離心鑄造Al－24%Si合金自生梯度復(fù)合材料

楊 新

（海軍裝備部綜合計劃部，北京 100841）

共晶或亞共晶鋁硅合金通過變質(zhì)后組成相分布均勻、彌散，晶粒細(xì)化，材料的朔性和韌度大幅度提高，在工業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用。然而過共晶鋁硅合金因組織中存在粗大的初晶硅，力學(xué)性能較差，限制了其應(yīng)用范圍。如果能將過共晶鋁硅合金中粗大的初晶硅分布于材料的內(nèi)層或外層，而將具有高朔性和韌度a相分布于外層或內(nèi)層，這種過共晶鋁硅合金梯度功能材料其內(nèi)層或外層具有耐磨、耐蝕、耐熱等優(yōu)點，外層或內(nèi)層具有良好的朔性和韌度，有望開展過共晶鋁硅合金新的應(yīng)用領(lǐng)域。用離心鑄造的方法生產(chǎn)梯度功能材料，具有設(shè)備簡單、生產(chǎn)率高、成本低、合成的梯度功能材料穩(wěn)定以及能夠制備滿足生產(chǎn)實際需要的高致密度、大尺度的梯度功能材料等優(yōu)點，為過共晶Al－Si合金梯度復(fù)合材料的制備提供了手段［1，2］。在這方面王渠東［3］、于思榮［4］等作了大量的工作，文獻(xiàn)［2］通過改變離心鑄造熱模的溫度，控制凝固順序，分別對Al－20wt%Si和Al－30wt%Si合金進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)［4］對Al－20wt%Si合金在加速場中固液兩相流的再分布進(jìn)行了探究，發(fā)現(xiàn)初晶Si的含量由內(nèi)至外逐漸減少，呈梯度分布，內(nèi)側(cè)的初晶Si比較粗大，且有的呈長條狀，由內(nèi)到外初晶Si逐漸減少，且顆粒變少。目前對含Si量在20wt%～30wt%范圍內(nèi)的過共晶Al－Si合金自生梯度復(fù)合材料的研究還很少見諸報道。本文通過改變離心鑄造的轉(zhuǎn)速，研究了Al－24wt%Si合金在不同加速場中初晶Si的梯度行為，獲得了初晶Si由外向內(nèi)或由內(nèi)向外富集的過共晶Al－Si合金自生梯度復(fù)合材料。分析了復(fù)合材料的形式過程，考察了復(fù)合材料的組織和硬度。

1 實驗方法

本研究采取臥式離心鑄造機(jī)，轉(zhuǎn)速分別為600rpm、1000rpm、1400rpm，所得鑄件尺寸為外徑140mm，內(nèi)徑為70mm、長50mm。用工業(yè)純鋁和工業(yè)純硅配置Al－24wt%Si合金，在中頻感應(yīng)電爐中熔化，金屬液過熱溫度為80～120℃，模溫為280～300℃。按圖1所示部位切取試樣，對其截面分內(nèi)、中、外層進(jìn)行金相觀察，腐蝕劑為1%HF水溶液。用定量金相顯微鏡和S－570掃描電子顯微鏡觀察金相組織并對初生Si的分布情況作定量描述，用HV－120型微氏硬度計在等半徑經(jīng)多點（20點）測量硬度，并取平均值，以研究硬度分布情況。

圖1 實驗時取樣示意圖

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合材料的金相組織

圖2 Al－24wt%Si復(fù)合材料的金相組織 ×100

圖2是離心鑄造Al－24%Si合金自生梯度復(fù)合材料的金相組織。轉(zhuǎn)速為600rpm時，中層和外層有較多粗大針狀初晶Si富集，內(nèi)層只有少量多角塊狀初晶Si；轉(zhuǎn)速為1000rpm時，內(nèi)層和外層都有較多多角塊狀初晶Si富集，且內(nèi)層多于外層，在內(nèi)層還有少量粗大板片狀初晶Si，中層初晶Si較少且呈細(xì)粒狀；轉(zhuǎn)速為1400rpm時，外層初晶Si較少并呈細(xì)粒狀，中層和內(nèi)層有較多多角塊初晶Si，在內(nèi)層還有少量粗大板塊狀初晶Si富集，內(nèi)層多角塊狀初晶Si尺寸大于外層。圖3為初晶Si沿徑向方向分布情況，在轉(zhuǎn)速600rpm時，初晶Si沿由內(nèi)向外的方向呈梯度富集；在轉(zhuǎn)速為1400rpm時，初晶Si沿由外向內(nèi)的方向呈梯度富集，在轉(zhuǎn)速為1000rpm時，初晶Si不呈梯度分布。隨轉(zhuǎn)速的增加，外層和中層多角塊狀初晶Si由粗大針狀向細(xì)粒狀轉(zhuǎn)變。

3 轉(zhuǎn)速對Al－24wt%Si復(fù)合材料初晶Si分布的影響

2.2 復(fù)合材料的形成

過共晶Al－Si合金離心鑄造初晶Si的分布與離心力和凝固過程有關(guān)，本研究由于模溫較低，其凝固過程主要為從外向內(nèi)的順序凝固。在轉(zhuǎn)速較低時，由于初晶Si在固液兩相區(qū)的密度與金屬液的密度相差很小，按斯托克斯評估的初晶Si在金屬液中的沉降速度極小，初晶Si的偏析很小，另外，在轉(zhuǎn)速較低時，鑄型的溫度梯度小，鑄件凝固時間較長，晶粒粗大，因此在轉(zhuǎn)速600rpm時，先析出的初晶Si主要富集在外層和內(nèi)層，且外層較多，并呈粗大針狀，初晶Si沿內(nèi)向的外梯度富集。在轉(zhuǎn)速較高時，初晶Si在金屬液中的沉降速度極大，鑄型的溫度梯度大，鑄件凝固時間較短，因此在轉(zhuǎn)速為1400rpm時，初晶Si主要富集在內(nèi)層和中層，且內(nèi)層較多，初晶Si呈由外向內(nèi)梯度富集。在轉(zhuǎn)速1000rpm時，初晶Si在金屬液中的沉降速度和鑄型的溫度梯度均為一般，因此內(nèi)層和外層都有較多多角塊狀初晶Si富集，在內(nèi)層還有少量粗大板塊狀初晶Si，初晶Si不呈梯度分布。少量粗大板片狀初晶Si出現(xiàn)，可能是部分初晶Si沒有來得及破碎的結(jié)果。

2.3 復(fù)合材料的硬度

復(fù)合材料的硬度測試結(jié)果如圖4所示。在轉(zhuǎn)速為600rpm時，從內(nèi)層到外層，硬度呈明顯增加的梯度分布。在轉(zhuǎn)速為1400rpm時，從內(nèi)層到外層硬度呈明顯減少的梯度分布；由于鑄型的極冷作用，在鑄件的外表面，硬度稍有提高。在轉(zhuǎn)速為1000rpm時，硬度不呈梯度分布?？梢姀?fù)合材料硬度的變化取決于初晶Si的分布，當(dāng)初晶Si呈梯度分布時，復(fù)合材料的硬度也呈梯度分布。

圖4 復(fù)合材料的硬度

3 結(jié) 語

（1）改變離心鑄造的轉(zhuǎn)速，獲得了初晶Si由外向內(nèi)或由內(nèi)向外富集的Al－24wt%Si合金自生梯度復(fù)合材料。

（2）離心鑄造Al－24wt%Si合金復(fù)合材料的硬度取決于初晶Si數(shù)量，當(dāng)初晶Si呈梯度分布時，復(fù)合材料的硬度也呈梯度分布。

1 L.Lajoye and M.Suery.Modeling of Particle Segregation during CertrigugAl Casting of Amatrix Composites［J］.ASM InternationAl，MetAl Park，OH，1988：15

2 Yasuyoshi FUKUI.FundamentAl Investigation of Function Gradient MateriAls Manufacturing System.Using CentrifugAl Force［J］.JSME InternationAl JournAl，SeriesⅢ1991，34（1）：44

3 王渠東等.離心鑄造過共晶Al－Si合金自生表面復(fù)合材料［J］.復(fù)合材料學(xué)報，1998，15（3）：7

4 王思榮等.加速場中過共晶Al－Si合晶固液兩相流體的在分布［C］.長春，98吉林省青年學(xué)術(shù)研討會，1998