浅析变质和铸造工艺对AI-20Si合金初生Si组织的影响

作者：张毅

  目前，改善过共晶Al-Si合金的主要方法有：变质处理、快速凝固、喷射沉积、半固态搅拌等。其中变质处理是工业生产中应用最普遍的一种方法。变质处理技术中，新型变质剂的开发是其主要的研究方向，常用的变质剂一般为磷或磷的中间合金，在熔体中与铝反应形成AIP，作为异质形核核心，从而细化初生Si颗粒，如Cu-P、Si- P、Al-18Si-2. 5P等。此外，研究发现，E r、N b等元素的加入，也可以作为变质剂来细化晶粒尺寸。除了开发新的变质剂，变质处理技术还朝着双重变质、复合变质以及与其他技术手段相结合的方向发展。变质处理是一种简单而有效的细化晶粒方法，在工业生产中应用广泛。但是，变质处理一般只改变晶体颗粒尺寸大小，对初生Si晶粒形貌的影响有限。

    本课题以Al-20Si合金为研究对象，通过改变铸造工艺参数、调整变质剂加入量，研究铸造工艺参数、变质剂加入量对初生Si尺寸、形貌的影响，为调控初生Si尺寸、形貌提供参考。

2  试验结果与分析

2.1  铸造工艺参数对铸态组织中初生Si的影响

2.1.1  浇注温度对铸态组织中初生Si的影响

图2为不同浇注温度下的铸态组织照片，对其进行分析计算，可以得到图3。可以看出，浇注温度对于铸态组织中初生Si的形态和尺寸影响显著。在660 0C时，铸锭心部的初生Si尺寸约为97. 68 um，在离边缘R/2处（下面简称外部）的初生Si等效直径也超过了80Mm。而当温度升高至760℃时心部和外部的初生Si的尺寸都明显减小，同时分布也相对更为均匀，复杂形状的初生Si明显减少，见图2f，其中黑色部分是腐蚀过度引起的。但是，当浇注温度进一步升高，初生Si的等效直径反而有所增加。主要原因是浇注温度低时，熔体在浇注过程中已经发生形核，并部分长大，而在浇注过程中，熔体的冷却速率又小于其在金属型中的冷却速率，所以浇注温度偏低时，初生Si的尺寸较大。当浇注温度过高时，高温熔体放出大量的热量，降低了铸型的冷却能力，导致初生Si尺寸增大。因此，对于试验所用浇注系统，最优的浇注温度为760℃，初生Si尺寸最小，为75um 以下。

2.1.2铸型温度对铸态组织中初生Si的影响

    图4是在不同铸型温度下的铸锭的组织。可以看出，相对于室温下浇注的试样，铸型温度升高，铸态组织中的初生Si明显变大，形状也更加复杂。对金相组织中初生Si尺寸进行计算后可以得到图5的曲线。从图5看出，随着铸型温度的升高，铸锭表层与心部的初生Si尺寸差别先减小，后增大。这说明初生Si的尺寸受过冷度的影响，铸型温度较高时，铸型冷却能力减弱，过冷度变小，使得初生Si长大作用增强，尺寸急剧增大，形貌也随之发生恶化；但是，适当的预热对金属型铸造来说不可或缺。从图5可以看出，200℃时心部的初生Si尺寸最小，约为80 um，因此，较合适的铸型温度为200℃。

2.2变质剂类型和加入量对铸态织中初生Si的影响

2. 2.1  变质剂类型对铸态组织中初生Si的影响

    图6为未变质处理和不同类型变质剂变质处理后的铸态金相组织。从图6中可以看出，无论是磷盐变质剂还是铜磷合金变质剂，变质后试样都得到了明显改善，初晶Si寸都得到了细化，初生Si等效直径从变质前的90um 左右下降到20 um左右，初生Si的形态也得到了明显的改善。初生Si相基本上呈细小的块状，未变质条件下复杂形状的初生Si完全消失了，部分块体的尖角部分发生了钝化。

2.2.2  变质剂的加入量对铸态组织中初生Si的影响

    图7是变质剂对铸锭金相组织中初生Si尺寸的影响。无论是使用磷盐变质还是使用铜磷合金变质，随着变质剂加入量的增加，初生Si的平均直径均先减小后有所增大。这种过度变质导致初生Si尺寸变大可能的原因是，随着变质剂加入量的增多，熔体中的反应也增多，例如使用铜磷合金变质时，会发生如下反应：

式(2)为放热反应，生成1 mol的AIP放热Q约为129kJ，从而减小了AIP晶体的过冷度，降低了AIP的形核率，恶化变质效果。所以，使用磷盐变质剂对Al-20S1合金进行变质时存在一个最优的加入量。由图7可知，磷盐变质剂的最佳加入量约为0．8%，Cu-14P合金的最佳加入量约为0. 4%，初生Si尺寸均小于20um 。

3  结  论

    (1)随着浇注温度升高．Al-20Si合金中凝固组织中初生Si颗粒尺寸减小，分布更加均匀，但是当浇注温度超过一定温度后，初生Si尺寸发生恶化。适宜的浇注温度为760℃，初生Si尺寸小于75um 。

    (2)铸型温度对Al-20S1凝固组织中初生Si尺寸、形貌以及分布有一定影响。铸型温度升高，初生Si明显长大，形状复杂。适宜的铸型温度为200 0C，初生Si尺寸小于80 um。

(3)变质剂的加入量对初生Si的变质效果影响较大，过量加入变质剂将恶化变质效果。Al-20Si合金的磷盐变质剂合适加入量为0. 8%，Cu-14P变质剂的适宜加入量为0. 4%，初生Si尺寸小于20um 。

4摘要研究了铸造工艺和变质处理对Al- 20Si合金中初生Si组织的影响。利用光学显微镜以及Image Pro金相分析软件，对经过不同铸造工艺和变质处理的过共晶Al-Si合金组织进行了观察、分析和计算。结果表明，控制浇注温度、铸型温度以及变质剂加入量可细化初生Si颗粒，且变质剂细化初生Si颗粒的效果远大于浇注温度、铸型温度；当浇注温度为760℃或铸型温度为200℃时，凝固组织中的初生Si颗粒尺寸小于90um ，而磷盐变质剂加入量为0.8%或Cu-14P中间合金加入量为0. 4%时，初生Si颗粒尺寸小于20 um。