1、Al-P 中间合金变质+半连续铸造技术制备过共晶 Al-17Si 合金铸锭工艺的研究过共晶 Al-Si 合金具有高硬度、高强度和良好的体积稳定性，是一种新型汽车、摩托车活塞用合金。这种合金主要特征为初生硅和共晶组织（+Si） ，其中初生硅的大小、形貌和分布对合金性能影响很大，是关键性的显微组织因素。采用常规的铸造方法获得的过共晶 Al-Si 合金显微组织中，初生硅粗大、形貌差、分布不均匀，导致材料韧性、塑性变差，脆性增加，难以加工成形。因此，如何采用先进的制备工艺细化高硅铝合金组织，改善硅粒子形态、大小及分布，提高其力学性能，最终制备出能满足各种用途且综合性能优异的高硅铝合金材料，是近年来国内
2、外材料研究者研究的重点。目前,开发的制备过共晶铝合金方法主要有:熔炼搅拌法 1，2 、快速凝固粉末冶金 3、喷射成形法 4，5，6，7，8 等。由于常规铸造冷却速度低，存在严重的成分偏析、晶粒粗大等局限性，而快速凝固粉末冶金技术工艺复杂、成本高、粉末在贮存和运输过程中易氧化，也难以适应现代化工业发展的需要，喷射沉积技术可以获得优异材料，但是成本过高也是限制其工业化推广的一个重要原因。针对以上问题，本文采用的 Al-P 变质+半连续铸造技术 9,10制备过共晶 Al-17Si 合金铸锭，并进一步讨论了变质剂对初生相的变质机理以及各工艺参数对合金显微组织的影响。1 试验方法采 用 商 业 Al-1
3、7Si 合 金 为 试 验 合 金 ， 通 过 直 读 光 谱 分 析 其成分结果见表 1。将实验合金在电 阻 炉 中 熔 化 后 在 820 加 Al-P 中 间 合 金 （ 山 东 大 学 研 制 的 ） 变 质 ， 保 温 15min,然 后 除 气 、图 1 半连续铸造设备结构示意图Fig.1 Schema of semicontinuous casting equipment除 渣 ， 待 温 度 到 浇 注 温 度 后 再 进 行 浇 注 ， 熔 体 从 液 流 槽 流 向 导 流 管 和 结 晶 器 ， 热 量 通 过 结 晶器壁 传 导 给 冷 却 水 ， 形 成 一 次 冷
4、却 ， 迅 速 通 过 拉 引 机 构 拉 出 ， 再 通 过 二 次 水 冷 ， 完 全 冷 却,试 验设 备 如 图 1 所 示 。 在试验中熔体浇注温度控制为 790，冷却水压控制在 0.030.05MPa，连铸速度控制在 110130mm/min。所得铸锭尺寸为 75mm4000mm，截取 75mm40 mm 大小的试样作为金相试样，金 相 试 样 经 过 粗 磨 、 细 磨 及 抛 光 后 ， 最 后 用 无 水 酒 精 对 试 样 进 行 清 洗 ， 最 后 采 用 Zeiss 光 学 显微 镜 观 察 金 相 组 织 ， 利 用 MIAPS 软 件 分 析 初 生 相 形 貌 。
5、2 试验结果与分析2.1Al-P 中间合金变质剂对合金微观组织中初生相硅形貌的影响图 2 为浇 注 温 度 为 790，连铸速度 130mm/min，冷却水压 0.05MPa 时，未变质和变质条件下获得铸锭显微组织中初生硅的形貌，在未变质的条件下，过共晶 Al-17Si 合 金 微观 组 织 由 初 生 Si、 共 晶 -Al 和 共 晶 Si 组 成 ， 绝 大 部 分 初 生 Si 呈 尖 角 形 粗 大 板 片 状 和 五 瓣元素 Si Fe Cu Al含量 17.593 0.046 0.047 余量表 1 Al-17Si 合 金 的 化 学 成 分 (质 量 百 分 比 )Table.
6、1 Composition of Al-17Si alloy (wt. %)（a）未加变质剂（b）加变质剂图 2 熔体浇 注 温 度 为 790，冷却水压为 0.05MPa,连铸速度为130mm/min，未加变质剂与加变质剂获得 Al-17Si 合金铸锭的显微组织Fig.2 The microstructures of Al-17Si alloy billets without modifier and adding modifier with melt pouring temperature at 790, cooling pressure at 0.05MP and casting spe
7、ed at 130mm/min 星 状 ,少 量 初 生 Si 呈 多 角 块 状 ,平 均 尺 寸 为 146 m , 分 布 非 常 不 均 匀 ， 如 图 2（a）所 示 。 而经 过 变 质 以 后 ， 初 生 Si 由 粗 大 的 板 条 状 转 变 成 多 角 状 ， 圆 整 度 提 高 ， 尺 寸 明 显 减 小 ， 平 均 尺 寸为 35m， 而 且 分 布 均 匀 ， 如 图 2（b）所 示 。关于磷变质细小初生硅的机理 10,11,12,13，普遍认为：磷与铝在高温下形成铝磷化合物（Al-P） ，其熔点为1060。而过共晶Al-Si合金熔炼温度一般不超过900,因而铝磷化合
8、物不会分解,为此它可作为稳定的外来晶核。Al-P与Si都金刚石型晶体结构 ,晶格常数相近( Si为0.1545 nm ,Al-P为0.1542 nm) ,最小原子间隙也十分相近(Si为0.1244 nm ,Al-P为0.1256 nm) 。因此 Al-P 是很好的异质晶核 ,在凝固结晶过程中成为初晶Si 的结晶核心,使结晶核心数目增加，并抑制晶粒长大，从而起到有效变质作用,使初晶Si得到显著细化。2.2 连铸速度对合金微观组织中初生相形貌的影响在 连 续 铸 造 工 艺 中 ,连 铸 速 度 是 影 响 合 金 微 观 组 织 的 重 要 因 素 ， 图 3为 经 过 Al-P中间合金变(a)
9、 100mm/min (b) 120mm/min(c) 130mm/min图3 经过Al-P中间合金变质，熔体浇 注 温 度 为 790，冷却水压为0.05MPa，不同的连铸速度获得的Al-17Si 合金铸锭显微组织Fig.3 The microstructures of Al-17Si alloy billets at different casting speed with modification, melt pouring temperature at 790 and cooling pressure at 0.05MPa 质 ， 浇 注 温 度 为 790，冷却水压为0.05MPa，
10、不同的连铸速度获得的合金铸锭显微组织。对比可以发现，随着连铸速度的加快，合金中初生Si尺 寸 越 来 越 细 小 ， 当 铸 造 速 度 为 100 mm/min， 经 测 量 初 生 硅 的 平 均 尺 寸 为 78m ， 当 铸 造 速 度 为 130 mm/min时 ， 初 生 硅 的 平 均 尺寸 减 小 到 35m 。经过变质，在熔体浇注温度和冷却水压恒定的条件下，合金中初生Si的尺寸主要取决连铸速度，连铸速度越快，铸锭所获得的冷却速度越大，组织中初生Si来不及长大，最终的组织越细小。而且从发挥连续铸造机的最大生产能力的观点出发，应采用最大的铸造速度，但是铸造速度过快，铸锭表面易产生
11、偏析瘤、拉痕而且易拉漏。2.3 冷 却 水 压 对 合 金 微 观 组 织 中 初 生 相 形 貌 的 影 响冷 却 速 度 直 接 体 现 的 就 是 冷 却 水 水 压 。 冷 却 水 压 越 大 ， 冷 却 速 度 越 强 。 一 般 情 况 下 ， 提高 冷 却 速 度 可 以 改 善 铸 锭 表 面 偏 析 ， 因 此 在 实 际 生 产 中 ， 在 允 许 的 条 件 下 应 该 都 尽 可 能 地 强(a) 0.05MPa (b) 0.04MPa(c) 0.03MPa图 4 经过Al-P中间合金变质，熔体浇 注 温 度 为 790，连铸速度为130mm/min，不同的冷却水压获得
12、的合金铸锭显微组织Fig.4 The microstructures of Al-17Si alloy billets at different cooling pressure with modification, melt pouring temperature at 790 and casting speed at 130mm/min化 铸 锭 的 冷 却 ， 但 是 水 压 过 大 ， 容 易 造 成 水 反 喷 ， 造 成 结 晶 器 堵 塞 。图 4为 浇 注 温 度 为 790，连铸速度130mm/min时，不同的冷却水压获得的铸锭显微组织，对比可以看出，随着冷却水压的提高，合金
13、中初生硅尺寸减小，当冷却水压为0.03MPa时，经过测量铸锭中初生硅平均尺寸为62m ，随着冷却速度的提高，当冷却水压为0.05MPa时，铸锭中初生相平均尺寸为34m 。结论1） 采用Al-P中间合金变质+ 半连续铸造技术制备出了初生Si 细小且分布均匀的过共晶Al-17Si合金铸锭。2） 采用Al-P中间合金变质后，消除了环境污染，对炉衬、坩埚和工具无任何腐蚀作用，不仅提高坩埚的使用寿命，而且降低铝耗和能耗，从而降低了产品的综合成本；变质效果稳定，由于不产生粉末，反应渣减小，提高了合金的实收率；变质过程与合金化过程完全同步，省去了单独“变质处理”的时间，而且缩短了熔炼时间，提高了生产效率。3
14、） 在Al-P中间合金变质+ 半连续铸造技术制备过共晶Al-17Si合金铸锭试验中，连铸速度应该控制为130 mm/min，冷却水压控制为0.05MPa。 参考文献(1) 毛卫民 ,李树索 ,越爱民等 . 电磁搅拌对过共晶Al-Si合金初生Si 长大过程和形貌的影响J. 材料科学与工艺, 2001, 9(2) :117-121(2) 魏月义 ,傅恒志, Reif W. 熔体搅拌Al-12.0%Si 合金的组织细化J. 中国有色金属学报, 1996 , 6(1) :98-102(3) 沈军 ,孙剑飞 ,谢壮德等. 快速凝固高硅铝合金粉末显微组织及其时效特性J. 特种铸造及有色合金, 2001(4
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