B對過共晶Al-25%Si合金組織和力學(xué)性能的影響

魯 毅，石為喜，湯夢超，闕威威，李佳露，李曉晨，趙 帥

(遼寧科技學(xué)院 冶金工程學(xué)院，遼寧 本溪 117004)

過共晶鋁硅合金有著許多的優(yōu)點，比如良好的耐磨性、耐腐蝕性能、優(yōu)良的導(dǎo)熱性及體積穩(wěn)定性等而倍受人們關(guān)注[1-2]。過共晶鋁硅合金也存在諸多缺點，未變質(zhì)的合金中初晶硅組織粗大、分布不均勻等[3]，初晶硅大多數(shù)是以粗糙的板片狀和多角狀等不規(guī)則形狀存在，對基體有著不良的影響。影響過共晶鋁硅合金性能主要有兩方面因素，其一是化學(xué)成分組成；其二是初晶硅的形態(tài)、大小及分布情況[4]。未經(jīng)細(xì)化處理的過共晶鋁硅合金在使用過程受到很大的局限性。

近些年來，研究人員在B對亞共晶鋁硅合金和共晶鋁硅合金變質(zhì)處理方面取得了很多的研究成果，王麗等[5]研究了硼對亞共晶鋁硅合金的細(xì)化作用，在她的研究過程中發(fā)現(xiàn)在α(Al)的中心處存在著被一層花瓣狀物質(zhì)覆蓋著的十四面體化合物，經(jīng)檢測該十四面體化合物為AlB2，花瓣狀物質(zhì)為硅元素，AlB2和Si組成的復(fù)合相在α(Al)的結(jié)晶過程中起到了異質(zhì)核心的作用。武玉英、劉相法等[6-7]在研究硼細(xì)化共晶和近共晶鋁硅合金變質(zhì)效果時，發(fā)現(xiàn)B在Al-Si合金熔體中與Al、Si、Ca、Mg等元素的反應(yīng)生成物能夠作為初晶硅的異質(zhì)形核核心。

截至目前，研究硼元素對過共晶鋁硅合金的影響鮮有報道。龐金輝等[8]研究了B對過共晶Al-20Si合金初晶硅的細(xì)化作用，研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過B變質(zhì)后的初晶硅明顯細(xì)化，加入B變質(zhì)后，可使初晶硅從粗糙的板片狀變成顆粒狀，整體的硬度也得到了很好的提升。

文章以過共晶Al-25%Si合金為研究對象，研究B變質(zhì)劑對Al-25%Si合金微觀組織和力學(xué)性能的影響。

1 試驗方法

以工業(yè)純鋁(純度99.7%)，結(jié)晶硅(純度99.9%)為實驗原材料，鋁硼中間合金(Al-3%B)為變質(zhì)劑，B的加入量分別為0、0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.10%和0.12%。

變質(zhì)工藝過程：將石墨坩堝放置于坩堝形電阻爐中，預(yù)熱至300 ℃，再把稱好的鋁塊加入到坩堝中，等到爐子升溫到820 ℃，開始保溫，待鋁塊熔化后，向鋁液中加入稱量好的硅塊，繼續(xù)保溫，等待硅全部熔化后，攪拌熔體，除去表面浮渣，再向合金液中加入變質(zhì)劑Al-3%B中間合金，保溫全部熔化后。再向合金溶液中加入C2Cl6除氣劑，繼續(xù)保持十分鐘。保溫結(jié)束后，快速用石墨棒除去合金液表層的浮渣，然后再將合金液澆注于金屬型模具中，獲得鋁合金鑄錠。

利用線切割車床從鑄錠上切割Φ15 mm×15 mm的金相試樣，按標(biāo)準(zhǔn)金相制樣程序磨制樣品，其表面用0.5 wt% HF酸腐蝕用于微觀組織觀察。用金相(OM，蔡司Axio Imager M2m型)、掃描電鏡(SEM，蔡司EVO18型掃描電鏡，裝有牛津X-Max能譜儀)和X射線衍射儀(XRD)對變質(zhì)前后的A390合金樣品表面形貌及物相的變化進(jìn)行測試和分析。用車床將金屬錠車成Φ10 mm標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，用于力學(xué)性能測試。拉伸試驗采用WAW100型電液伺服萬能材料試驗機，在室溫條件下以1 mm/min的位移速度進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀組織

采用金相顯微鏡對變質(zhì)前后的合金微觀組織形貌進(jìn)行觀察，如圖1(a)-(g)所示。

(a)Al-25%Si

(b) Al-25%Si-0.02%B

(c)Al-25%Si-0.04%B

(d) Al-25%Si-0.06%B

(e)Al-25%Si-0.08%B

(f)Al-25%Si-0.10%B

(g)Al-25%Si-0.12%B

從圖1可以看出，Al-25%Si變質(zhì)前后的合金樣品中都存在著初晶硅、共晶硅和α(Al)相組織。圖1(a)為未經(jīng)變質(zhì)處理的Al-25%Si合金，其組織中初晶硅大部分以五星花瓣狀或不規(guī)則復(fù)雜多角形狀(深黑色有棱角的塊狀)存在，而共晶硅是以細(xì)長的針狀(黑色細(xì)條狀)存在。從圖1(b)-1(e)可以看出，隨著變質(zhì)劑B添加量的不斷增加，合金組織中的初晶硅晶粒尺寸明顯變小。如圖1(e)所示，當(dāng)B的加入量為0.08%時，變質(zhì)效果最好，合金中的初晶硅晶粒尺寸明顯細(xì)化，從未變質(zhì)的90 μm～120 μm細(xì)化至40 μm～60 μm，初晶硅由五星花瓣狀和不規(guī)則復(fù)雜多角形狀變成了板片狀，其尖角圓潤，發(fā)生了鈍化，長針狀的共晶硅組織的細(xì)化效果不是很明顯。如圖1(f)和1(g)，繼續(xù)增大變質(zhì)劑B的添加量，合金中的初晶硅又呈現(xiàn)出粗大的不規(guī)則多角形狀。

經(jīng)分析認(rèn)為，由于未變質(zhì)的過共晶鋁硅合金熔體中Si含量較高，從而導(dǎo)致初晶硅的近平衡生長條件被破壞，使得初晶硅沿<211>晶向的生長速度要高于沿{111}面的生長速度，從而導(dǎo)致復(fù)雜多角形狀的初晶硅的形成；而在加入B后，當(dāng)Si結(jié)晶時，B很可能富集在硅晶體生長前沿，吸附在Si生長表面，使初晶硅的生長條件得到改善，Si晶體產(chǎn)生多重的孿晶凹面，使初晶硅各向平衡生長，最終形成規(guī)則的板片狀或多面體形狀，而過量的B又會使初晶硅粗化[8]。

2.2 XRD分析

采用X射線衍射儀對B變質(zhì)前后Al-25%Si合金相的變化進(jìn)行測試和分析，其圖譜如圖2所示。

圖2 Al-25%Si合金變質(zhì)前后的XRD圖譜

由圖2可知，不同B變質(zhì)劑添加量的Al-25%Si合金試樣中的主峰值與Al和Si衍射峰有著良好的對應(yīng)關(guān)系。在本XRD測試的角度(20°～100°)范圍內(nèi)，變質(zhì)前后的合金試樣中Al共出現(xiàn)了6條不同角度的衍射峰，Si共出現(xiàn)7條不同角度的衍射峰。在經(jīng)B變質(zhì)處理后的合金樣品中未檢測到新相生成。

2.3 SEM分析

采用掃描電鏡對變質(zhì)后的合金進(jìn)行分析，B的加入量為0.08%的掃描電鏡圖片如圖3(a)所示。對圖3(a)中的淺灰色組織進(jìn)行能譜分析，如圖3(b)所示。

(a)0.08%B的SEM

(b)0.08%B的EDS能譜

從圖3可看出，經(jīng)過SEM和EDS能譜分析，經(jīng)0.08%B變質(zhì)處理后Al-25%Si合金試樣中未有新相產(chǎn)生，與上面的圖2 XRD衍射圖譜相對應(yīng)。

2.4 拉伸試驗

圖4是變質(zhì)劑B不同添加量的Al-25%Si合金抗拉強度變化曲線圖。

圖4 不同B添加量的Al-25%Si合金的抗拉強度變化曲線圖

由圖4可知，經(jīng)B變質(zhì)處理后，Al-25%Si合金的抗拉強度都得到很好提升，但是變質(zhì)劑B的添加量為0.12%時，變質(zhì)后的Al-25%Si合金的抗拉強度要低于未經(jīng)B變質(zhì)的Al-25%Si合金抗拉強度。當(dāng)B的添加量為0.08%時，在Al-25%Si合金的抗拉強度曲線上對應(yīng)的是最大值。合金的抗拉強度從未變質(zhì)的151 MPa提高到變質(zhì)后的187 MPa，提高了23.0%，經(jīng)計算合金的伸長率也有明顯提升，從未變質(zhì)1.8%提高到變質(zhì)后的4.2%。當(dāng)B的添加量超過0.08%時，Al-25%Si合金的抗拉強度呈下降趨勢。

Al-25%Si合金試樣未經(jīng)變質(zhì)細(xì)化處理時，其力學(xué)性能較低，其原因是合金中存在著粗大多角形的初晶硅相和長針狀的共晶硅相，對合金基體產(chǎn)生嚴(yán)重的割裂作用，在其硅相的棱邊及尖角處易形成應(yīng)力集中，造成未變質(zhì)合金的抗拉強度和伸長率均較差。經(jīng)B變質(zhì)處理后的合金中，其硅相組織明顯細(xì)化，尖角鈍化，形狀得到改善，降低了其對基體的割裂作用，因此合金的抗拉強度和伸長率都有較明顯的提升。

3 結(jié)論

(1)B對Al-25%Si合金中的初晶硅有著明顯的細(xì)化作用，當(dāng)變質(zhì)劑B的添加量為0.08%時，合金中的初晶硅最為細(xì)小而又規(guī)則，初晶硅的晶粒尺寸從未變質(zhì)的90 μm～120 μm細(xì)化至40 μm～60 μm，初晶硅由五星花瓣狀或不規(guī)則復(fù)雜多角形狀變成板片狀，其尖角鈍化，長針狀的共晶硅組織的細(xì)化效果不明顯。

(2)XRD和SEM分析表明，在變質(zhì)后的Al-25%Si合金中未有新相生成。

(3)力學(xué)性能測試表明，變質(zhì)后合金的力學(xué)性能提升較為明顯。當(dāng)變質(zhì)劑B的添加量為0.8%時，過共晶Al-25%Si合金的抗拉強度值最大，其值為187 MPa，伸長率從未變質(zhì)的1.8%提高到4.2%。