凝固条件对高硅铝合金组织的影响

摘 要：过共晶铝硅合金中的硅相晶粒粗大并且有尖锐的棱角，严重的削弱了合金的机械性能，通常采用变质处理工艺来改善这一现象。目前，很多研究表明硅相变质的机理主要是孪晶凹谷机制，但是变质效果实际上是与凝固条件有关系的，通过改善凝固条件，可以促进变质效果。本文研究对象为高硅铝硅合金，在加入不同变质剂条件下，研究了不同凝固条件下的组织形态，并使用透射电镜对组织进行了分析。

关键词：过共晶合金 孪晶凹谷机制 变质 凝固条件

中图分类号：TG146 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）03（c）-0108-02

经过变质处理后的过共晶铝硅合金具有良好的机械性能。它具有低的热膨胀率和高的耐磨性，广泛的应用于工业。初晶硅、共晶硅和共晶铝是它的主要组织。其中硅相对合金的机械性能具有重要的影响，如何改善硅相的形状和细化晶粒是一个重要的研究方向，通常采用变质工艺[1～3]提高合金的机械性能。但是变质工艺的效果受到凝固条件的影响，深入研究凝固条件对铸造合金组织的影响[4～5]具有重要的意义。本文分别采用不同的变质剂，研究不同凝固条件对变质效果的影响。

1 实验

1.1 变质试验

把4个坩埚放入电阻炉中，升温到一定温度，加入高硅铝硅合金，熔化后分别加入变质剂（铜磷合金、Na盐、Sb、稀土合金），保温一段时间。为了研究凝固条件对组织的影响，控制浇注容器温度从而达到改变合金的凝固条件，采用的金属型腔的温度分别为20 ℃和200 ℃。将不同变质剂变质下的金属液浇注到金属型腔中，取样进行观察。

2 凝固条件对合金组织的影响

2.1 未变质的合金组织

由图1可知，图1的（a）中，颗粒细小并且较圆滑，（b）中颗粒粗大并且棱角锋利，在不加入任何变质剂的条件下，冷却速度可以明显的影响到合金的组织形态，加大冷却速度可以细化初晶硅和共晶硅，并且对初晶硅的形态还能够起到局部圆滑的作用。

2.2 铜磷变质的合金组织

从图2可知，铜磷合金变质不论冷却速度快慢，初晶硅都比未变质铝硅合金细小且分布均匀，这说明了铜磷合金良好的变质效果。对比图2中（a）、（b）图我们可以发现，冷却速度对初晶硅的影响是显著的。（a）图中初晶硅比（b）图中初晶硅明显细小，且初晶硅分布更加均匀。

2.3 Na盐变质的合金组织

从图3（a）、（b）中可以看出Na盐对冷却速度是十分敏感的，图3中（a）中初晶硅细小、形状圆滑；（b）图中初晶硅颗粒较大。但仅从圆滑度来看，两种冷却速度的条件下，初晶硅颗粒都很圆滑，看不到针状共晶硅，这充分说明了钠盐优良的变质效果。

2.4 Sb变质的合金组织

从图4中（a）、（b）图可以看出，不同冷却速度对铝硅合金的影响是显著的。（a）图中初晶硅呈规则的四边形，而（b）图中硅的形状呈花瓣形状，有的中间有共晶硅存在，这说明了当冷却速度慢时，初晶硅在结晶的时候相邻的初晶硅发生了合并，合并过程中有共晶组织填充了部分的区域，这就是我们看到的初晶硅中间存在的共晶组织。对于共晶硅的影响，可以看到（a）、（b）图中的共晶硅都呈现针状，冷却速度慢的更甚。

2.5 稀土变质的合金组织

从图5中（a）、（b）可以看出，稀土变质的铝硅合金中初晶硅和共晶硅大小差别不大，说明了稀土变质的铝硅合金初晶硅对冷却速度不敏感。

3 合金组织的分析

虽然最后形成的组织形态与很多条件有关系，并且目前也有很多相关的成形机理，但是通过对组织进行透射电镜观察，发现每一种变质剂条件下的组织，在它的衍射斑点中，都存在孪晶衍射斑点，这说明了在变质处理过程中，变质的机理在一定程度上与孪晶组织有着一定的关系，因此，可以从孪晶的角度出发，解释组织的成形机理。图6是钠盐变质的初晶硅和共晶硅的衍射斑点图，在图6中，可以明显的看到，在某些衍射斑点的1/3处的位置，存在一些弱的斑点，这就是孪晶衍射斑点的特征。由于有孪晶衍射斑点的存在，说明了变质条件下的生长机理可以用孪晶凹谷机制进行解释。变质剂的富集和择优吸附对共晶硅和初晶硅都是有效的，都为孪晶凹谷机制，在共晶硅生长中硅的结晶前沿呈孪晶凹谷，加入变质剂后，变质剂原子因化学作用选择吸附而富集在孪晶凹谷处，阻滞了硅原子或硅原子四面体的生长速度，使孪晶凹谷生长机制受到抑制，从而导致硅相生长形态的变化。由于孪晶凹谷被阻塞，硅相生长被迫改变方向，沿、、等系列方向生长，同时也促使硅相发生高度分枝。并且，变质原子并非全部封锁整个凹谷，而是优先吸附在凹谷内的位错、层错等缺陷处，分割了原来的片状结构，这就是共晶硅的生长过程。初晶硅由于它的生长环境与共晶硅不同，造成了初晶硅生长过程的差别：（1）初晶硅直接从液相中析出，即使变质原子在固液界面前沿富集，硅原子扩散受到的束缚也较小，因此，初晶硅可以长到很大；（2）由于多重孪晶的作用，初晶硅进行各向同性生长，因此，变质初晶硅颗粒由多面体转变为圆滑的颗粒。

凝固条件对铜磷合金、Na盐、Sb和稀土变质效果的影响是不同的，不同的凝固条件下，铜磷合金和Na盐变质下的金相组织发生了以下几点变化：（1）初晶硅的数量明显增多，这是因为在温度较低的条件下，液体中存在较多的异质核心，促进初晶硅的生长；（2）初晶硅尺寸减少很多，一方面在凝固条件较快的条件下，熔液内部会出现大量的异质核心即硅晶胚，这些晶核的存在，促进了初晶硅和共晶硅的形核；另一方面初晶硅的生长受到强烈的抑制，因为冷却速度快，初晶硅之间来不及发生合并的现象，这两方面的原因都导致成形的初晶硅细小；（3）初晶硅发生了球化现象，硅本来是小平面生长，但是在变质剂影响的条件下，小平面生长方向受到抑制，硅晶体转变为非小平面生长，并且较快的冷却速度会促进变质剂的变质效果，最后得到球化的初晶硅。而对于变质效果一般的Sb和稀土变质下的金相组织，凝固条件仅仅改变组织的颗粒大小，而对于形状的改变很小。因此，良好的变质效果是由变质剂决定的，凝固条件对于形成的组织只能起到促进作用。

4 结论

（1）不同变质剂受冷却速度的影响效果是不同的，铜磷合金、Na盐对冷却速度敏感；Sb元素变质下的组织在冷却速度逐步变大的条件下，硅相组织由花瓣状变为块状；稀土合金变质下的组织对冷却速度的变化不敏感。

（2）对初晶硅和共晶硅的变质机理进行了分析，无论是初晶硅还是共晶硅，可以从孪晶凹谷机制解释它的变质机理。

参考文献

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