Ti摻雜及冷卻速率對共晶鋁硅合金組織結(jié)構(gòu)的影響①

劉士斌, 王 靜, 許建偉, 李洋洋

(1.佳木斯大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江 佳木斯 154007;2.百色學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院,廣西 百色 533000)

0 引 言

鋁硅合金由于良好的可鑄造性,成本低廉,產(chǎn)量高,低熱膨脹系數(shù)和高比強度等優(yōu)點被廣泛的應(yīng)用于制造發(fā)動機氣缸、活塞轉(zhuǎn)子等關(guān)鍵零部件[1]。但是熔鑄法制備的鋁硅合金中,共晶硅通常以層片狀形式存在,層片狀的共晶硅容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,導(dǎo)致共晶鋁硅合金綜合力學(xué)性能下降,影響了其使用效果。變質(zhì)處理是目前細(xì)化鑄造鋁硅合金最有效的方法[2-5]。早在上世紀(jì)20年代,研究者就對變質(zhì)處理對共晶鋁硅合金形貌的影響做了大量的研究,研究表明,變質(zhì)劑Sr的加入能夠有效的抑制共晶鋁硅合金的生長,達(dá)到細(xì)化共晶硅尺寸的目的[6]。變質(zhì)劑的加入雖然在一定程度上能夠細(xì)化共晶硅尺寸,但變質(zhì)元素的添加會使共晶鋁硅合金熔體產(chǎn)生十分嚴(yán)重的吸氫現(xiàn)象,使鑄件的孔隙率增加,影響共晶鋁硅合金的綜合力學(xué)性能。針對變質(zhì)劑的上述缺點,研究者提出化學(xué)變質(zhì)法,通過加入微量變質(zhì)金屬元素來達(dá)到變質(zhì)效果,由于其成本低廉,易于操作等優(yōu)點成為工業(yè)生產(chǎn)中廣為使用的變質(zhì)處理方法。在鋁硅合金中加入Ti可以有效的提高材料的硬度和拉伸強度,同時能夠提高共晶鋁硅合金的耐蝕性和抗氧化性[7]。微量Ti的添加可以大大細(xì)化共晶鋁硅合金中的α鋁相,起到枝晶強韌化的效果。楊滌心等認(rèn)為在鋁合金中加入鈦細(xì)化了晶粒,增加了晶界面積[8]。綜上所述,通過研究Ti摻雜對共晶鋁硅合金中共晶硅組織結(jié)構(gòu)影響的研究,對制備高性能共晶鋁硅合金具有重大的實際應(yīng)用價值。

1 實驗材料及方法

實驗熔煉所選用的合金為Al-10%Si,Al-20%Si,Al-13%Si,Al-3%Ti。合金均購買自徐州思源鋁業(yè)有限公司。其化學(xué)成分如表1—3所示。

表1 Al-10%Si的化學(xué)成分

表2 Al-20%Si的化學(xué)成分

表3 Al-3%Ti的化學(xué)成分

熔煉工藝:將Al-20%Si與Al-10%Si中間合金按照一定的配比在電阻爐中熔煉,在720℃條件下保溫30min,使Al-20%Si與Al-10%Si中間合金全部熔化,進(jìn)行扒渣,在720℃加入不同含量的Al-3%Ti中間合金(0%,0.3%,0.6%,0.9%),大約保溫5min 后通入氬氣,在720℃保溫10min,對液體進(jìn)行2次扒渣,繼續(xù)在720℃下保溫10min,倒入四種不同冷卻速率(5℃/s,10℃/s,50℃/s,500℃/s)的模具中制得Al-13wt%Si金屬鑄錠。

選用Zeiss MX82-X 顯微鏡對鋁硅合金金相組織進(jìn)行觀察,樣品用水砂紙磨到1200#后進(jìn)行拋光,采用0.5wt%的氫氟酸對樣片進(jìn)行腐蝕5-10s,深腐蝕采用10m LHF + 15m LHCl +75m LH2O 為腐蝕液,腐蝕120s。共晶硅尺寸的測量方法采用測量視場中的共晶硅尺寸的平均值。在變質(zhì)或過冷后,共晶硅形貌的變化使得其長度難以測量故采用其寬度的測量來代表其細(xì)化程度。選用Hitachi S4800掃描電子顯微鏡對制備材料的形貌進(jìn)行檢。

2 實驗結(jié)果與討論

圖1為未摻雜Ti元素與摻雜Ti之后共晶鋁硅合金的XRD 圖譜,由圖中可以看到,沒有摻雜Ti元素的共晶鋁硅合金中只出現(xiàn)了Al,Si的峰值,合金主要有Al相,Si相組成,而摻雜Ti之后的共晶鋁硅合金,合金中除了有Al相、Si相,還出現(xiàn)了Al2Ti相。說明Ti元素成功摻雜到共晶鋁硅合金中形成了Al2Ti化合物。而Al2Ti化合物的峰值與Al的峰值幾乎重合,說明Al2Ti可作為共晶鋁硅合金的異質(zhì)形核點。

圖1 Ti摻雜前后Al-13wt%Si的XRD圖譜

2.1 Ti摻雜對共晶鋁硅合金組織的影響

圖2為不同Ti摻雜量制備的共晶鋁硅合金的金相組織,由圖2(a)可以看出,未摻雜Ti的共晶鋁硅合金中初生硅以層片狀形式存在,尺寸較為粗大,對基體割裂比較嚴(yán)重。隨著Ti的摻雜,但Ti摻雜量較小時,如圖2(b)所示,共晶鋁硅合金中的初生硅雖然割裂為較小的尺寸,但仍以層片狀形式存在于基體中,繼續(xù)增加Ti的摻雜量,如圖2(c)所示,當(dāng)Ti的摻雜量增大到0.6%時,共晶硅組織由層片狀逐漸細(xì)化為球狀,分布也更加的均勻,繼續(xù)增加Ti的摻雜量到0.9%時,共晶硅的尺寸基本不在發(fā)生變化。

圖2 不同Ti摻雜量對Al-13wt%Si組織結(jié)構(gòu)的影響(a)未摻雜Ti(b)0.3%Ti(c)0.6%Ti(d)0.9%Ti

2.2 冷卻速率對Ti摻雜共晶鋁硅合金組織的影響

圖3為不同冷卻速率對Ti摻雜共晶鋁硅合金中共晶硅形貌的影響?？梢钥闯隼鋮s速率對Ti摻雜的共晶鋁硅合金形貌的影響較大、隨著冷卻速率的不斷加快,共晶硅的尺寸不斷細(xì)化,同時共晶硅的形貌也發(fā)生了明顯的變化,當(dāng)冷卻速率較慢時,如圖3(a)所示,共晶硅組織呈現(xiàn)較大的層片狀。當(dāng)冷卻速率加大到10℃/s時,如圖3(b)所示,緩慢的增加冷卻速率對共晶硅形貌影響并不大,共晶硅仍以層片狀形式存在于基體中。隨著冷卻速率的進(jìn)一步加大到50℃/s,如圖3(c)所示,進(jìn)一步加大冷卻速率,可使共晶硅組織形貌發(fā)生明顯的變化,共晶硅完全變質(zhì),無未變質(zhì)的塊狀或?qū)悠瑺畹慕M織存在。共晶硅以纖維狀均勻分布于基體中。但同時冷卻速率對Ti摻雜共晶鋁硅合金的影響也存在臨界冷卻速率,當(dāng)繼續(xù)加大冷卻速率到500℃/s時,如圖3(d)所示,由于過高的冷卻速率引起的成分偏析,使共晶鋁硅合金出現(xiàn)明顯的成分分布不均勻的現(xiàn)象,細(xì)化效果反而減弱。

圖3 不同冷卻速度對Ti摻雜Al-13wt%Si組織結(jié)構(gòu)的影響(a)5℃/s(b)10℃/s(c)50℃/s(d)500℃/s

2.3 冷卻速率對Ti摻雜共晶鋁硅合金變質(zhì)機制的探討

關(guān)于共晶硅的變質(zhì)機理,Lu等[8]提出的雜質(zhì)誘發(fā)孿晶機制是目前最被廣泛接受的。有研究結(jié)果顯示,共晶硅的變質(zhì)效果,很大程度上取決于其形核過程。Ti的加入主要是在熔體中與Al發(fā)生反應(yīng)生成Al2Ti化合物,Al2Ti化合物可作為異質(zhì)形核點,從而細(xì)化初生硅組織。Ti的摻雜可以使共晶鋁硅合金中初生硅組織尺寸明顯減小。根據(jù)Lu的理論[8],Ti摻雜后,Ti吸附于Si的(111)晶面,共晶硅以孿晶的方式生長,在其(111)晶面上會有突出的生長臺階。Ti作為變質(zhì)劑原子就作用于其生長臺階上,抑制其繼續(xù)生長。同時由于變質(zhì)劑原子的作用,會在臺階表面生成大量的高密度孿晶,共晶硅會以Ti為形核點,改變其原有的生長方向,使其繼續(xù)以孿晶的形式生長為球狀或纖維狀。冷卻速率的提高會增加Ti摻雜在Si的(111)晶面的吸附效果,致使附著在共晶硅上的Ti含量得到提高,有利于孿晶的產(chǎn)生。因此,冷卻速率的提高,可以提高Ti元素對共晶硅的變質(zhì)效果。

3 結(jié) 論

(1)Ti摻雜可以有效的細(xì)化共晶鋁硅合金中的共晶硅組織,當(dāng)摻雜量為0.6%時,共晶硅組織由70μm 左右細(xì)長的層片狀細(xì)化為5μm 左右的球狀。隨著摻雜量的繼續(xù)增加,共晶硅組織不在發(fā)生變化。

(2)冷卻速率與Ti摻雜交互作用會提高變質(zhì)劑的變質(zhì)效果,冷卻速率存在明顯的臨界值,當(dāng)?shù)竭_(dá)臨界速度50℃/s時,與Ti摻雜共同作用,對共晶硅組織細(xì)化效果最好,共晶硅由原來的層片狀變?yōu)槔w維狀。