P-LaCe復合變質對過共晶Al-25%Si合金的變質效果

何紅宇,石為喜,滕海琳,林業達,茆 俊,仇 正

(遼寧科技學院 冶金與材料工程學院,遼寧 本溪 117004)

0 引言

過共晶鋁硅合金以其有更小的比重、更低的線膨脹系數、良好的耐磨性和耐腐蝕,同時具有體積穩定性好等優點,而被選為制作發動機活塞的理想材料[1]。但在通常鑄造條件下,未經細化處理的合金組織中常出現粗大的不規則塊狀初晶硅和長針狀共晶硅。這些硅相嚴重割裂合金基體,導致合金的力學性能降低,因此需要對其進行變質細化處理[2]。常用的變質劑有Al-P、Cu-P、Na及Na鹽、Sr及Sr鹽和稀土等。P對于初晶硅來說,是理想的變質劑,P對初晶硅具有良好的變質作用[3-5],Na、Sr及其鹽類對共晶硅具有良好的細化效果,稀土可同時細化初晶硅和共晶硅[6-8]。

因此,文章分別采用1.0%LaCe、0.8%P以及1.0%LaCe-0.8%P復合變質對Al-25%Si合金進行變質處理,研究不同變質劑對Al-25%Si合金的變質效果。

1 試驗方法

以工業純鋁(純度99.7%)、結晶硅(純度99.9%)為試驗原材料,Cu-14%P和Al-10%LaCe中間合金為變質劑,對Al-25%Si合金進行變質處理。試驗合金的化學成分如表1所示。

表1 Al-25%Si合金化學成分(百分含量%)

變質處理過程:將稱量好的鋁塊和硅塊放入石墨坩堝中,置于電阻爐內,設置溫控儀升溫至800 ℃,待鋁塊和硅塊全部熔化為合金液后,除去表面的浮渣,并加入鋁箔包覆的變質劑,待變質劑完全熔化后,除去浮渣,將合金液勻速地澆注于金屬模具中,待金屬模具自然冷卻,就得到所需的合金鑄錠。

利用線切割車床從鑄錠上切割Φ15 mm×15 mm的金相試樣,按標準金相制樣程序制得樣品,并用0.5 wt% HF酸腐蝕其表面,用于微觀組織觀察。分別采用金相顯微鏡(OM,蔡司Axio Imager M2m型)對變質前后的過共晶Al-25%Si合金樣品表面形貌進行測試和分析。

用車床將金屬錠加工成Φ15 mm×150 mm標準拉伸試樣,用于力學性能測試。拉伸試驗采用WAW-100型電液伺服萬能材料試驗機,在室溫條件下以1 mm/min的位移速度進行。硬度試驗采用HB-3000布氏硬度計測量材料硬度,壓頭直徑為5 mm,試驗載荷為2 450 N,載荷保持時間為30 s,卸載后通過測量讀取顯微鏡下壓痕直徑,查找金屬布氏硬度數值表讀出硬度值。

2 結果與討論

2.1 微觀組織

利用Axio Imager M2m金相顯微鏡對Al-25%Si合金組織形貌進行觀察,變質處理前后的Al-25%Si合金的顯微組織特征,如圖1所示。變質處理前后的合金中共晶硅組織特征,如圖2所示。

(a)未變質

由圖1可知,未加變質劑的Al-25%Si合金初晶硅組織為粗大的五瓣星狀及其他較復雜形狀,平均晶粒約為150 μm～200 μm,如圖1(a)所示。當加入1.0%的LaCe時,合金中的初晶硅尺寸略有減小,平均晶粒約為100 μm～120 μm,形態上未發生明顯變化,仍為五瓣星狀及其他復雜的形狀,如圖1(b)所示。當加入0.8%P時,合金中初晶硅組織發生明顯變化,由粗大的五瓣星狀及其他較復雜形狀轉變為細的多邊形狀和板片狀,晶粒尺寸細化明顯,平均晶粒約為30 μm～50 μm,而且初晶硅在基體中彌散分布,變質作用良好,如圖1(c)所示。當加入1.0%LaCe和0.8%P時,如圖1(d)所示,對于初晶硅而言,變質細化效果依舊十分明顯,五瓣星狀初晶硅已經全部消失,但是初晶硅細化后平均晶粒尺寸較單純P變質的效果差,初晶硅平均晶粒尺寸大于P變質后的平均晶粒尺寸,同時初晶硅形態有朝著復雜多邊形等發展的傾向。通常在復合變質條件下,各種變質劑的變質效果可以相互疊加,最大限度地細化合金中的初晶硅相,而當兩種變質劑均以最佳變質劑添加量加入時,將會產生過變質的現象,因此可適當降低P和LaCe的添加量,以取得最佳的變質效果。已有文獻認為[3-5],在過共晶鋁硅合金液中加入P變質劑后,P與Al可生成大量的AlP中間相,AlP的熔點達1 000 ℃以上,AlP的晶格常數為0.546 nm,而Si的晶格常數為0.543 nm,兩者數值上非常接近,另外,AlP與初晶硅均為面心立方結構,且晶格錯配度小于1%,因此,AlP可作為初晶硅的異質形核核心,在合金液凝固過程中可為初晶硅的形核提供場所,從而使初晶硅得到細化。

由圖2可知,未加變質劑的Al-25%Si合金中的共晶硅為長針狀,密集分布于Al基體上,如圖2(a)所示。當加入1.0%的LaCe時, 合金中共晶硅發生明顯變化,共晶硅從長針狀變為顆粒狀或短棒狀,尺寸大幅減小,僅為未加變質劑時共晶硅組織的幾十分之一,如圖2(b)所示。當加入0.8%的P時,合金中共晶硅仍然為長針狀分布,尺寸略有減小,分布密度大幅降低,如圖2(c)所示。當加入1.0%LaCe-0.8%P時,如圖2(d)所示,合金中的共晶硅仍以長針狀分布,與單獨P變質相比,尺寸略有增加,分布密度相差無幾,同時在該合金中發現了大量黑色針狀組織,后續可進一步開展相關研究。相關文獻報道[8],未變質合金中的共晶硅相,其孿晶密度較低,其相對有限的分支加之其特定的生長取向共同決定了其粗大的長針狀形貌特征。當合金中加入了La、Ce等稀土元素時,稀土元素將在硅相的生長前沿聚集,阻礙共晶硅的長大,同時誘發形成大量孿晶,使得共晶硅的生長方式發生轉變,由粗大的長針狀變為細小顆粒狀和短棒狀,從而改變共晶硅組織的形貌。

2.2 力學性能

Al-25%Si合金變質前后的抗拉強度與硬度的變化如表2所示。

表2 Al-25%Si合金變質前后的抗拉強度與硬度的變化

通過四組試驗比較,經變質處理后,Al-25%Si合金的拉伸強度及硬度都有不同程度的提高,經P變質和P-LaCe復合變質后合金的抗拉強度和硬度均比用混合稀土LaCe變質的試樣要高得多,同時對比這兩組測試結果發現,單純用P作為變質劑進行變質處理會比P-LaCe復合變質處理后的合金強度、硬度要高,可能是由于P-LaCe復合變質產生了過變質的原因。結合金相分析結果,可以看出細化合金中的初晶硅比細化共晶硅更能提升過共晶鋁硅合金的力學性能。

未經變質細化處理的Al-25%Si合金,其力學性能相對較差,其原因在于合金組織中存在著粗大的五瓣星狀及其他較復雜形狀的初晶硅相以及長針狀的共晶硅,對于基體存在著嚴重的割裂作用,在硅相的棱邊及尖角處易造成應力集中,因此未變質合金抗拉強度和硬度均較低。變質后的合金中,其硅相組織明顯細化,形狀及分布得到改善,其對基體的割裂作用大大弱化,合金塑性明顯增強,因此合金的力學性能得到大幅提升[8]。

3 結論

(1)在Al-25%Si合金中分別加入1.0%LaCe、0.8%P以及1.0%LaCe-0.8%P復合變質,合金中的初晶硅都有著不同程度的細化作用,尤以0.8%P的變質效果為最佳,初晶硅由未變質的粗大的五瓣星狀及其他較復雜形狀轉變為細的多邊形狀和板片狀,平均晶粒尺寸由150 μm～200 μm細化至30 μm～50 μm。共晶硅以長針狀分布,分布密度明顯降低。

(2)單純加1.0%LaCe處理后,合金中初晶硅形態上無變化,平均晶粒尺寸略有減小,共晶硅發生明顯變化,從長針狀變為顆粒狀或短棒狀,尺寸大幅減小。P-LaCe復合變質需控制好二者的添加量的配比,否則易產生過變質現象,降低變質效果。

(3)力學性能測試表明,經變質處理后的Al-25%Si合金的抗拉強度與硬度均有不同程度增加,以0.8%P的力學性能為最佳,與金相組織細化程度相對應。