擴(kuò)散加熱與半固態(tài)加熱球化初生硅顆粒的效果比較

孫 虎，吳斐斐，傅小明

（江蘇省宿遷學(xué)院三系，江蘇 宿遷 223800）

擴(kuò)散加熱與半固態(tài)加熱球化初生硅顆粒的效果比較

孫 虎，吳斐斐，傅小明

（江蘇省宿遷學(xué)院三系，江蘇 宿遷 223800）

通過對(duì)磷鹽變質(zhì)后的高硅鋁合金分別進(jìn)行擴(kuò)散加熱與半固態(tài)二次加熱處理，對(duì)兩種加熱處理后的初生硅組織特征進(jìn)行了總結(jié)分析。擴(kuò)散加熱處理可以讓初生硅相有一定的改善，而通過半固態(tài)二次加熱使初生硅的顆粒得到顯著球化，其形狀因子為0.61，但其顆粒長大嚴(yán)重。

高硅鋁合金；初生硅；擴(kuò)散加熱；二次加熱

0　前言

高硅鋁合金具有熱膨脹系數(shù)小、密度小，耐磨和耐蝕性能好等特點(diǎn)，適合于目前內(nèi)燃機(jī)向高功率、高速度發(fā)展的趨勢(shì)，節(jié)省燃料，降低污染，正成為傳統(tǒng)共晶鋁硅活塞的更新?lián)Q代材料。但是高硅鋁合金中初生硅顆粒過于粗大，嚴(yán)重降低了材料的力學(xué)性能和切削性能。如何改善初生硅組織形貌成為國內(nèi)外高硅鋁合金應(yīng)用研究的重點(diǎn)[1～4]。目前控制初生硅形態(tài)主要有機(jī)械攪拌、電磁攪拌[5、6]、半固態(tài)成形等物理方法，或采用磷鹽或?yàn)楹椎闹虚g合金作變質(zhì)劑的化學(xué)方法。變質(zhì)工藝雖簡(jiǎn)單易行，但是變質(zhì)效果提升有限，特別是初生硅的形態(tài)改善能力較弱。本文對(duì)變質(zhì)后高硅鋁合金分別進(jìn)行了擴(kuò)散加熱和半固態(tài)加熱之后的初生硅晶粒的球化效果進(jìn)行了對(duì)比，以探求一種廉價(jià)易行、適合工業(yè)生產(chǎn)的初生硅形態(tài)控制方法。

1　實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用材料為硅含量為20%的過共晶鋁硅二元合金。熔煉及變質(zhì)細(xì)化過程在井式坩堝電阻爐內(nèi)進(jìn)行。為了減少合金的氧化，采用ZR-QF清渣覆蓋劑。實(shí)驗(yàn)采用的變質(zhì)劑為磷鹽，變質(zhì)溫度為820℃，變質(zhì)劑加入量為合金錠質(zhì)量的1%，澆注溫度810℃。將澆注完成的試樣切割成φ15mm×10mm的小塊，放入箱式電阻爐內(nèi)，分別進(jìn)行擴(kuò)散加熱以及半固態(tài)二次加熱。擴(kuò)散加熱溫度控制在550℃，分別保溫3h、5h和7h；半固態(tài)二次加熱溫度控制在600℃分別保溫10min、15min、20min。試樣在加熱后，經(jīng)磨平拋光，用0.5%HF腐蝕后，在雙目倒置金相顯微鏡4XBII下進(jìn)行金相觀察。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1擴(kuò)散加熱后初生硅顆粒的形態(tài)分析

擴(kuò)散加熱處理工藝上類似于鋁合金的固溶處理，但是目的卻不同。對(duì)于高硅鋁合金，擴(kuò)散加熱的最終目的是利用在低于固相線較高溫度長時(shí)間的保溫，充分利用硅原子的擴(kuò)散作用而使得初生硅顆粒起到初步的鈍化、球化。為了便于半固態(tài)二次加熱效果對(duì)比，本實(shí)驗(yàn)采用一個(gè)較高的溫度550℃進(jìn)行加熱，圖1（a）、（b）、（c）所示為在550℃下分別保溫3h、5h、7h后的合金組織。可見隨著保溫時(shí)間的延長，初生硅的形態(tài)有所改善，在保溫5h后初生硅顆粒有部分球化，但大部分的初生硅仍以尖角的不規(guī)則形狀存在，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在保溫7h后初生硅顆粒出現(xiàn)了相互搭接的現(xiàn)象，球化效果反而不如保溫5h的效果。

圖1　550℃擴(kuò)散加熱工藝下的合金組織

2.2半固態(tài)二次加熱后初生硅顆粒的形態(tài)分析

根據(jù)Al-Si相圖分析，Al-20%Si合金的液相線溫度為684℃，固相線溫度為577℃。而通過變質(zhì)處理后，其固液兩相區(qū)的范圍有所變化，這主要與變質(zhì)合金元素的加入導(dǎo)致相變點(diǎn)發(fā)生變化有關(guān)。實(shí)驗(yàn)利用所測(cè)的DSC放熱曲線，使用熱涵法[7、8]測(cè)知磷鹽變質(zhì)后的Al-20%Si合金的液相線溫度為672℃，固相線溫度為577℃，并可繪出合金的液相率隨溫度變化曲線，如圖2所示。因此選定半固態(tài)二次加熱溫度為600℃，此時(shí)液相率約為50%。

圖2　使用熱涵法計(jì)算得到的液相率隨溫度變化曲線

在600℃對(duì)合金進(jìn)行半固態(tài)二次加熱，其隨保溫時(shí)間延長組織變化如圖3所示?？梢婋S著保溫時(shí)間的延長，合金中初生硅顆粒有所長大，并且增長速度越來越快。同時(shí)初生硅也在逐漸鈍化，在保溫20min后有較多初生硅顆粒鈍化和球化，此時(shí)初生硅的平均直徑為39μm。在二次加熱過程中，合金處于半固態(tài)狀態(tài)，此時(shí)共晶相被熔化，處于液態(tài)。對(duì)于二次加熱時(shí)初生硅的長大機(jī)制，可以運(yùn)用熟化的原理[9]。曲率半徑較小的第二相熔點(diǎn)要低于曲率半徑大的，凹谷部位曲率半徑小，其熔點(diǎn)低而首先熔化，繼而使該凹谷部位曲率進(jìn)一步增大而越熔越細(xì)，并最終溶斷變成小顆粒組織，而塊狀的初生硅的凸起部位將不斷長大，最終使得大顆粒變大而小顆粒逐漸被熔化消失，凹凸部位會(huì)被逐漸抹平，形成近似球狀的粒狀組織。

圖3　600℃半固態(tài)加熱工藝下的合金組織

2.3兩種加熱工藝下初生硅顆粒的形態(tài)對(duì)比

運(yùn)用專業(yè)金相分析軟件Image Pro Plus對(duì)平均直徑以及形狀因子進(jìn)行定量分析。初生硅組織分析除了要測(cè)量出初生硅的尺寸，還要掌握初生硅的形狀是否圓整，因此常常使用圓整度[10]這個(gè)概念：

其中P為初生硅相的圓整度；L為初生硅相的周長；A為初生硅相的面積。在初生硅形狀分析中，常常使用形狀因子K這個(gè)參數(shù)，它與圓整度的換算關(guān)系為

一般情況下，0＜K＜1，形狀越復(fù)雜，K越小；形狀越接近于圓，K越大，最大為1。將兩種加熱工藝后初生硅的平均尺寸及形狀因子統(tǒng)計(jì)示于表1。

表1　兩種加熱工藝后初生硅的平均尺寸及形狀因子

由表1可以看出，擴(kuò)散加熱雖然可以改善初生硅的形態(tài)，但是其效果非常有限，并且保溫時(shí)間較長，而半固態(tài)加熱對(duì)初生硅形態(tài)的改善更明顯，隨著保溫時(shí)間的延長，其形狀因子有大幅度的提升。這是因?yàn)檫@兩種加熱工藝改善初生硅的形態(tài)都依賴于硅原子的擴(kuò)散作用，因而在更高溫度下的半固態(tài)加熱可以獲得更好的細(xì)化效果，同時(shí)也能得到球化的α相，因此對(duì)合金組織形態(tài)改善更為明顯，這是固態(tài)擴(kuò)散加熱所不具備的。但是也應(yīng)當(dāng)注意隨著半固態(tài)加熱保溫時(shí)間的延長，初生硅的平均直徑的提高也是迅速的，這是因?yàn)镺stwald熟化以及部分顆粒凝并長大，因此也應(yīng)注意控制好保溫時(shí)間。

3　結(jié)論

（1）擴(kuò)散加熱及半固態(tài)二次加熱均能使初生硅顆粒鈍化、球化，但隨保溫時(shí)間的延長，初生硅顆粒會(huì)發(fā)生長大甚至搭接現(xiàn)象。

（2）半固態(tài)二次加熱球化初生硅顆粒的效果優(yōu)于擴(kuò)散加熱，并且保溫時(shí)間較短，是一種切實(shí)可行的改善初生硅形態(tài)的途徑。

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[2]胥鍇，劉徽平，袁幫誼，王甫.過共晶鋁硅合金變質(zhì)處理的研究進(jìn)展[J].熱加工工藝，2009，（03）:32-35

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[6]毛衛(wèi)民，李樹索，趙愛民，等. 電磁攪拌對(duì)過共晶Al-Si合金初生Si長大過程和形貌的影響[J]. 材料科學(xué)與工藝，2001，9（2）: 117～121

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[9]楊紅亮，張質(zhì)良. ZL101合金半固態(tài)二次加熱[J].中國有色金屬學(xué)報(bào)，13（3），2003-06：626-630

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（編輯：余東梅）

Comparison of Effect of Diffusion Heating and Semi-solid Heating Spheroidizing Primary Silicon Particles

SUN Fu，WU Fei-fei，F(xiàn)U Xiao-ming
（Jiangsu Suqian College，Suqian 223800，China）

By means of diffusion heating high-silicon aluminum alloy after phosphorus salt modification and semi-solid heating treatment，microstructure characteristics of the two heated primary silicon are analyzed. The results show that primary silicon phase has been improved by diffusion heating，obvious spheroidizing has been obtained for primary silicon particles by semi-solid heating treatment，its shape factor is 0.61，but its particles grow seriously.

high-silicon aluminum alloy; primary silicon; diffusion heating; secondary heating

TG146.21

B

1005-4898（2016）02-0010-04

10.3969/j.issn.1005-4898.2016.02.02

江蘇省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目（15KJD430001）。

孫虎（1986-），男，江蘇宿遷人，碩士，講師。

2015-05-19