磁場作用制得亞共晶鋁硅合金腐蝕劑的研究

段紅萍

（福建信息職業(yè)技術(shù)學院，福州 350003）

磁場作用制得亞共晶鋁硅合金腐蝕劑的研究

段紅萍

（福建信息職業(yè)技術(shù)學院，福州 350003）

研究了旋轉(zhuǎn)磁場作用下制得的亞共晶鋁硅合金試樣，在不同腐蝕劑作用下，宏觀組織及微觀組織的顯示結(jié)果，分析了產(chǎn)生不同腐蝕結(jié)果的原因，得出了用于亞共晶鋁硅合金宏觀組織及微觀組織觀察的最佳腐蝕劑組分。

旋轉(zhuǎn)磁場；亞共晶鋁硅合金；腐蝕劑；宏觀組織；微觀組織

0 引言

鑄造鋁硅合金，常稱“硅鋁明”，是應(yīng)用最廣的一類鑄鋁合金。它具有優(yōu)良的鑄造性能、小的線收縮、高的流動性、良好的氣密性和低的熱裂傾向，并具有較高的抗蝕性和焊接性及一定的機械性能。常用作形狀復(fù)雜、承受一定載荷的零件，如內(nèi)燃機活塞、氣缸體、風扇葉片、形狀復(fù)雜的薄壁零件以及電機、儀表的外殼等。

鋁硅合金在不同的凝固條件下可以獲得不同的組織與性能。其中，采用旋轉(zhuǎn)磁場細化晶粒并改變相的組成、形態(tài)和分布，可使鋁硅合金獲得更高的強度、韌性和抗腐蝕能力等綜合性能［1］。金相分析技術(shù)所獲得的結(jié)果是聯(lián)系材料加工工藝科學及材料性能之間的重要橋梁，也是檢查產(chǎn)品質(zhì)量的依據(jù)之一。研究在旋轉(zhuǎn)磁場下制得的鋁硅合金宏觀與微觀腐蝕劑，分別找出顯示特定相的腐蝕劑，進而探索腐蝕工藝，是研究分析旋轉(zhuǎn)磁場對鋁硅合金組織作用規(guī)律與機理的基礎(chǔ)，也是更好地利用該技術(shù)探討鋁硅合金在成形及加工過程中產(chǎn)生各種缺陷的先決條件，亦是改進鑄造工藝、提高鑄件質(zhì)量的前提保證。

1 實驗設(shè)備及試樣的制備

本實驗的研究材料為含硅量4%的亞共晶鋁硅二元合金，采用原材料為99.7%的工業(yè)純鋁和高純結(jié)晶硅進行配制，其制備方法如下：

（1）材料的配制。選定好要配制的材料，計算好配比，在配比的過程中同時考慮材料的燒損。

（2）準備階段。將所有要與高溫鋁液接觸的用具及儀表等預(yù)熱到200℃，刷上ZnO涂料后，再加熱到400℃，直到涂層發(fā)黃然后停止烘烤，以免過燒產(chǎn)生涂料層破裂。

（3）熔化制取中間合金。接通電源，開啟ZG－25A真空感應(yīng)爐，當石墨坩堝呈暗紅色時，加入大塊鋁錠。當鋁溫度到達鋁的熔點（660℃）附近時，把事先預(yù)熱好的并用鋁片包住的結(jié)晶硅，用碳棒壓入鋁液內(nèi)部，并用小塊的工業(yè)純鋁壓住，以免上浮。加料完畢，蓋上真空爐爐蓋，抽取真空爐中的氣體并充入一定量的惰性氣體（氬氣）進行保壓，防止合金元素的燒損及揮發(fā)。待合金升到較高的溫度（目測有發(fā)白現(xiàn)象）時，將真空爐功率調(diào)至5kW，電壓200V，保溫1h，使合金均勻化。熔化好后，打開真空爐閥門通入大氣，開啟真空爐，造渣扒渣，將鋁液澆入事先已準備好的試樣模中。

（4）熔煉合金，制取實驗試樣。將制備好的中間合金在SX2－5－12箱式電阻爐中重熔，熔煉坩堝為鐵坩堝。待鐵坩堝呈暗紅色，加入鋁硅合金，將電壓調(diào)至250V，進行快速熔化。待鋁合金完全熔化后，加入覆蓋劑。為去除鋁液中的氣體和各種非金屬夾雜物，可采用六氯乙烷（C2Cl6）進行精煉。精煉完畢后，馬上除渣，再撒上覆蓋劑，保溫靜置10～15min后，再除渣，即可進行調(diào)溫澆注。

待澆注的鑄型為高純石墨圓筒鑄型，尺寸為Φ80／Φ70×150。將鑄型放入制磁設(shè)備中，調(diào)好電壓，接通電源，將金屬液澆入鑄型，使液體金屬在旋轉(zhuǎn)磁場作用下結(jié)晶，待結(jié)晶完后關(guān)掉電源，從設(shè)備中取出鑄型和試樣，使其在空氣中自然冷卻。

為了改變磁場大小，采用TSGC2J－20型接觸式三相調(diào)壓器進行調(diào)壓；采用W300測溫表，用來測量澆注溫度；熱電偶為鎳鉻鎳硅鎧裝型，用來測量金屬液溫度。試樣制取的實驗參數(shù)由表1所示。

表1 鋁硅合金

2 鋁硅合金宏觀腐蝕劑的研究

2.1 宏觀試樣的制備

從鑄型中取出鑄錠，用弓鋸床截取鑄錠距底部45mm的部分作為宏觀試樣，在砂輪機上倒角后，先用60＃、120＃砂紙粗磨，再用150＃、320＃、500＃、800＃、1000＃水磨砂紙研磨，直到表面光潔度較好，并有金屬光澤為止。用水沖凈、吹干，然后用腐蝕劑浸蝕，待腐蝕好后對宏觀組織直接進行觀察及拍照。

2.2 宏觀腐蝕劑的種類與配制

本實驗所選用的宏觀腐蝕劑的種類見表2。

表2 宏觀腐蝕劑

2.3 鋁硅合金宏觀腐蝕劑的研究

在沒有施加旋轉(zhuǎn)磁場時，對所制得的亞共晶鋁硅宏觀試樣分別用表2中所列的3種腐蝕劑對其進行腐蝕，其腐蝕效果如圖1所示。

圖1 1－716℃－0試樣在3種腐蝕劑下的腐蝕效果

從圖1可觀察出：腐蝕劑I（HNO3＋HCl＋HF＋H2O）對鋁硅合金的腐蝕效果很好，可以清晰地分辨出柱狀晶區(qū)與等軸晶區(qū)；腐蝕劑Ⅱ（NaOH）對于亞共晶鋁硅合金的腐蝕效果很差，試樣表面的組織經(jīng)腐蝕后變得更加的模糊，完全辯論不出柱狀晶區(qū)與等軸晶區(qū)的范圍；體積分數(shù)較低的腐蝕劑Ⅲ（HNO3＋HCl＋HF＋H2O）對亞共晶鋁硅合金的腐蝕效果也不好。

產(chǎn)生以上各種腐蝕效果存在差別的主要原因在于：鋁硅合金中主要含有α（Al）和共晶Si 2種相，2種相在試樣中的電極電位不一樣，即在試樣上存在著許多電極電位不同的微區(qū)域。當試樣表面與腐蝕劑接觸后，試樣表面與溶液界面就會形成很多微電池［2］。在不斷的接觸過程中，電極電位較負的晶界或合金成為陽極，不斷失去電子，而電極電位較正的金屬基體則為陰極，接受陽極搬來的電子，這樣，電子便會與腐蝕介質(zhì)中的正離子發(fā)生反應(yīng)。在酸性（腐蝕劑I）腐蝕劑中，存在大量的H＋離子，當試樣與腐蝕劑接觸時，便發(fā)生電化學反應(yīng)，使α（Al）相和共晶Si相在不同的溶解速度下反應(yīng)，腐蝕完后，便形成了凹凸不同的表面，在光線的照射下可以觀察到明顯的不同［3］；在堿性（腐蝕劑Ⅱ）溶液中，鋁硅合金中的α（Al）會和堿性溶液中的OH－離子作用生成黑灰色的氧化鋁，使得鋁硅合金在NaOH溶液中的電化學反應(yīng)無法繼續(xù)進行，所以鋁硅合金在酸性腐蝕劑中的腐蝕效果比較好，而在堿性腐蝕劑中的效果不好。同時，隨著酸性腐蝕劑中酸濃度的提高，溶液中H＋離子的數(shù)量就越多，則微電池效應(yīng)就越明顯，所以腐蝕劑I的腐蝕效果比腐蝕劑Ⅲ好。

3 鋁硅合金微觀腐蝕劑的研究

3.1 微觀試樣的制備

在宏觀試樣12－716℃－120的柱狀晶區(qū)與等軸晶區(qū)中取樣，選取靠近試樣中心的面作為觀察面。將試樣在砂輪機上倒角后，用60＃、120＃砂紙粗磨，再用280?！?500＃水磨砂紙研磨，待表面劃痕較少并且方向一致時，用拋光機進行拋光，直到試樣表面呈鏡面、無劃痕，再用大量水沖洗，之后用酒精清洗并吹干，然后用腐蝕劑浸蝕。微觀組織觀察在XJG－04臥式光學顯微鏡（OM）上進行，并對典型視場進行拍照。

3.2 微觀腐蝕劑的種類與配制

本實驗所選用的微觀腐蝕劑種類如表3所示。

表3 微觀腐蝕劑

3.3 鋁硅合金顯微腐蝕劑的研究

對所制得的鋁硅合金微觀試樣分別用表3中所列的5種腐蝕劑對其進行腐蝕，其腐蝕效果如圖2所示。

由圖2可知，腐蝕劑Ⅴ（HNO3＋H2O）對亞共晶鋁硅合金的腐蝕效果較差；與腐蝕劑Ⅳ（HF＋H2O）與腐蝕劑Ⅴ（HNO3＋H2O）相比，腐蝕劑Ⅵ（HF＋HNO3＋HCl＋H2O）的腐蝕效果更佳，組織中的2種相分辨更清楚，而且可以觀察到柱狀晶區(qū)的組織比等軸晶區(qū)的組織更細長，也更有方向性。亞共晶鋁硅合金在腐蝕劑Ⅵ（HF＋HNO3＋HCl＋H2O）中的電極電位差可以很好地發(fā)揮作用，使2種相在腐蝕劑中形成微電池化學反應(yīng)，使2種相的腐蝕劑中的溶解速度不同，從而顯示出了不同組織。

亞共晶鋁硅合金試樣經(jīng)腐蝕劑Ⅶ（NaOH＋H2O）腐蝕后，雖然基本可以分辨出柱狀晶與等軸晶組織，但兩相對比性不是很明顯，較為模糊。但也可以觀察到柱狀晶組織比等軸晶組織更加細長，更有方向性。

在1000X的放大倍數(shù)下可知，腐蝕劑VⅢ（HF＋HNO3＋HCl＋HPO3＋H2O）對鋁硅的腐蝕效果非常好，共晶硅組織的含量隨著含硅量的提高而增加，等軸晶的組織比較短小均勻，柱狀晶組織明顯被拉長。

微觀腐蝕劑的腐蝕原理與宏觀腐蝕劑的腐蝕原理是完全相同。當鋁硅合金置于酸性腐蝕介質(zhì)中

而在共晶硅相處，其發(fā)生的反應(yīng)為：

由于陰極處溶解速度較慢，陽極的腐蝕速度快，所以在腐蝕后的試樣表面上，共晶Si呈凸起狀，而α（Al）呈凹陷狀［5］，這樣在金相顯微鏡下就可以很好地分辨出不同的相組織。而且，腐蝕劑中的H＋體積分數(shù)越大，對試樣的腐蝕效果就越好，所以腐蝕劑Ⅷ（HF＋HNO3＋HCl＋HPO3＋H2O）對鋁硅合金的腐蝕效果最好。

在堿性腐蝕劑中，由于鋁是一種兩性金屬，可以和OH－作用，發(fā)生以下反應(yīng)：

而氧化鋁在室溫下呈黑灰色，所以用NaOH水溶液進行腐蝕時，試樣表面就易形成一層黑膜，這也是宏觀試樣在NaOH水溶液中進行腐蝕時表面變黑的主要原因。腐蝕后，鋁硅合金試樣在用金相顯微鏡觀察之前，還需用硝酸水溶液清洗，洗去氧化鋁黑膜。而酸洗的時間及質(zhì)量較難控制，所以相對于酸性腐蝕劑的腐蝕效果，經(jīng)堿性腐蝕劑腐蝕后，鋁硅合金的兩相組織對比性不是很明顯，比較模糊，故堿性時，腐蝕劑中的H＋離子對試樣中的兩相可以起到很好的電離作用，對兩相間形成的微電池反應(yīng)有很好的促進作用［4］。鋁在試樣中的電極電位較低，在腐蝕劑中作為陽極而被腐蝕，逐漸溶解，發(fā)生的反應(yīng)如下：腐蝕劑對鋁硅合金試樣的腐蝕效果不是十分理想。

圖2 2－716℃－120試樣在微觀腐蝕劑下的腐蝕效果

4 結(jié)語

亞共晶鋁硅合金的宏觀腐蝕劑中，腐蝕劑Ⅰ：15mL HNO3＋45mL HCl＋15mL HF＋25mL H2O的腐蝕效果最好，能很明顯地顯示晶粒與晶區(qū)；微觀腐蝕劑中，腐蝕劑Ⅷ：15mL HNO3＋45mL HCl＋15mL HF＋10mL HPO3＋115mL H2O的腐蝕效果最佳。

［1］曹志強，張永安，金俊澤.材料電磁工藝的現(xiàn)狀及最新發(fā)展［J］.中國有色金屬學報，1997，7（S1）：348－350.

［2］韓至成，周士平，丁寶利.電磁鑄造實驗和數(shù)值模擬［J］.北方工業(yè)大學學報，1993，5（3）：52－60.

［3］張廷安，楊歡，魏世巫，等.電磁技術(shù)在冶金中的應(yīng)用［J］.材料導(dǎo)報，2000，14（10）：23－25.

［4］班春燕，巴啟先，崔建忠，等.磁場作用下鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)［J］.東北大學學報，2002，23（8）：779－782.

［5］朱明原，史文，楊森龍，等.電磁攪拌作用對鋁合金顯微組織的影響［J］.中國有色金屬學報，1999，9（7）：29－34.

［6］耿雪峰，徐宏，張莉.電磁技術(shù)在材料加工過程中的應(yīng)用與發(fā)展［J］.大型鑄鍛件，2005（3）：4－8.

Research on the corrosive agent of hypoeutectic Al－Si alloy effected by magnetic field

DUAN Hong－ping
（Department of Mechanical Engineering，F(xiàn)ujian Polytechnic of Information Technology，F(xiàn)uzhou350003，China）

This paper studies the samples of hypoeutectic Al－Si alloy effected by rotating magnetic field，the corrosive results of the macroscopic and microscopic structures which eroded in different corrosive agents.This paper also analyzes the reasons of the different corrosive results，and draws a conclusion about the best corrosive agent for macroscopic and microscopic structures of hypoeutectic Al－Si alloy.

rotating magnetic field；hypoeutectic Al－Si alloy；corrosive agent；macroscopic structure；microscopicstructure

TG391

：A

：1009－8984（2014）01－0052－05

10.3969／j.issn.1009－8984.2014.01.013

2014－02－25

段紅萍（1979－），女（漢），黑龍江望奎，講師，碩士主要研究材料成形。