Al-5Ti-B对过共晶Al-18Si合金的变质效果

刘靓，李凯良，刘亚，吴长军，苏旭平，王建华



Al-5Ti-B对过共晶Al-18Si合金的变质效果

刘靓，李凯良，刘亚，吴长军，苏旭平，王建华

(1. 常州大学江苏省光优科学与工程协同创新中心，常州 213164；2. 常州大学江苏省材料表面科学与技术重点实验室，常州 213164)

采用Al-5Ti-B变质剂对过共晶Al-18Si合金进行反向变质处理，用光学显微镜观察合金的组织与形貌，研究变质剂加入量、变质温度和冷却速度对初晶硅的尺寸、形态和面积分数以及共晶组织的影响。研究表明：当Al-5Ti-B加入量(质量分数)为0.3%时，变质处理后Al-18Si合金中的初晶硅和共晶硅尺寸明显减小，初晶硅的面积分数减小；与其相比，变质剂加入量增加到0.6%时，初晶硅尺寸变化不明显，但共晶硅进一步细化；随冷却速率降低，变质处理后Al-18Si合金中初晶硅相的数量减少，但Si颗粒尺寸明显增大，并且共晶硅细化；与Al-18Si合金在720 ℃变质相比，该合金在780 ℃变质处理时，初晶硅的尺寸增大，但初晶硅的面积分数显著减小；合金在850 ℃变质处理后初晶硅的尺寸、面积分数都比720 ℃变质处理后明显减小；随变质温度升高，Al-Si合金中的共晶硅明显细化。

过共晶铝硅合金；初晶硅；共晶硅；反向变质；变质机理

硅含量(质量分数，下同)为17%~26%的过共晶铝硅合金，由于其密度和线膨胀系数较小、体积稳定性和耐磨性好，是一种十分理想的发动机活塞材料，得到广泛应用[1−2]。在没有经过特别处理的过共晶铝硅合金中，初晶硅呈粗大的板片状、五瓣星状或多角形块状，共晶Si呈粗针状。这种粗大的初晶硅组织会严重割裂基体，使合金的铸造性能和力学性能恶化，所以，在使用前必须对合金中的硅相进行有效的细化处理。目前，细化过共晶铝硅合金中的硅相的方法有超声波振动[3]、压力铸造[4]、旋转磁场搅拌[5]、高低温熔体相混[6]、快速凝固[7]和变质处理[8]等。变质处理因操作容易、成本较低以及能改善金属其它方面的性质而得到广泛应用。含磷元素的磷类变质剂对过共晶铝硅合金中的初生硅有很好的变质效果，但磷变质剂的缺点是吸气氧化量较大、变质温度较高和污染环境等[9]。稀土是过共晶铝硅合金的一种优良变质剂，但当操作不当时，稀土产生较大的氧化烧损，还可能产生高熔点的偏聚物沉降[10]。王建华等[11]采用Al-5Ti-B中间合金对亚共晶ZZnAl4Y锌合金进行反向变质处理，得到具有过共晶组织特征的ZZnAl4Y压铸锌合金。所谓反向变质处理，就是采用铝合金的变质剂Al-5Ti-B中间合金对不具备初晶α-Al相的亚共晶ZZnAl4Y锌合金(该合金中(Al)为4.0%左右，成分位于共晶点4.3% Al以左，凝固组织为初晶η-Zn和共晶组织)进行变质处理。经过反向变质处理后，合金中的初晶η-Zn相变为初晶α-Al相。由于初晶α-Al相属于面心立方结构相，在锌合金中是一种强化相且塑性较好，初晶α-Al铝相增多不但提高锌合金的硬度和强度，而且显著提高锌合金的塑性和韧性。至今为止，还没有对过共晶铝硅合金进行反向变质处理的研究报道。为此，本文作者采用Al-5Ti-B中间合金为变质剂，对过共晶Al-18Si合金进行反向变质处理，以促进α-Al相的形核与生长，达到抑制初晶硅生长的目的。研究变质剂加入量、变质温度和冷却速度对初晶硅尺寸、形态和面积分数以及共晶组织的影响。

1 实验

用牌号为L1的工业纯铝和Al-50Si中间合金为原料，采用熔炼法制备Al-18Si合金，用Al-5Ti-B中间合金作为变质剂对该合金进行反向变质处理。

首先将工业纯铝和Al-50Si中间合金装入石墨坩埚，放置在井式电炉中进行熔炼，在设定温度下保温30 min，采用ZnCl2对合金液进行精炼处理。然后，将Al-5Ti-B中间合金加入Al-18Si合金液中进行反向变质处理，最后将变质处理后的Al-18Si合金液分别浇注到模温为100 ℃和200 ℃、内径为12 mm、高为100 mm的金属模具中，得到过共晶Al-18Si合金棒材。Al-18Si合金的熔炼温度和变质剂加入量列于表1。

在离Al-18Si合金试棒底部10 mm处向上截取高度为6 mm的试样，对截取的试样进行机械打磨、抛光和腐蚀，腐蚀液为质量分数为0.5%的HF水溶液。采用LEICA DMI 3000M金相显微镜对腐蚀后的试样进行显微组织分析，并利用Graphic软件对合金中的初晶硅尺寸进行定量分析，用Image-Pro Plus 6.0软件对初晶硅的面积进行定量统计，计算其面积分数。

表1 Al-18Si合金的熔炼温度和Al-5Ti-B变质剂的添加量

2 结果与分析

2.1 Al-5Ti-B用量

图1所示为熔炼温度为720℃，金属型温为100℃条件下制备的Al-18Si合金及其经过反向变质后的显微组织。由图1可见，未变质的Al-18Si合金中初晶硅非常粗大，添加0.3%的Al-5Ti-B变质剂进行变质处理后，初晶硅尺寸明显减小，且初晶硅的面积分数减少，说明反向变质对初晶硅的生长具有抑制作用；但随变质剂加入量从0.3%增加到0.6%，初晶硅的尺寸和面积分数变化都不大。表2所列为变质剂加入量对Al-18Si合金中初晶硅面积分数的影响，可见初晶硅的面积分数对变质剂加入量的变化不太敏感。

图1 Al-5Ti-B720℃变质处理前后Al-18Si合金的显微组织

表2 变质剂加入量对Al-18Si合金中初晶硅面积分数的影响

依据压铸锌铝合金反向变质原理[11]，当向亚共晶锌铝合金液中加入Al-5Ti-B变质剂时，促使共晶点向左移动，从而抑制先共晶锌相的析出，同时合金中出现初晶铝相；另一方面，Al-Si合金存在伪共晶区，当冷却速率达到一定值时，过共晶成分的Al-Si合金出现共晶或亚共晶组织。本研究中，Al-5Ti-B对过共晶铝硅合金的变质机理也可通过此原理加以解释。图2所示为Al-5Ti-B变质处理对Al-Si合金相图的理论影响示意图，其中0表示Al-Si合金的平衡共晶点，m表示反向变质处理后的理论共晶点。由图2可见：在非平衡凝固条件下，由于冷却速率较快，合金凝固时产生较大的过冷度，从而造成液相线温度和共晶凝固温度下降；由于伪共晶区的存在，当过冷度较大时，接近共晶成分的过共晶Al-Si合金凝固后得到亚共晶组织，也可使偏离共晶成分较远的过共晶Al-Si合金凝固而得到共晶组织；当未对Al-Si合金进行变质处理时，非平衡凝固条件下产生较大的过冷度；当用Al-5Ti-B对Al-Si合金液进行反向变质处理时，由于过冷度减小，使得亚共晶合金的非平衡液相线和非平衡共晶温度提高。向Al-18Si过共晶铝硅合金液中加入Al-5Ti-B变质剂，使Al-Si二元合金相图中的共晶点右移，依据杠杆定律，合金凝固后共晶组织的质量分数增加、初晶硅的质量分数减小。反向变质处理抑制初晶硅的形成与生长，使初晶硅的尺寸减小。但由于合金液的过热温度不高，增加Al-5Ti-B变质剂的用量不能使合金凝固的过冷度进一步增大，Al-Si合金的共晶点基本不发生变化，因此，Al-5Ti-B加入量对初晶硅尺寸基本没有影响。

由图1可见：经过反向变质处理后，合金中的共晶硅也发生很大变化。未变质处理的Al-18Si合金中共晶硅呈粗大针片状，经过反向变质处理后，针片状共晶硅变短变细，且变质剂加入量越大，共晶硅的细化效果越好。这是因为向Al-Si合金熔体中加入Al-5Ti-B变质剂后，促进了α-Al的形核，并使其生长受到限制，从而使共晶组织细化。随变质剂加入量增加，α-Al的形核数量增多，共晶组织进一步细化。

图2 Al-5Ti-B变质处理对Al-Si合金相图的影响示意图

2.2 冷却速率

图3所示为Al-18%合金在850 ℃下加入0.6%的Al-5Ti-B进行变质处理，分别浇铸到100 ℃和200 ℃模温的金属型中的金相组织，表2所列为合金组织中初晶硅的面积分数。从图3可见，在其它条件相同时，随金属型温度升高，即合金液的冷却速率降低，Al-18Si合金中初晶硅相的数量减少，但Si颗粒尺寸明显增大。这主要是因为合金液凝固时的冷却速率越小，合金液的凝固时间越长，初晶硅充分长大，所以，初晶硅的尺寸变大。

通过分析与计算，金属型温分别为100 ℃和 200 ℃时Al-18Si合金组织中的初晶硅相的面积分数分别为9.314%和7.364%，即金属型温度为200 ℃时Al-18Si合金组织中的初晶硅相的面积分数反而更小。这说明合金液凝固时的冷却速率越小，Al-5Ti-B变质剂对合金液中初晶硅生长的抑制作用越强。对于冷却速率对变质Al-18Si合金中初晶硅的面积分数的影响，可用图4所示理论共晶点的变化来解释。图4中表示Al-18Si的平衡共晶点，100和200分别表示金属型温度为100 ℃和200 ℃时的共晶点。从图4可知：对于经过相同变质处理的Al-Si合金，当金属型温度不同时，由于铝硅合金液凝固时的冷却速率不同，导致变质处理后Al-Si合金的非平衡共晶点发生变化；金属型温度越高，则合金液冷却速率越小，过冷度相应减小，共晶点向右移动越多，根据相图的杠杆定律，Al-18Si合金中初晶硅的质量分数越小时，出现金属型温越高，Al-18Si合金组织中的初晶硅相的面积分数反而越小的结果。

图3 金属型温度对Al-18Si合金显微组织的影响

图4 平衡与非平衡铝硅二元素相图示意图

此外，由图3可见：随金属型温度升高，Al-18Si合金凝固组织中的共晶硅更加细小。这主要是因为随金属型温度升高，Al-18Si合金液的冷却速率变慢，合金液中的硅原子有足够的时间扩散到正在长大的初晶硅上，使得合金液中的Si含量降低，导致凝固组织中的共晶硅更加细小。本文的研究结果与文滔等[12]的研究结果一致。

2.3 变质温度

变质处理温度是影响合金变质效果的1个重要工艺参数[13−14]。图5所示为在不同熔炼温度下添加0.6%的Al-5Ti-B中间合金进行变质处理，然后浇注到模温为100 ℃的金属型中得到的Al-18Si合金的显微组织。由图5可见：Al-18Si合金在850 ℃熔炼变质后凝固组织中的初晶硅最细。合金在780 ℃熔炼变质后凝固组织中的初晶硅颗粒数量最少，但颗粒尺寸最大。

表3所列为图5所示变质处理Al-18Si合金显微组织中初晶硅的面积分数与未变质Al-18Si合金的比较，由表3可见：与未经变质处理的过共晶铝硅合金相比，经过变质处理的合金组织中的初晶硅面积分数显著减小；随变质处理温度升高，初晶硅的面积分数先急剧减小，后小幅增大，在780 ℃熔炼变质时，Al-18Si合金中初晶硅的面积分数最小。因此，从初晶硅的面积分数来看，Al-18Si合金在780 ℃熔炼变质时的效果最好。若从初晶硅颗粒尺寸看，则Al-18Si合金在850 ℃熔炼变质时的效果最好。总之，Al-18Si合金熔炼变质温度较高时，Al-5Ti-B对该合金的变质效果更好。

图5 变质温度对Al-18Si合金凝固组织的影响

表3 熔炼/变质温度对Al-18Si合金中初晶硅面积分数的影响

变质温度对Al-18Si合金中初晶硅尺寸的影响可从以下2方面来解释：一方面，熔炼温度越高，Al-18Si合金中的初晶硅溶解越充分，残留的未熔硅颗粒尺寸越小，凝固后合金中初晶硅的尺寸较小；另一方面，熔炼变质温度越高，则合金液的过热度越大，对金属型的预热越充分，导致其冷却能力下降，合金液在低于其液相线温度以下的凝固速率降低，初晶硅生长加快，导致初晶硅尺寸增大。当熔炼温度在720 ℃时，由于Al-18Si合金中有许多粗大的未溶初晶硅颗粒，也由于预热金属型的冷却能力有限，使得合金中初晶硅的尺寸较大；当熔炼温度升高到780 ℃时，虽然Al-18Si合金中初晶硅的溶解较好(未溶解的硅颗粒的尺寸仍较大)，但由于此时预热金属型的冷却能力降低，使得合金中初晶硅的尺寸反而增大；当熔炼温度为850 ℃时，虽然预热金属型的冷却能力显著降低，但由于Al-18Si合金中初晶硅的溶解较充分，未溶硅颗粒尺寸非常小，使得合金中初晶硅的尺寸明显减小。

熔炼变质温度对Al-18Si合金中初晶硅的面积分数的影响，也可以依据Al-Si相图中共晶点的变化进行分析。与780 ℃熔炼Al-18Si合金相比，当合金的熔炼温度为720 ℃时，合金液中存在许多未溶的硅质点，此时过共晶铝硅合金液凝固时的过冷度大幅度减小，导致Al-Si合金体系非平衡共晶点明显左移，依据杠杆定律，Al-18Si合金凝固组织中初晶硅的质量分数显著增加。当合金的熔炼温度为850 ℃时，虽然合金液中仅存在极少量未溶的硅质点，但由于金属型的温度升高，使Al-18Si合金液冷却速度降低、凝固时的过冷度也略有减小，最终导致合金体系的非平衡共晶点反而轻微左移，因此，Al-18Si合金凝固组织中初晶硅的面积分数略有增加。

当Al-18Si合金液中加入0.6% Al-5Ti-B进行变质处理后，由于变质处理使铝硅合金体系的非平衡共晶点右移，因而Al-18Si合金凝固组织中初晶硅的面积分数下降，见表3。

此外，由图5可见：当熔炼温度较高时，共晶组织更细小。这主要是因为合金液温度较高时，金属型得到预热而温度升高，此时合金液凝固时的冷却速率下降。因此，合金中的初晶硅充分长大，使剩余液相中的硅含量下降，导致共晶硅细化。本文的研究结果与文滔等[12]的研究结果一致。

3 结论

1) Al-18Si合金经Al-5Ti-B变质后，初晶硅的尺寸和面积分数都减小，但对变质剂加入量不敏感；随变质剂加入量增加，合金中的共晶硅尺寸更细小。

2) 当铸型温度较高时，变质处理Al-18Si合金中初晶硅尺寸增大，但初晶硅的面积分数降低，此时共晶硅的尺寸更细小。

3) Al-18Si合金的熔炼变质温度越高，抑制合金中初晶硅生长的能力越强，同时Al-Si合金中的共晶硅明显细化。

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(编辑 汤金芝)

Effect of Al-5Ti-B alloy on hypereutectic Al-18Si alloy modification

LIU Liang, LI Kailiang, LIU Ya, WU Changjun, SU Xuping, WANG Jianhua

(1. Jiangsu Collaborative Innovation Center of Photovoltaic Science and Engineering, Changzhou University, Changzhou 213164, China;2. Key Laboratory of Materials Surface Science and Technology of Jiangsu Province, Changzhou University, Changzhou 213164, China)

Hypereutectic Al-18Si alloy was modified through reverse modification treatment using Al-5Ti-B master alloy. The effects of adding amount of Al-5Ti-B, modification temperature and cooling rate on the size, morphology and area percentage of primary Si were investigated by optical microscopy. The results show that when addition mass fraction of Al-5Ti-B is 0.3%, the sizes of primary Si and eutectic Si in Al-18Si alloy decrease significantly, and the area percentage of primary Si also decreases. With the increase of the addition amount of Al-5Ti-B, there is few changes in the size of primary Si, but eutectic Si can be refined obviously. With the decrease of cooling rate, the size of primary Si increases, but the area percentage of primary Si and the size of eutectic Si decrease. Compared with the Al-18Si alloy modified at 720 ℃, the size of primary Si increases when Al-18Si alloy is modified at 780 ℃, but the area percentage of primary Si decreases obviously.When Al-18Si alloy is modified at 850 ℃, both the size and area percentage of primary Si increase remarkably compared with those modified at 720 ℃. Furthermore, with the increase of modification temperature, the eutectic Si in Al-18Si alloy is refined significantly.

hypereutectic Al-Si alloy; primary silicon; eutectic silicon; reverse modification; modification mechanism

TG 292

A

1673−0224(2016)01−59−06

国家自然科学基金资助项目(51571039)

2015−02−27；

2015−05−25

王建华，教授，博士。电话：15961165336；E-mail: wangjh@cczu.edu.cn