冷合金凝固組織中初晶硅的平均尺寸基本沒(méi)有影響。

圖6 Al-21%Si合金在不同溫度下重熔保溫120 min后的空冷組織Fig.6 Dry quenched solidification microstructures of Al-21%Si alloy remelted at different temperatures for 120 min:(a) 750 ℃; (b) 1 200 ℃

圖7所示為 Al-21%Si合金分別在 750、800、850、900、950、1 000、1 100和1 200 ℃溫度下重熔保溫120 min后，空冷組織中初晶硅的平均顆粒尺寸與重熔溫度之間的關(guān)系。從圖7可以看出，合金空冷組織中初晶硅的平均顆粒尺寸比初始鑄態(tài)組織中的增大了一倍以上，其尺寸基本都在65 μm左右波動(dòng)。

由于空冷凝固的冷卻速度很慢，所以 Al-21%Si合金在750～1 200 ℃區(qū)間內(nèi)不同溫度重熔保溫120 min后空冷凝固時(shí)，不管合金液中初晶硅的溶解狀態(tài)如何，在合金的凝固過(guò)程中初晶硅能得以充分生長(zhǎng)，使得空冷組織中初晶硅的平均顆粒尺寸較初始鑄態(tài)組織都有很大程度的增大。由此可見(jiàn)，不管過(guò)共晶鋁硅合金的過(guò)熱歷史如何，在緩慢的冷卻條件下不但不能削弱或消除合金凝固組織中粗大初晶硅的組織遺傳現(xiàn)象，反而使合金凝固組織中的初晶硅更加粗大。

圖7 空冷組織中初晶硅的平均顆粒尺寸與重熔溫度的關(guān)系Fig.7 Relationship between average particle size of primary Si in air quenched solidification microstructure and remelting temperature

因此，要徹底消除Al-21%Si初始鑄態(tài)合金中粗大初晶硅的組織遺傳性，除了對(duì)合金進(jìn)行一定時(shí)間的高溫重熔處理外，還需要使該合金液在較快的凝固速度條件下進(jìn)行鑄造。

2.3 合金中初晶硅的溶解動(dòng)力學(xué)

從前面的研究可知，首先，銅?？炷に嚹茌^好地保存合金熔體液態(tài)時(shí)的組織狀態(tài)。其次，在750和850 ℃重熔保溫處理20～120 min時(shí)，Al-21%Si合金中初晶硅的顆粒尺寸持續(xù)減小，其與時(shí)間的關(guān)系曲線斜率較大(見(jiàn)圖5)，因此，可以認(rèn)為合金在750和850 ℃重熔保溫處理20～120 min的過(guò)程中，合金中的初晶硅一直處于不斷溶解的過(guò)程中，能更好地用于初晶硅的溶解動(dòng)力學(xué)研究；再次，對(duì)于Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21%左右的過(guò)共晶鋁硅合金，其在科研上和工業(yè)應(yīng)用上的熔煉、變質(zhì)和澆鑄等工藝溫度大都集中在750～850 ℃之間，因此，對(duì)過(guò)共晶鋁硅合金熔體中初晶硅在該溫度區(qū)間上的溶解動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究很有必要；最后，從以上的實(shí)驗(yàn)研究還可知，當(dāng)過(guò)熱重熔溫度達(dá)到1 200 ℃時(shí)，保溫20 min即可認(rèn)為合金中的初晶硅已經(jīng)溶解完全。綜上所述，關(guān)于Al-21%Si合金中初晶硅的溶解動(dòng)力學(xué)，本文作者選取合金經(jīng)750和850 ℃重熔保溫處理后的銅?？炷M織進(jìn)行研究，并根據(jù)該動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果對(duì)1 200和950 ℃重熔時(shí)初晶硅的溶解情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證或外推計(jì)算。

圖8所示為一維情況下，Al-21%Si合金熔體中塊狀初晶硅溶解的溶質(zhì)分布示意圖。

圖8 初晶硅在Al-21%Si合金熔體中的溶解動(dòng)力學(xué)模型Fig.8 Solidification kinetic model of primary Si in Al-21%Si alloy melt

假設(shè) Al-21%Si合金中的初晶硅在各過(guò)熱重熔溫度下都能得到完全溶解，并且在初晶硅開(kāi)始溶解前，合金中共晶硅已經(jīng)完全溶解。設(shè)X為塊狀初晶硅相的半厚度，cP和cM分別為初晶硅相中Si的濃度和共晶硅相完全溶解后的合金熔體中Si的濃度，c1表示相界面處熔體一側(cè)的溶質(zhì)濃度。如果忽略熔體的對(duì)流，則其擴(kuò)散方程符合菲克第二定律：

式中：c為擴(kuò)散物質(zhì)的質(zhì)量濃度，t為擴(kuò)散時(shí)間，D為擴(kuò)散系數(shù)，x為距離。

代入初始條件及邊界條件：求解式(1)后得：

式(3)中erfc為反誤差函數(shù)。

界面滿足流體平衡方程：

將式(3)微分并代入式(4)后得

式中：

當(dāng)溫度一定時(shí)，可以認(rèn)為K和D均為常數(shù)，此時(shí)，解方程式(5)得

合金熔體中初晶硅完全溶解時(shí)，其半厚度X變?yōu)?。將X = 0代入式(7)后解得：

對(duì)于初晶硅相，cP=100%，將Al-Si二元相圖中共晶點(diǎn)摩爾分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成質(zhì)量分?jǐn)?shù)后，保留1位小數(shù)后的Si含量為11.8%。假設(shè)Al-21%Si合金是在理想的、完全平衡的條件下凝固的，并且忽略α(Al)中Si的固溶度因素(即假設(shè)α(Al)中Si的固溶度為0)，計(jì)算求得cM的名義值為cM≈10.43%。

查 Al-Si二元相圖，將查得的摩爾分?jǐn)?shù)值轉(zhuǎn)化成質(zhì)量分?jǐn)?shù)值并保留2位小數(shù)后得如下結(jié)果。當(dāng)溫度為750 ℃時(shí)，c1≈25.25%；當(dāng)溫度為850 ℃時(shí)，≈32.88%；當(dāng)溫度為1 200 ℃時(shí)，≈67.39%。將上述c1、和的數(shù)值分別代入式(6)并保留2位小數(shù)后得：K750≈0.40；K850≈2.23；K1200≈3.49。將其代入式(5)～(8)后得：

為了近似地得到 Al-21%Si合金中塊狀初晶硅在750、850和1 200 ℃時(shí)完全溶解所需時(shí)間之間的相互關(guān)系，假設(shè)D750=D850=D1200，則對(duì)比式(9)、(10)和(11)的關(guān)系可得：

即根據(jù)相應(yīng)理論進(jìn)行假設(shè)和計(jì)算的結(jié)果表明，當(dāng)Al-21%Si合金中塊狀初晶硅的原始厚度相同時(shí)，其在750 ℃完全溶解所需的時(shí)間是在1 200 ℃的78.1倍，在850 ℃完全溶解所需的時(shí)間是在1 200 ℃的27.9倍。

鋁合金熔體中Si原子平均擴(kuò)散系數(shù)的計(jì)算：根據(jù)以上理論計(jì)算結(jié)果，再結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)(銅模快凝實(shí)驗(yàn))的結(jié)果，采用金相組織分析法，對(duì)Al-21%Si合金中初晶硅在 750和 850 ℃的溶解動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究，并對(duì)1200 ℃時(shí)的溶解情況進(jìn)行外推計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。為減小誤差，取合金在750 ℃分別保溫20和120 min、以及850 ℃分別保溫20和120 min后凝固組織中初晶硅的平均顆粒尺寸進(jìn)行研究。首先研究750 ℃時(shí)的情況，并令

t1=20 min=1 200 s, X1=26/2 μm=1.3×10?5m;

t2=120 min=7 200 s, X2=20/2 μm=1.0×10?5m;

為了便于計(jì)算，將式(12)和(13)分別代入式(7)并消去X0，同時(shí)代入t1、X1、t2和X2的具體數(shù)值后得

對(duì)比式(14)和(15)計(jì)算結(jié)果可以明顯看出，通過(guò)金相組織法測(cè)算的銅?？炷龡l件下，Al-21%Si合金熔體中Si原子的擴(kuò)散系數(shù)值非常接近，即D750≈D850。由此可見(jiàn)，在液相線溫度以上時(shí)，溫度對(duì)Si原子的擴(kuò)散系數(shù)影響很小。將通過(guò)金相組織法獲得的熔體中Si原子的平均擴(kuò)散系數(shù)定義為DMS(MS—Micro-structure)，令DMS為D750和D850的加權(quán)平均值，并取1位有效數(shù)字，則得

假設(shè)Al-21%Si合金在750和850 ℃過(guò)熱重熔時(shí)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的保溫處理后，均能達(dá)到1 200 ℃重熔保溫20 min以上時(shí)的完全溶解狀態(tài)，且通過(guò)銅?？炷龡l件均能獲得初晶硅平均顆粒尺寸為5 μm左右的細(xì)小組織。定義初晶硅完全溶解時(shí)的時(shí)間為 tS(S—Solution)，Al-21%Si合金重熔時(shí)初晶硅完全溶解后銅模快凝合金組織中初晶硅顆粒的半厚度為XS=5/2 μm=2.5×10?6m，則根據(jù)式(14)變換后求得在750 ℃時(shí)，Al-21%Si合金中初晶硅完全溶解，并獲得初晶硅平均顆粒尺寸為5 μm左右的細(xì)小組織所需的保溫時(shí)間計(jì)算值為同理，根據(jù)式(15)求得在850 ℃過(guò)熱重熔時(shí)相應(yīng)保溫時(shí)間的計(jì)算值為

從式(17)和(18)的計(jì)算結(jié)果可知，在較低的過(guò)熱重熔溫度 750和 850 ℃下，即使保溫相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間(120 min)，也不能使合金中的初晶硅完全溶解，因此，不能有效地消除其組織遺傳現(xiàn)象。

將式(17)和(18)的計(jì)算結(jié)果分別代入式(12)和(13)可分別得到

t1200≈t750/78.1=44 309/78.1≈567 s≈9.5 min

t1200≈t850/27.9=13 140/27.9≈471 s≈7.9 min

從以上的計(jì)算結(jié)果可知，Al-21%Si合金在1 200 ℃過(guò)熱重熔時(shí)，僅需要7～10 min即可達(dá)到完全溶解的狀態(tài)，銅?？炷螳@得初晶硅平均顆粒尺寸僅為 5 μm左右的細(xì)小組織。

為驗(yàn)證以上外推計(jì)算結(jié)果的正確性，采用銅模快凝實(shí)驗(yàn)方法，將Al-21%Si合金在1 200 ℃過(guò)熱溫度下分別保溫5和10 min后進(jìn)行銅?？炷?，合金的凝固組織如圖9所示。從圖9(a)可以看出，Al-21%Si合金在1 200 ℃重熔保溫5 min后的銅?？炷M織中，初晶硅顆粒已非常細(xì)小，其平均尺寸為7 μm；當(dāng)保溫時(shí)間達(dá)到10 min時(shí)(見(jiàn)圖9(b))，合金銅?？炷M織中初晶硅的平均顆粒尺寸為5 μm左右。

圖10所示為Al-21%Si合金在1200 ℃下分別保溫5、10和20 min后，銅?？炷M織中初晶硅的平均顆粒尺寸與保溫時(shí)間的關(guān)系。從圖10可以看出，在1 200 ℃下，當(dāng)保溫時(shí)間為5～10 min時(shí)，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，初晶硅的平均顆粒尺寸顯著減?。欢?dāng)保溫時(shí)間為10～20 min時(shí)，初晶硅的平均顆粒尺寸隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)變化很小。

圖9 Al-21%Si在1 200 ℃重熔保溫不同時(shí)間后的銅?？炷M織Fig.9 Copper mould rapid solidification microstructures of Al-21%Si alloy remelted at 1 200 ℃ for different holding times: (a) 5 min; (b) 10 min

圖10 合金在1 200 ℃重熔的銅模快凝組織中初晶硅平均顆粒尺寸與保溫時(shí)間的關(guān)系Fig.10 Relationship between average particle size of primary Si and holding time of alloy remelted at 1 200 ℃ and rapidly solidified by copper mould

由以上分析可知，Al-21%Si合金在1 200 ℃重熔保溫5 min時(shí)，合金熔液中還有少量初晶硅沒(méi)有得到充分溶解，而當(dāng)保溫時(shí)間達(dá)到10 min時(shí)，合金熔液中的初晶硅已經(jīng)得到完全溶解。因此可以推斷，Al-21%Si合金在1 200 ℃重熔保溫時(shí)，合金熔液中初晶硅得到完全溶解時(shí)所需要的保溫時(shí)間應(yīng)該在5～10 min之間，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了前面計(jì)算外推的結(jié)果：在1 200 ℃下保溫 7～10 min即可使合金中初晶硅達(dá)到完全溶解的狀態(tài)。

在實(shí)際生產(chǎn)中，由于熔煉設(shè)備和鋁液的氧化問(wèn)題，不可能將鋁合金的熔煉溫度提高到1 200 ℃。由圖5可知，Al-21%Si合金在950 ℃下熔化并采用銅模快凝時(shí)，保溫時(shí)間對(duì)凝固組織中初晶硅尺寸的影響很小，因此，計(jì)算和預(yù)測(cè)合金在950 ℃重熔時(shí)初晶硅的完全溶解時(shí)間是很有現(xiàn)實(shí)意義的。按照上述方法通過(guò)初步計(jì)算可以得到以下兩個(gè)時(shí)間值：

t950≈t750/7.2=44309/7.2≈6154 s≈102.6 min≈1.7 h

t950≈t850/2.6=13140/2.6≈5054 s≈ 84.2 min≈1.4 h

也就是說(shuō)，計(jì)算外推結(jié)果表明，在950 ℃下保溫1.4～1.7 h即可使合金中初晶硅達(dá)到完全溶解的狀態(tài)。但在本實(shí)驗(yàn)中，在該重熔溫度下即使保溫2 h也未能使銅模快凝組織中初晶硅的平均顆粒尺寸減小到5 μm。其原因是合金熔液在950 ℃重熔保溫后凝固時(shí)的溫差比1 200 ℃時(shí)的小，從而其冷卻速度更慢，合金中的初晶硅生長(zhǎng)更充分，導(dǎo)致其凝固組織中初晶硅的顆粒尺寸更大。

Al-21%Si合金在850 ℃下熔化保溫2 h時(shí)，雖然不能使合金中初晶硅達(dá)到完全溶解的狀態(tài)，但是該合金在850 ℃下熔化保溫2 h并采用銅?？炷龝r(shí)，凝固組織中初晶硅尺寸只比950 ℃下熔化保留2 h時(shí)的略有增大。因此，如果在Al-21%Si合金的熔煉過(guò)程中采用良好的覆蓋措施，那么可以考慮將該合金在850 ℃下熔化保溫2 h以上，以獲得較好的初晶硅細(xì)化效果。

由以上分析可知，過(guò)熱重熔保溫處理過(guò)程中，Al-21%Si合金液中初晶硅的溶解是一個(gè)由溶解動(dòng)力學(xué)控制的過(guò)程，提高過(guò)熱重熔溫度可以加速初晶硅相的溶解。因此，一定高溫的過(guò)熱重熔處理是使過(guò)共晶鋁硅合金中初晶硅充分溶解的有效方法。若要在Al-21%Si合金凝固組織中得到細(xì)小均勻的初晶硅組織，不僅需要通過(guò)高溫過(guò)熱重熔?保溫處理來(lái)消除該合金熔體的組織遺傳性，而且還需要通過(guò)較快的冷卻速度來(lái)有效抑制初晶硅在合金凝固過(guò)程中的充分長(zhǎng)大。

3 結(jié)論

1) 隨著過(guò)熱重熔溫度的升高，Al-21%Si合金中初晶硅的溶解速度加快；在銅?？炷鋮s條件下，過(guò)熱重熔溫度越高，合金凝固組織中的初晶硅越小。

2) 在750和850 ℃重熔分別保溫20和120 min處理時(shí)，保溫時(shí)間對(duì)Al-21%Si合金銅?？炷M織中初晶硅顆粒尺寸的影響作用較大；在950～1 200 ℃間重熔保溫20和120 min處理時(shí)，保溫時(shí)間對(duì)合金銅?？炷M織中初晶硅顆粒尺寸的影響作用很小。

3) 經(jīng)過(guò)高溫重熔后的Al-21%Si合金熔液在空氣中冷卻時(shí)，合金的凝固組織中初晶硅非常粗大。一定的高溫過(guò)熱重熔?保溫處理和較快的凝固速度是消除過(guò)共晶鋁硅合金初晶硅組織遺傳性并獲得細(xì)小的初晶硅組織的充分必要條件。

4) 當(dāng)過(guò)熱溫度為1 200 ℃時(shí)，Al-21%Si合金重熔保溫 7～10 min即可使合金中的初晶硅完全溶解；在950 ℃重熔時(shí)，該合金必須保溫1.4～1.7 h才能使合金中的初晶硅完全溶解。將Al-21%Si合金在850 ℃重熔并保溫2 h然后采用銅?？炖?，合金凝固組織中的初晶硅尺寸只比在 950 ℃重熔并保溫 2 h時(shí)的略有增大。

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(編輯 何學(xué)鋒)

Hereditary properties of primary Si and its solution kinetic

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1004-0609(2012)07-1929-10

TG166.3

A

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2011-06-13；

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王建華，教授，博士；電話：15961165336；E-mail: wangjh@cczu.edu.cn