不同Sr加入量对Al-Si合金组织的影响

姜　珊，赵忠兴，张显飞，孙金根

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159)



不同Sr加入量对Al-Si合金组织的影响

姜珊，赵忠兴，张显飞，孙金根

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳 110159)

摘要：研究不同Sr添加量对Al-Si合金组织的影响，以含硅7%、9%、12%的Al-Si合金为研究对象，分别加入0.01%、0.03%、0.05% Sr变质剂，利用热分析法和金相组织观察研究了不同Sr添加量对几种合金组织的影响。结果表明，近共晶含硅12%的铝硅合金随Sr添加量的增加，共晶硅细化越来越显著，共晶平台温度递减。对于含Si7%、9%的Al-Si合金，加Sr后共晶组织明显细化，共晶平台下降幅度较大，ΔTEG值较大。

关键词：铝硅合金；Sr变质；显微组织；热分析

铝硅合金由于具有密度低、比强度高、热膨胀系数小、耐磨耐蚀性能好等优点，因而在航空、航天、汽车以及机械等领域被广泛应用。但是随着硅含量的增加，针状以及粗片状的硅相严重影响了合金的力学性能，这在一定程度上限制了铝硅合金的广泛应用[1]。变质处理能有效改善合金组织，提高铝硅合金的力学性能[2-3]。Sr对共晶和亚共晶Al-Si合金有较好的变质作用，且具有长效性，重熔性好，不腐蚀炉衬，不污染环境等优点。因而，锶变质处理在近些年来得到迅猛发展[4]。对于变质效果的炉前检测，热分析法因其快速、方便、准确等特点已被越来越广泛的应用[5]。评价铝硅合金变质效果的热分析参数有多种，目前国内外对铝合金共晶变质的热分析研究主要是用变质前后共晶温度的差值ΔTEG作为热分析判据，此判据对测量精度的依赖性相对较小，准确度很高，通过采集未变质合金和变质合金的冷却曲线即可确定ΔTEG。本试验以ΔTEG作为检测合金变质效果的评价标准。

目前对变质剂Sr添加量的不同在铝硅合金组织上产生的影响研究较少，关于铝合金中不同Si含量对Sr变质效果的影响更有待深入研究。本文以Al-10%Sr中间合金作为变质剂，利用自主研发的热分析仪，采集合金冷却曲线，观察其共晶平台温度差值，并结合金相组织形貌，研究添加不同含量的Sr变质剂对含硅量分别为7%、9%、12%的Al-Si合金组织产生的影响，同时探讨合金中硅含量对Sr变质效果的影响。力求寻找最合适的铝硅合金变质工艺方案。

1试验材料与方法

1.1试验合金

试验原料为99.9%(质量分数，下同)的纯铝、Al-12%Si中间合金、Al-50%Cu中间合金、Al-10%Mn中间合金、Al-5%Ti中间合金、纯Mg，变质剂Sr以Al-10%Sr中间合金的形式加入。将各原料按所需含量配制熔化，化学成分如表1所示。

表1　铝合金化学成分　%

1.2试验工艺

将已经配制好的合金放入7.5kW电阻坩埚中，进行熔化。将熔化温度设定为750℃。变质剂加入温度740℃，每种合金加变质剂Sr量为0、0.01%、0.03%、0.05%，保温时间1h。试样浇注温度控制在710℃左右，以匀速浇注到已预热好的专用样杯中。利用自主研发的SGJ-II型热分析仪，采集合金在样杯中的温度随时间变化的冷却曲线。金相分析样品取自浇注的热分析试样底部。将截取好的试样进行磨制、抛光后用0.5%HF水溶液腐蚀，利用蔡司Axiovert200 MAT金相显微镜进行金相组织观察，并对照热分析曲线分析变质效果。

2试验结果与分析

2.1Sr变质对冷却曲线的影响

图1、图2、图3为热分析仪自动实测未变质处理及变质后各合金的冷却曲线。变质剂Sr加入量分别为0、0.01%、0.03%、0.05%。图4为合金中Sr加入量与ΔTEG的对应关系。

大量研究表明变质剂的加入使Al-Si合金共晶温度降低，变质前后共晶温度的差值ΔTEG可以用来评价变质效果的好坏[6]，ΔTEG也称为共晶过冷度。由图1可知，含Si 7%的合金中，加Sr后共晶平台下降，共晶生长温度降低。加0.01% Sr时ΔTEG为4.1℃；加0.03% Sr时共晶过冷度继续增大；但加入0.05% Sr时共晶温度反弹，共晶平台没有继续下降。含硅7%的合金中共晶硅析出有限，当加入0.03% Sr时共晶硅基本全部析出，结晶潜热释放完全，ΔTEG增大如图4所示。当继续增加Sr含量时，共晶硅没有更多析出，结晶潜热的释放没有更多，因此共晶温度没有继续降低，ΔTEG没有增大，而是稳定在某个值附近。如图2含9% Si合金加Sr后共晶平台显著下降，ΔTEG达到8.9℃，之后加大Sr量，共晶平台没有继续大幅度下降，反而比加0.01% Sr时有所回升。如图3所示，对于近共晶成分含硅12%的铝硅合金随Sr加入量增多，共晶平台逐渐下降，ΔTEG越来越大，可见变质效果越来越好。

图1　含Si 7%的铝硅合金加Sr变质前后的冷却曲线

加入相同含量的Sr变质剂，对于Si含量较多的合金，析出共晶硅自然更多，结晶潜热的释放更多，共晶过冷度更大。由于试验存在误差，含Si 12%的Al-Si合金在加入0.01% Sr时ΔTEG较小，出现误差。但整体趋势可知，随Sr加入量增多，共晶生长温度稳步降低。

图2　含Si 9%的铝硅合金加Sr变质前后的冷却曲线

图3　含Si 12%的铝硅合金加Sr变质前后的冷却曲线

图4含Si 7%、9%、12%的合金中Sr加入量与ΔTEG的对应关系

2.2Sr变质对合金显微组织的影响

图5为不同成分的铝硅合金中未加变质剂及分别加入0.01%、0.03%、0.05% Sr变质剂后合金的显微组织。由图5可看出，在未变质的情况下，含硅7%、9%、12%的铝硅合金中Si相呈粗大针状及板片状，并有少量块状初生Si。合金中Cu、Mg元素生成Mg2Si和Al2Cu相，同时还有W相(AlxCu4Mg5Si4)。其中，近共晶成分含硅12%的合金中由于硅含量较高，共晶组织粗大且较多，并有多角形块状初晶硅出现，铝枝晶被严重割裂。含硅7%、9%的合金中均有较粗大的铝枝晶。加Sr变质后，铝相得到细化变为树枝状。硅相由针、片状转变为纤维状或棒状。

(a)(120)Si7%无Sr

(b)(121)0.01%Sr

(c)(122)0.03%Sr

(e)(130)Si9%无Sr

(f)(131)0.01%Sr

(g)(132)0.03%Sr

(h)(133)0.05%Sr

(i)(140)Si12%无Sr

(j)(141)0.01%Sr

(k) (142)0.03%Sr

(l)(143)0.05%Sr

对于含硅7%的合金组织，当加入0.01% Sr时共晶硅形貌明显变化，部分硅相由针状转变为短纤维状，但仍有相当数量的细针状硅相。随着Sr含量继续增加，当加入0.03% Sr和0.05% Sr时共晶硅继续向纤维状转变，并出现颗粒状，变质完全。热分析法也检测到加入变质剂后，共晶生长温度明显下降，见图1。

含硅9%的合金组织，当加入0.01% Sr时，铝枝晶和硅相都开始细化。部分硅相变为纤维状，少部分为针状。枝晶变质前形态和位向都比较零乱，当加Sr后枝晶粒化成等轴晶。加入0.03% Sr后，共晶硅变短呈颗粒状，铝枝晶进一步细化。此时变质效果良好。加入0.05%Sr后，共晶硅长度却有所增加，铝枝晶开始粗化。共晶平台没有继续下降。可见，对于含Si 9%的Al-Si合金加0.03% Sr时变质效果较好。

含硅12%的合金加入0.01% Sr时共晶硅细化为纤维状，随着Sr的添加量逐渐增大，纤维状共晶硅越来越细小，同时也有颗粒状呈现。由金相图可知，当Sr加入0.05%时变质效果最好，获得完全变质组织，共晶硅转变为细小颗粒状。此时热分析特征值ΔTEG最大。由此可见，近共晶成分的Al-Si合金随着Sr加入量的增多变质效果越来越好。但有研究表明合金中加入过多的Sr也会带来不利影响，Sr加入量越多，合金吸氢越严重，导致合金产生针孔倾向增大，同时合金中生成锶化物，这些都会使合金塑性降低[7]。因此，在保证合金充分变质的前提下，Sr的加入量要尽可能小，加0.05% Sr对于含Si 12%的合金较适宜。

关于Sr变质的机理问题到目前为止仍有较多争论，主要有TPRE机制、Zigzag孪晶生长模型、杂质诱导孪晶理论等[8]。其中TPRE机制更为人们所接受。向铝硅合金中加入Sr后，由于Sr在α-Al中溶解度很低，Sr原子吸附在共晶硅片的固有台阶上，当达到一定浓度时，将阻碍Si以台阶生长机制长成片状，系统会过冷到足以克服这一障碍的温度，直至产生硅晶体生长的另一有利机制TPRE[9]。这就导致共晶过冷度增大[10]。Sr原子在Si相表面的吸附改变了Si原子的堆积次序，孪晶晶界能降低，从而在Si晶体中造成大量孪晶的产生，共晶Si转而以孪晶凹角机制生长。随着Sr含量的逐步增加，共晶Si以孪晶生长的比例也随之增加，Si生长取向不断变化，生长分支，形成纤维状的共晶硅组织[8]。

由本次试验结果可知，Sr变质剂的加入量存在一个最佳范围，对于Si含量不同的合金，Sr的变质效果存在差异。通常来说，对于亚共晶及共晶铝硅合金，当加入0.01% Sr变质剂时，共晶硅会明显变化，但不完全，部分仍为针状、片状共晶硅，这是因为Sr添加量不够，发生不完全变质。加入0.03%Sr可以达到良好的变质效果，能够细化共晶硅，使其由板片状或针、片状转变为纤维状或颗粒状。热分析仪得到的热分析参数也进一步证实了随Sr加入量的不同共晶平台的降低不同。

2.3合金中硅含量对Sr变质的影响

由金相图可知，含硅7%、9%、12%的Al-Si合金对Sr变质的敏感度不完全相同。含硅量少的7%Al-Si合金中共晶体也相对较少，硅相呈针、片状，加0.05% Sr变质效果较好，能够充分变质。但对于硅含量9%Al-Si合金，若达到以上变质效果需加0.03% Sr，当加入0.05% Sr时，出现过变质现象。接近共晶成分的含硅12%的Al-Si合金随着Sr加入量升高变质效果越来越好，当加入0.05% Sr时，变质完全。

可见，对于含硅7%～12%的亚共晶及共晶Al-Si合金，在加入相同含量Sr时，Si含量越多的合金变质效果越明显。

3结论

(1)对于近共晶铝硅合金，随Sr量不断增加，共晶硅由针片状逐渐细化为纤维状或颗粒状。热分析特征参数ΔTEG与变质效果有密切关系，其逐渐增加也证实了变质效果越来越好。

(2)对于含Si 7%、9%的合金，加Sr后组织

细化显著，共晶温度下降幅度较大。但对金相形貌及热分析特征参数ΔTEG进行分析可知，当加入0.05% Sr时发生过变质，共晶温度之差ΔTEG减小，加0.03% Sr时变质效果最佳。

(3)利用变质前后共晶生长温度之差作为热分析特征值可有效判断变质效果。

参考文献：

[1]李小松,蔡安辉,罗云,等.不同Sr添加量对Al-20%Si合金组织和性能的影响[J].铸造,2009,58(8):831-835.

[2]李双寿,唐靖林,曾大本.亚共晶铝硅合金锶变质处理的孕育和衰退[J].铸造,2005,54(4):344-347.

[3]Han Y,Samuel A M,Doty H W,et al.Optimizing the tensile properties of Al-Si-Cu-Mg 319-type alloys:Role of solution heat treatment[J].Materials & Design,2014,58(6):426-438.

[4]米国发,文涛,龚海军.Al-Si合金Sr变质研究现状[J].航天制造技术,2006(4):49-52,58.

[5]刘云,杨晶,侯击波,等.微分热分析法在铝合金变质处理上的应用[J].铸造,2003,52(1):66-69.

[6]熊红玲,吴树森,袁文文,等.ZL104铝合金变质等级与变质效果的热分析研究[J].热加工工艺,2007,36(5):28-30.

[7]Chaff G,Backerud L.Factors Affecting Modification of A1-Si Alloys by Adding Sr-Containing Master Alloys[J].AFS Transaction,1992(100):847-1733.

[8]潘彦鹏,张志峰,李豹,等.Sr变质对Al-6Si-3Cu-0.3Mg合金共晶Si形貌的影响[J].特种铸造及有色合金,2015,35(3):321-324.

[9]熊红玲.亚共晶铝硅合金变质效果热分析研究[D].武汉：华中科技大学,2007.

[10]王海东,杨必成,田战峰,等.Sr变质对AlSi6Mg2半固态铝合金组织和性能的影响[J].热加工工艺：铸锻版,2006,35(1):7-9,12.

(责任编辑：马金发)

Effects of Sr Addition on Microstructures of Al-Si Alloys

JIANG Shan,ZHAO Zhongxing,ZHANG Xianfei,SUN Jingen

(Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China)

Abstract：The effects of different Sr addition on the organization of Al-Si alloy is studied,silicon 7%,9% and 12% of Al-Si alloys are targeted,which are added with 0.01%,0.03%,0.05% Sr modificator.Using the thermal analysis and optical microscopy the effect of different Sr addition on several alloy is studied.The results showed that nearly 12% of silicon eutectic aluminum-silicon alloy increases the added amount of Sr and,eutectic silicon refinement is more and more significant,the eutectic temperature decreases.For Al-Si alloy containing Si7%,9% of it,after adding Sr eutectic obviously refined ,eutectic platform decreased greatly,ΔTEGwas larger.

Key words：Al-Si alloy;strontium modification;microstructure;thermal analysis

中图分类号：TG456.6

文献标志码：A

文章编号：1003-1251(2016)02-0100-04

作者简介：姜珊(1990—)，女，硕士研究生；通讯作者：赵忠兴(1963—)，男，教授，博士，研究方向： 铝液净化及检测等。

收稿日期：2015-06-11