1、6.Al-10Sr中间合金冷却方式对 A356共晶硅变质的影响本文由 formingtech贡献pdf文档可能在 WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。Al-10Sr 中间合金冷却方式对 A356 共晶硅变质的影响李娅珍，赵维民，范学义，林晓娉，王志峰（河北工业大学材料科学与工程学院，天津 300130）摘要：分别在空气、冰水及液氮中冷却凝固 Al-10Sr 中间合金，用不同的 Al-10Sr 中间合金对 A356 铝合金进行变质处理。通过 X 射线衍射分析（XRD）和扫面电子显微镜（SEM）等手段，研究了 Al-10Sr 中间合金的变质效果。结 果表明：随着空
2、气、冰水及液氮冷却速度的提高，Al-10Sr 变质效果增强，共晶硅变得更加细小。关键词：A356 合金；变质；冷却方式；共晶 Si 相 中图分类号：TG146.2+1；TG146.2+72；TG244+3 文献标识码：AEffect of Different Al-10Sr Master Alloy Cooling Methods on Eutectic Silicon of A356LI Ya-zhen，ZHAO Wei-min，FAN Xue-yi，LIN Xiao-ping,WANG Zhi-feng (School of Materials Science and Engineerin
3、g, Hebei University of Technology, Tianjin 300130) Abstract: Al-10Sr master alloy was cooled and solidified under different conditions of air, ice water and liquid nitrogen. A356 aluninium alloy was separately modified by different Al-10Sr master alloy. The effect of modification was studied by XRD
4、and SEM. The results indicated that the modification effect was improved and the grain size of the eutectic Si further deceased with the further increase of the cooling rate from the air to ice water and to liquid nitrogen. Key word: A356 alloy; modification; cooling method; eutectic Si A356 合金为 Al-
5、Si 系多元合金，Al-Si 共晶中的硅相为粗大针片状，严重的割裂了合金基体，并 在硅的尖端和棱角部位引起应力集中，合金易沿晶粒的边界或板片状硅本体开裂而形成裂纹，使合 金力学性能显著降低。因此，当 Al-Si 合金中硅含量（质量分数，下同）超过 6%时，一定要进行变 质处理1，使共晶硅由粗大针片状细化成颗粒状，来改善合金的力学性能。20 世纪 80 年代初，美 国和日本等国学者研究认为，锶是铝合金最理想的变质剂2，长效，不污染环境，不出现过变质， 操作方便。而铝中间合金在制备过程中由于元素的加入方法、温度、保温时间、凝固条件及固态处 理等因素的影响可以得到不同形态、不同尺寸以及在铝基体上不同
6、分布的化合物。这种组织差异可 能导致中间合金变质效果的显著差别。关于不同冷却方式对 Al-Sr 中间合金变质效果的文章报道很 少，本文对不同冷却方式 Al-Sr 中间合金的变质效果进行了初步研究。1试验方法试验所用主要原材料为：Al-10 wt. % Sr 中间合金及 A356 铝合金。电感耦合等离子发散光谱法 (ICP-AES)测定 A356 铝合金成分分析结果见表 1。试验设备为 SG2-2.5-8A 型坩埚式电阻炉，石墨坩 埚以及辅助设备。 1.1 不同冷却方式中间合金的制备 先将坩埚式电阻炉升温至 500保温 10min 时间后加入 Al-10Sr 中间合金， 视熔炼状态分段加热， 熔
7、化后用高纯石墨棒搅拌，待 740静置 12min 后通氩气精炼，扒渣，浇入铜模金属型，金属型分别在空气、冰水、液氮三种氛围中冷却，获得不同冷却方式下10mm135mm 的杆状铸件。距铸 件底部 40mm 处截取10mm10mm 的试样，观察表面经磨制、抛光，保证表面干净平整后用 Rigakd2500/PC X 射线衍射仪分析 Al-10Sr 中间合金的相组成。 1.2 变质效果的检验 以 A356 铝合金为研究对象。 先将坩埚式电阻炉升温至 500保温 10min 后， 加入 A356 铝合金， 视熔炼状态分段加热， 熔体温度为(7505)时添加 Al-10Sr 中间合金。 熔炼过程中通氩气进
8、行精炼， 熔体温度为(7205)时浇入已预热 200金属型中，制得 A356 合金棒体。对合金棒体进行 T6 热 处理，热处理工艺为固溶处理（5355），保温 6h，淬火介质为水；时效处理（1405），保 温 4h。距热处理后棒体底部 40mm 处取样，磨制抛光后用自制腐蚀剂（5ml HF+1.5ml HCl+2.5ml HNO3+ 91ml H2O）腐蚀试样，用 PHILIPS XL30 型扫描电子显微镜进行微观组织观察及分析。表 1 A356 合金化学成分(wt.%) Table 1 Chemical composition of the A356 alloy (wt. %)元素 含量Si
9、 7.1Mg 0.4Ti 0.013Mn 0.004Cu 0.003Fe 0.09Al 余量2试验结果及分析图 1 为不同冷却方式 Al-10Sr 中间合金的 XRD 图谱。可以看出：空冷的 Al-10Sr 中间合金主要 相组成为 -Al 基体和 Al4Sr；冰水冷却的 Al-10Sr 中间合金 X 射线衍射峰的位置没有发生变化，这 说明冰水冷却与空冷的 Al-10Sr 中间合金相组成相同 （见图 1a 和图 1b） 而液氮深冷的 Al-10Sr 中间 ； 合金除了 Al 和 Al4Sr 外，还出现了新相 Sr，如图 1(c)所示。(a)(b)(c)（a）空冷（b）冰水冷 图 1 不同冷却方式
10、 Al-10Sr 中间合金的 X 射线衍射谱 Fig. 1 XRD patterns of different cooling methods Al-10Sr master alloy（c）液氮深冷图 2(a)和图 2(b)分别是低倍和高倍未变质 A356 铝合金显微组织。 由图 2(a)可以看出未变质 A356 铝合金显微组织由初晶-Al 相和共晶（-Al+Si）相组成。其中共晶硅沿 -Al 晶界析出，长成粗大 的针状或板片状。由图 2(b)可以更清楚的看到粗大针、片状共晶硅形态，这种形状的脆性相严重地 割裂了基体，降低合金的强度和塑性，因而必须对其进行变质处理，使之改变成有利的形态。(a)
11、(b)（a）低倍显微组织（b）高倍显微组织 图 2 未变质 A356 铝合金显微组织Fig. 2 Microstructure of unmodified A356 aluminum alloy图 3 是 A356 铝合金经不同冷却方式 Al-10Sr 中间合金变质后的显微组织。与未变质 A356 铝合 金显微组织（图 2）中共晶硅形态相比较，共晶硅形态发生了显著的变化，出现典型的变质组织。图 3(a)是空冷 Al-10Sr 中间合金变质 A356 铝合金显微组织， 可以看出虽然共晶硅相存在部分长片状， 如图 3(a)中箭头所指，但与未变质 A356 铝合金显微组织（图 2）相比，其形态已由粗
12、大针、片状变 为短杆状，变质效果明显。图 3(b)是冰水冷却 Al-10Sr 中间合金变质 A356 铝合金显微组织，可以看 出共晶硅多数呈短杆状或粒状，分布较均匀，变质效果增强。图 3(c)是液氮深冷 Al-10Sr 中间合金变 质 A356 铝合金显微组织， 可以看出共晶硅多数呈球状或粒状， 且共晶硅颗粒变得更加细小， 在 -Al 基体中分布更加均匀，变质效果进一步提高。(a)(b)(c)（a）Al-10Sr (空冷)（b）Al-10Sr (冰水冷却) 图 3 变质处理后 A356 铝合金的显微组织 Fig. 3 The microstructure of modified A356 al
13、uminum alloy（c）Al-10Sr (液氮深冷)3实验结果讨论对于 Al-10Sr 中间合金已有大量的文献表明其组织形态对变质效果也有遗传性3-6,即 Al-Sr 中 间合金的组织形态也能带来变质效果的差异。冷却速度提高，过冷度随之增大，使合金组织得到细 化；此外，冷速的提高也有利于合金化元素固溶度的增加7。所以不同冷却方式处理的 Al-10Sr 中间 合金组织形态不同，其变质效果也不同。 目前，还没有统一的变质机理学说，最为流行的变质理论是 1987 年在台阶生长机制的基础上， LU 和 Hellawell 提出的杂质诱导孪晶理论。该理论认为：变质元素吸附在硅的生长台阶上，阻碍硅
14、以台阶生长机制长成片状，而且变质元素的原子在硅相表面的吸附改变了硅原子的堆积次序，从而 在硅晶体中造成大量孪晶的产生，共晶硅相转而以孪晶凹谷机制生长8，抑制硅相的生长，使共晶 硅由粗大针片状变为细小纤维状或颗粒状。 锶以游离态发挥变质作用9， 而锶在 Al-10Sr 中间合金中以 A14Sr 化合物形式存在， 当加入 A356 合金熔体中后，细小而弥散分布的 A14Sr 化合物会很快分解出游离态的锶发挥变质作用，从根本上 改变硅相的生长方式， 阻碍硅相的扩散。 由空冷、 冰水冷却到液氮深冷， 随着冷却速度的提高， Al-10Sr 中间合金中 Al4Sr 相变得更加细小， 且锶在铝中的固溶度增加
15、， 这与 X 射线衍射分析液氮深冷 Al-10Sr 中间合金中出现新相锶是一致的。所以，液氮深冷处理的 Al-10Sr 中间合金能在短时间内释放出更 多游离态的锶，更充分地发挥锶地变质作用，此时共晶硅呈细小球状或粒状，均匀分布在 -Al 基体 中。因此，由空冷、冰水冷却到液氮深冷，随着冷却速度地提高，Al-10Sr 中间合金对 A356 铝合金 的变质效果增强。4结论(1)空冷和冰水冷却 Al-10Sr 中间合金主要相组成为 Al 和 Al4Sr， 而液氮深冷处理 Al-10Sr 中间合 金除了 Al 和 Al4Sr 外，还出现了新相 Sr。 (2) 液氮深冷处理 Al-10Sr 中间合金变质
16、 A356 中共晶硅相为细小粒状或球状，且分布均匀。 (3) 不同冷却方式的 Al-10Sr 中间合金变质效果不同。在本文中经液氮深冷处理 Al-10Sr 中间合 金对 A356 合金变质效果最好。参考文献：1 2 3 4 5 张承甫，龚建森，黄杏蓉，等. 液态金属的净化与变质M.上海:上海科学技术出版社,1989. 陈鸿国.铝-锶合金长效变质剂的应用J. 轻合金加工技术. 1992, 20(2): 13-16. 秦敬玉, 边秀芳, 韩秀军, 刘相法, 马家骥. 变形 Al-Sr 中间合金的遗传效应J. 材料研究学报, 1999 ,13 (2): 162-166. 边秀房, 刘相法, 王先娥,
17、马家骥. Al-Sr 中间合金变质效果的遗传效应J. 金属学报, 1997, 33 (6): 609-613. ZHONG HUANG Zhang, XIU FANGBian, YAN Wang. Microstructural characterization of a rapidly solidified Al-Sr-Ti alloy J. Materials Research Bulletin, 2002, 37: 2303-2314. 6 ZHONG HUANG Zhang, XIU FANGBian, YAN Wang. Growth of dendrites in a rapidl
18、y solidified Al-23Sr alloy J. Journal of Crystal Growth, 2002, 243: 531-538. 7 8 9 Jones H. Aluninum, 1978, 54: 274. Lu Shu-zu, Hellawell A. The mechanisms of silicon in Al-Si alloys crystal growth.1985, 73: 316-328. Alam Najafabadi M A，Ourdjini A, Elliott R. Impurity Modification of Aluminium-Silicon Eutectic Alloys. Cast Metals, 1995, 8 (1): 43-50.1
