過(guò)共晶鋁硅合金鑄錠初晶硅偏析原因分析

1、工程技術(shù)NONFERROUS METALS ENGINEERINGdoi: 10.3969/j.issn.2095-1744.2014.05.003過(guò)共晶鋁硅合金鑄錠初晶硅偏析原因分析文 李彥霞 蔡 菊 張興華廣東白云學(xué)院 廣州 510450摘要：采用化學(xué)成分分析、金相組織分析、掃描電鏡斷口觀察等方法分析某過(guò)共晶鋁硅合金鑄錠的初 晶硅偏析原因。結(jié)果表明，鋁錠中存在分布不均勻的初晶硅，尺寸達(dá)到 100 m，材料的含氫量及氧化 膜含量較高，鋁錠中孔洞和疏松缺陷較多，應(yīng)優(yōu)化熔煉過(guò)程的保護(hù)和除氣工序，熔體冷卻速度較低及 過(guò)熱溫度過(guò)高或保溫時(shí)間較長(zhǎng)，是初晶硅偏析的原因。關(guān)鍵詞：金屬材料；過(guò)共晶鋁硅合金；

2、鑄錠；初晶硅偏析中圖分類號(hào)：TG146.21; TG113.12文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：2095-1744(2014)05-0023-03過(guò)共晶鋁硅合金由于其輕質(zhì)、高強(qiáng)、高耐磨、高耐熱 及較低的熱膨脹性在航空航天、汽車制造、摩托車等行 業(yè)中獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用1-8。以往的研究者對(duì)鋁硅合 金初晶硅和初晶 -Al、共晶硅的形態(tài)大小和分布進(jìn)行較 多的理論研究，但從工藝角度對(duì)初晶硅偏析的研究比較 少見。采用化學(xué)成分分析、金相組織分析、掃描電鏡斷 口觀察等方法分析某過(guò)共晶鋁硅合金鑄錠的初晶硅偏析 原因。1 實(shí)驗(yàn)方法1.1 合金鑄錠化學(xué)成分試驗(yàn)所用合金樣品為國(guó)內(nèi)某公司提供的鋁硅合金鑄 錠試樣，成分如表

3、1 所示，其中鎳、鎘、鉛、錫元素含量少 且三個(gè)試樣差別不大，故未列入表 1。試樣 3 的鐵雜質(zhì)含 量高，是試樣 1 的 1.37 倍。試樣采用堿土元素鈣和堿金屬 元素鈉變質(zhì)。表 1 合金的化學(xué)成分/%1.2 試驗(yàn)過(guò)程沿鑄錠不同位置取樣進(jìn)行金相分析，并對(duì)其斷口進(jìn) 行掃描電鏡觀察和能譜分析。試樣經(jīng)研磨、拋光處理后， 用體積分?jǐn)?shù)為 0.5%的氫氟酸溶液腐蝕，采用 Laika DMI 5000M 型金相顯微鏡觀察顯微組織。斷口觀察和能譜分 析在 FEI QuanTa200 掃描電鏡上進(jìn)行。2 試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1 顯微組織分析圖 1 為試樣不同位置的顯微組織。根據(jù) Al-Si 合金相圖，過(guò)共晶鋁合金主

4、要發(fā)生 LL+SiP(SiE+(Al)+SiP 反 應(yīng)，過(guò)共晶高硅鋁合金主要組織特征為 -Al、初晶硅和共 晶組織(-Al+Si)。由圖 1 可見，該合金組織中明顯可見的 是不均勻分布的灰色初晶硅和(-Al+Si)共晶組織。根據(jù) 成分分析，合金還含有少量 MgSi、AlCu、AlNi 等第二相。 有研究表明，初晶硅的尺寸和分布是影響合金性能 的關(guān)鍵因素。由圖 1(a)、圖 1(c)和圖 1(e)可見，試樣中均存 在粗大塊狀初晶硅組織，初晶硅有區(qū)域偏析，三個(gè)試樣中收稿日期：2014-04-24作者簡(jiǎn)介：李彥霞(1979-)，女，河南南陽(yáng)人，碩士，主要從事有色金屬及其精確成形等方面的研究。有色金屬

5、工程 2014 年 第 4 卷第 5 期 23NONFERROUS METALS ENGINEERING均發(fā)現(xiàn)空洞缺陷。在金屬結(jié)晶過(guò)程中，從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)體 積收縮，隨著金屬液在枝晶間流動(dòng)阻力的增加，液態(tài)金 屬在枝晶間補(bǔ)縮不足形成空腔。由圖 1(f)可見，初晶硅尺寸較大，最大尺寸達(dá)到 100 m，大部分為不規(guī)則塊狀，棱 角尖銳，不均勻分布。共晶組織主要呈現(xiàn)層片狀共生組織， 其中部分 -Al 也具有枝晶形貌，共晶硅呈不規(guī)則塊狀。2.2 試樣斷口分析圖 1 試樣不同位置的顯微組織樣 1 中存在不規(guī)則形狀空洞。疏松和孔洞是鋁合金鑄錠 中常見的冶金缺陷，當(dāng)這類缺陷出現(xiàn)在合金的表面或亞將試樣 1 和試樣

6、3 的斷口用掃描電鏡進(jìn)行微觀形貌觀察，如圖 2 所示。由圖 2(a)可見明顯的裂紋，由圖 2(b)可 見斷口上存在較多疏松缺陷。由圖 2(c)和圖 2(d)可見，試表面時(shí)，容易引起應(yīng)力集中而誘發(fā)疲勞裂紋。試樣斷口表 面觀察到明顯深色分層，是試樣具有氧化表面的分層。2.3 試樣能譜分析圖 2 試樣不同位置的 SEM 照片大塊狀組織為初晶硅。圖 3(c)和圖 3(d)中所示區(qū)域的微觀 主要成分為鋁、硅、鎂和銅。用掃描電鏡對(duì)試樣 3 中的表觀深灰色區(qū)域及粗大塊狀組織進(jìn)行定點(diǎn)能譜分析，結(jié)果如圖 3(b)所示。圖 3(b)表 觀深灰色區(qū)域和圖 3(f)粗大塊狀組織區(qū)域能譜分析表明， 該組織主要由硅組成。

7、這表明試樣 3 中不均勻分布的粗2.4 初晶硅偏析工藝因素分析與討論2.4.1 熔煉工藝及熔體遺傳性的影響固態(tài)金屬的凝固過(guò)程從液態(tài)開始，金屬的液態(tài)性質(zhì)24工程技術(shù) Engineering Technology工程技術(shù)圖 3 試樣 3 斷口顯微組織及能譜分析圖即熔體狀態(tài)是影響金屬內(nèi)部組織和性能的關(guān)鍵及首要因 素。在熔鑄過(guò)程中，由爐壁、工具、熔劑及金屬沸騰等形成 的水汽在金屬表面形成氣泡。文獻(xiàn)表明8，在一定溫度下， 發(fā)生反應(yīng) 3H2O+2Al=Al2O3+6H。在凝固初期，氫從高溫熔 體中析出，形成高壓氣泡。結(jié)晶期間，受到已經(jīng)形成的枝 晶的限制，改變了自身的形狀和體積，受高壓推動(dòng)沿著枝 晶間隙流動(dòng)

8、，以不連續(xù)的微孔分布于枝晶邊界。這是試樣 微觀組織中氣孔和疏松缺陷較多的原因。同時(shí)也是圖 3(a) 中表觀深灰色區(qū)域的形成原因。另外，由于該公司熔煉采用的鋁 70%來(lái)自回收鋁，鋁 液雜質(zhì)元素含量較高。材料有一定的遺傳性。試樣 3 鐵含 量過(guò)高，和合金中的鋁和硅形成不溶的脆性鐵相，降低力 學(xué)性能和抗蝕能力。2.4.2 冷卻速度和熔體過(guò)熱溫度的影響許長(zhǎng)林9研究表明，隨著冷卻速度的增加和熔體過(guò)熱 溫度的提高，過(guò)共晶鋁硅合金的初晶硅的形貌從星形和 其他不規(guī)則形向多面體形轉(zhuǎn)變，而初晶硅尺寸將逐漸減 小。陶靜梅10研究過(guò)共晶 Al-20%Si 合金在 7501 100 溫度范圍的熔體溫度處理結(jié)果表明，隨著

9、過(guò)熱溫度的提高，初晶硅顆粒的尺寸出現(xiàn)由小變大，然后又變小的規(guī) 律。經(jīng)過(guò) 1 100 熔體處理后，初晶硅的析出明顯受到抑 制，尺寸大為減小，并有球化趨勢(shì)。張蓉11研究發(fā)現(xiàn)，熔體過(guò)熱參數(shù)對(duì)硅過(guò)共晶合金等溫液淬凝固組織有明顯的影 響，熔體過(guò)熱溫度越高，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，初生硅越細(xì)小，分 布越均勻。隨著熔體過(guò)熱溫度的升高，可能存在的硅原子集團(tuán) 中的部分 Si-Si 鍵受較高熔體溫度的影響而斷裂，熔體的 均勻性進(jìn)一步提高，降低了非均勻形核，因此，凝固組織 中的初晶硅尺寸細(xì)小11。另一方面，隨著冷卻速度增加， 可以有效抑制凝固組織中初生硅相的生長(zhǎng)，同時(shí)細(xì)化初 晶硅和共晶硅。提高冷速，還可有效減少初生硅的漂浮現(xiàn)

10、 象，減少成分偏析。然而，當(dāng)熔體過(guò)熱溫度過(guò)高或保溫時(shí) 間較長(zhǎng)，模具將從熔體中吸收較多的熱量，使熔體的凝固 速率減小，導(dǎo)致初晶硅尺寸增大。這是鋁錠中存在初晶硅 偏析的可能原因。3 結(jié)論鋁錠中存在分布不均勻的初晶硅，尺寸達(dá)到 100 m， 考慮材料的遺傳性，熔煉工藝存在問(wèn)題，致使材料的含氫 量及氧化膜含量較高。鋁錠中孔洞和疏松缺陷較多，應(yīng)優(yōu) 化熔煉過(guò)程的保護(hù)和除氣工序。熔體冷卻速度較低及過(guò) 熱溫度過(guò)高或保溫時(shí)間較長(zhǎng)，是初晶硅偏析的可能原因。 初晶硅尺寸過(guò)大、分布不均以及鐵元素偏高，會(huì)對(duì)后續(xù)的 壓鑄件組織和性能產(chǎn)生重要影響。參考文獻(xiàn)1 Campbell J. Castings M. 2ed. Oxf

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