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作者：張毅

  目前，改善過共晶Al-Si合金的主要方法有：變質(zhì)處理、快速凝固、噴射沉積、半固態(tài)攪拌等。其中變質(zhì)處理是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最普遍的一種方法。變質(zhì)處理技術(shù)中，新型變質(zhì)劑的開發(fā)是其主要的研究方向，常用的變質(zhì)劑一般為磷或磷的中間合金，在熔體中與鋁反應(yīng)形成AIP，作為異質(zhì)形核核心，從而細(xì)化初生Si顆粒，如Cu-P、Si- P、Al-18Si-2. 5P等。此外，研究發(fā)現(xiàn)，E r、N b等元素的加入，也可以作為變質(zhì)劑來細(xì)化晶粒尺寸。除了開發(fā)新的變質(zhì)劑，變質(zhì)處理技術(shù)還朝著雙重變質(zhì)、復(fù)合變質(zhì)以及與其他技術(shù)手段相結(jié)合的方向發(fā)展。變質(zhì)處理是一種簡(jiǎn)單而有效的細(xì)化晶粒方法，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。但是，變質(zhì)處理一般只改變晶體顆粒尺寸大小，對(duì)初生Si晶粒形貌的影響有限。

    本課題以Al-20Si合金為研究對(duì)象，通過改變鑄造工藝參數(shù)、調(diào)整變質(zhì)劑加入量，研究鑄造工藝參數(shù)、變質(zhì)劑加入量對(duì)初生Si尺寸、形貌的影響，為調(diào)控初生Si尺寸、形貌提供參考。

2  試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1  鑄造工藝參數(shù)對(duì)鑄態(tài)組織中初生Si的影響

2.1.1  澆注溫度對(duì)鑄態(tài)組織中初生Si的影響

圖2為不同澆注溫度下的鑄態(tài)組織照片，對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算，可以得到圖3�？梢钥闯觯瑵沧�溫度對(duì)于鑄態(tài)組織中初生Si的形態(tài)和尺寸影響顯著。在660 0C時(shí)，鑄錠心部的初生Si尺寸約為97. 68 um，在離邊緣R/2處（下面簡(jiǎn)稱外部）的初生Si等效直徑也超過了80Mm。而當(dāng)溫度升高至760℃時(shí)心部和外部的初生Si的尺寸都明顯減小，同時(shí)分布也相對(duì)更為均勻，復(fù)雜形狀的初生Si明顯減少，見圖2f，其中黑色部分是腐蝕過度引起的。但是，當(dāng)澆注溫度進(jìn)一步升高，初生Si的等效直徑反而有所增加。主要原因是澆注溫度低時(shí)，熔體在澆注過程中已經(jīng)發(fā)生形核，并部分長(zhǎng)大，而在澆注過程中，熔體的冷卻速率又小于其在金屬型中的冷卻速率，所以澆注溫度偏低時(shí)，初生Si的尺寸較大。當(dāng)澆注溫度過高時(shí)，高溫熔體放出大量的熱量，降低了鑄型的冷卻能力，導(dǎo)致初生Si尺寸增大。因此，對(duì)于試驗(yàn)所用澆注系統(tǒng)，最優(yōu)的澆注溫度為760℃，初生Si尺寸最小，為75um 以下。

2.1.2鑄型溫度對(duì)鑄態(tài)組織中初生Si的影響

    圖4是在不同鑄型溫度下的鑄錠的組織�？梢钥闯�，相對(duì)于室溫下澆注的試樣，鑄型溫度升高，鑄態(tài)組織中的初生Si明顯變大，形狀也更加復(fù)雜。對(duì)金相組織中初生Si尺寸進(jìn)行計(jì)算后可以得到圖5的曲線。從圖5看出，隨著鑄型溫度的升高，鑄錠表層與心部的初生Si尺寸差別先減小，后增大。這說明初生Si的尺寸受過冷度的影響，鑄型溫度較高時(shí)，鑄型冷卻能力減弱，過冷度變小，使得初生Si長(zhǎng)大作用增強(qiáng)，尺寸急劇增大，形貌也隨之發(fā)生惡化；但是，適當(dāng)?shù)念A(yù)熱對(duì)金屬型鑄造來說不可或缺。從圖5可以看出，200℃時(shí)心部的初生Si尺寸最小，約為80 um，因此，較合適的鑄型溫度為200℃。

2.2變質(zhì)劑類型和加入量對(duì)鑄態(tài)織中初生Si的影響

2. 2.1  變質(zhì)劑類型對(duì)鑄態(tài)組織中初生Si的影響

    圖6為未變質(zhì)處理和不同類型變質(zhì)劑變質(zhì)處理后的鑄態(tài)金相組織。從圖6中可以看出，無論是磷鹽變質(zhì)劑還是銅磷合金變質(zhì)劑，變質(zhì)后試樣都得到了明顯改善，初晶Si寸都得到了細(xì)化，初生Si等效直徑從變質(zhì)前的90um 左右下降到20 um左右，初生Si的形態(tài)也得到了明顯的改善。初生Si相基本上呈細(xì)小的塊狀，未變質(zhì)條件下復(fù)雜形狀的初生Si完全消失了，部分塊體的尖角部分發(fā)生了鈍化。

2.2.2  變質(zhì)劑的加入量對(duì)鑄態(tài)組織中初生Si的影響

    圖7是變質(zhì)劑對(duì)鑄錠金相組織中初生Si尺寸的影響。無論是使用磷鹽變質(zhì)還是使用銅磷合金變質(zhì)，隨著變質(zhì)劑加入量的增加，初生Si的平均直徑均先減小后有所增大。這種過度變質(zhì)導(dǎo)致初生Si尺寸變大可能的原因是，隨著變質(zhì)劑加入量的增多，熔體中的反應(yīng)也增多，例如使用銅磷合金變質(zhì)時(shí)，會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)：

式(2)為放熱反應(yīng)，生成1 mol的AIP放熱Q約為129kJ，從而減小了AIP晶體的過冷度，降低了AIP的形核率，惡化變質(zhì)效果。所以，使用磷鹽變質(zhì)劑對(duì)Al-20S1合金進(jìn)行變質(zhì)時(shí)存在一個(gè)最優(yōu)的加入量。由圖7可知，磷鹽變質(zhì)劑的最佳加入量約為0．8%，Cu-14P合金的最佳加入量約為0. 4%，初生Si尺寸均小于20um 。

3  結(jié)  論

    (1)隨著澆注溫度升高．Al-20Si合金中凝固組織中初生Si顆粒尺寸減小，分布更加均勻，但是當(dāng)澆注溫度超過一定溫度后，初生Si尺寸發(fā)生惡化。適宜的澆注溫度為760℃，初生Si尺寸小于75um 。

    (2)鑄型溫度對(duì)Al-20S1凝固組織中初生Si尺寸、形貌以及分布有一定影響。鑄型溫度升高，初生Si明顯長(zhǎng)大，形狀復(fù)雜。適宜的鑄型溫度為200 0C，初生Si尺寸小于80 um。

(3)變質(zhì)劑的加入量對(duì)初生Si的變質(zhì)效果影響較大，過量加入變質(zhì)劑將惡化變質(zhì)效果。Al-20Si合金的磷鹽變質(zhì)劑合適加入量為0. 8%，Cu-14P變質(zhì)劑的適宜加入量為0. 4%，初生Si尺寸小于20um 。

4摘要研究了鑄造工藝和變質(zhì)處理對(duì)Al- 20Si合金中初生Si組織的影響。利用光學(xué)顯微鏡以及Image Pro金相分析軟件，對(duì)經(jīng)過不同鑄造工藝和變質(zhì)處理的過共晶Al-Si合金組織進(jìn)行了觀察、分析和計(jì)算。結(jié)果表明，控制澆注溫度、鑄型溫度以及變質(zhì)劑加入量可細(xì)化初生Si顆粒，且變質(zhì)劑細(xì)化初生Si顆粒的效果遠(yuǎn)大于澆注溫度、鑄型溫度；當(dāng)澆注溫度為760℃或鑄型溫度為200℃時(shí)，凝固組織中的初生Si顆粒尺寸小于90um ，而磷鹽變質(zhì)劑加入量為0.8%或Cu-14P中間合金加入量為0. 4%時(shí)，初生Si顆粒尺寸小于20 um。