超声熔体处理对铝硅合金组织及性能的影响

秦新锋+王建东+郭巧琴+李全林

【摘 要】本研究对Al-20%Si 合金进行超声熔体处理，研究超声功率大小和超声处理时间对熔体中初生硅和共晶硅的影响规律，以及显微硬度的变化。研究发现：在720℃进行超声波处理，随着超声功率的增大，初生硅的尺寸均是先减小后增大，同时合金的显微硬度随着初生硅晶粒尺寸的减小而增大。在1150W超声处理40s时，初生硅的尺寸最小为12.8955μm，合金维氏显微硬度达到最大为91.5HV。

【关键词】铝硅合金；超声熔体处理；显微结构；显微硬度

中图分类号： TG292 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）35-0011-002

Effects of Supersonic Melt Treatment on Microstructure and Properties of the Al-Si Alloys

QIN Xin-feng1 WANG Jian-dong2 GUO Qiao-qin3 LI Quan-Lin4

（1.Representative Office in State-owned 616 Factory， PLA， Datong Shanxihui 237011，China；

2.Xian Military Representative Office， PLA， Xian Shaanxi 710032， China；

3.School of Materials & Chemical Engineering， Xian Technological University， Xian Shaanxi 710032， China； 4.Sate-owned 616 Factory， Datong Shanxi 035000， China）

【Abstract】Effects of supersonic power and melt treat times on the microstructure and microhardness of Al-20Si alloys were investigated through supersonic melt treatment. It was found that primary silicon size was decreased with the increase of supersonic powers at 720℃. Meanwhile， the microhardness was increased with the decrease of primary silicon size. The minimμm size of primary silicon was 12.8955 μm and the maxim microhardness of Al-20Si alloy was 91.5Hv when the supersonic power was 1150 W and the melt treat times were 40 seconds.

【Key words】Al-Si Alloy；Supersonic Melt Treatment；Microstructure；Microhardness

0 前言

Al-Si合金为典型的二元共晶组织，共晶點为12.6%，共晶温度为 577℃。室温下只有α（Al）和β（Si）两种相，α（Al）相是Si溶于Al的固溶体，其性能和纯铝相似，Si的最大溶解度是1.65%，室温时只有0.05%；β（Si）相是Al溶于Si的固溶体，性能和纯硅相似。共晶成分在Si12.6%处，亚共晶合金组织由α（Al）+共晶体（α+β）所组成，过共晶合金的组织由β（Si）+共晶体（α+β）所组成[1-3]。当Si含量在1.65%-12.6%之间时，结晶过程中先析出α相，到577℃时，析出（a+β）共晶体。通常把共晶体1中的β相称为共晶Si，它在铸态下，若不经变质处理，呈粗大的片状；共晶和过共晶成分的合金组织中出现的初晶β相称为初晶Si，它在铸态下，若不经变质处理，呈粗大的多角形块状或板状[4-5]。粗大的块状初生Si严重影响Al-Si合金的力学性能，特别是疲劳性能[6-7]。

通过对合金成分、冷却速度、凝固时加外场作用等因素的调节可控制初生相的形貌、尺寸[3-8]。超声波是频率高于 20000 Hz 的声波，它具有穿透能力强、方向性好、易于集中等优点[4-8]。超声波在液体中传播时，与介质之间发生相互作用，使介质内部产生相应的变化，从而产生一系列物理和化学等方面的的变化，称之为超声效应。超声波搅拌法是一种新型的金属半固态制备方法，超声能量的大小及作用时间将对共晶合金初生相的析出产生重要影响。

因此，本研究在Al-20%Si合金熔体中施加超声场，研究超声场的功率大小及作用时间对Al-20Si初生相的析出行为影响，及其显微硬度的影响。

1 实验方法

试验合金以20%Si质量配比，在高频坩埚炉中进行熔炼Al-20Si合金，采用磷盐进行变质，C2Cl6进行除气。在720℃条件下，分别在900 W、1200 W和1500 W超声功率下进行超声熔体处理40S、60S、80S后，浇铸成Ф30 mm的圆棒。采用光学金相显微镜观察合金显微组织，用402MVDTM数显维氏显微硬度计测量合金的显微硬度，采用200gf载荷，保载10秒。并通过连续的金相照片统计分析初生硅的尺寸，使用Image-Pro Plus软件测量其面积，并求平均值及单个初生硅的平均直径尺寸d。

d=2

2 结果与分析

2.1 超声处理对铝硅合金组织的影响

未经超声熔体处理的Al-20Si合金凝固组织如图1所示。可以看出，初生硅成大片的板块状且分布较为集中不均匀，树枝状的共晶硅粗大且分布混乱。endprint

超声功率为900W时不同处理时间下的金相组织如图2所示。可以明显看出经过900W功率下超声处理的组织初生硅得到细化，块状初生硅尖角钝化，圆整程度逐渐增加，尺寸统一变小，且分布的更加均匀，树枝状的共晶硅组织也有碎化的现象。

超声功率为1200W时不同处理时间下的金相组织如图3所示。可以明显看出经过1200W功率下超声处理的组织初生硅得到细化，块状初生硅尖角钝化，圆整程度逐渐增加。图（a）中初生硅较少且尺寸，相比图（b）和图（c）也是最小的，图（b）和图（c）中初生硅的尺寸大小相差不明显，而且60s时初生硅的晶粒个数较多，80s时初生硅变得稀少，所以仅凭宏观的观察还未能发现规律，故还需进行客观的数据分析。

超声功率为1500W时不同处理时间下的金相组织如图4所示。可以明显看出经过1500W功率下超声处理的组织初生硅得到细化，块状初生硅尖角钝化，圆整程度逐渐增加。图4试样的金相照片中初生硅的尺寸同图3和图2相比，明显均有所增大。可能是超声功率过大，溶液内能增大，在凝固时被打碎的枝晶又重新组合，所以初生硅的尺寸有所增大。观察图（a）可以发现，大块状的初生硅刚被打碎，正随着超声振动向周围散开，但是由图（c）可以看到初生硅尺寸增大，可能是处理时间过长，溶液凝固时的结晶潜热过大，导致初生硅的增大。

图5为不同超声功率不同处理时间下的Al-Si合金初生硅尺寸比较。在相同超声处理时间下，随着超声功率的增大，初生硅的尺寸均是先减小后增大，在1200W左右达到最小值，其中超声处理40s时的初生硅平均尺寸最小为12.8955μm，未经超声处理的Al-20Si凝固组织初生Si尺寸约30μm，相比之下超声熔体处理对初生Si的细化效果明显 。在相同超声功率处理下，处理时间为40s，整体初生硅的平均尺寸最小，1200W时，初生硅的尺寸在超声处理40s时的最小为12.8955μm。60s时的初生硅平均尺寸为14.90613μm，比40s时初生硅的尺寸增大了15.6%，从60s到80s时，尺寸增大不明显，仅增大了1.7%。随着超声处理时间的增大，初生硅的尺寸先增大后慢慢趋于稳定，超声振动处理时间较短时， 熔体内部的晶核形成还不充分， 振动搅拌作用还没有把二次及三次枝晶破碎得更为细小， 因此获得的等轴晶区域较小。如果超声波振动处理的时间太长， 则产生发热效应， 导致金属液温度上升， 使原来已经被细化了的枝晶再次重熔， 结果铸锭的结晶组织粗化， 等轴晶区域减少。

2.2 超声处理对铝硅合金性能的影响

图6 为不同超声功率不同处理时间下的Al-Si合金显微硬度比较。可以发现，熔体处理时间一定的情况下，随着超声功率的增大，组织整体的硬度值先增大后减小，在超声功率为1200W，Al-20Si合金出现最大峰值。从1200W到1500W之间硬度值之所以减小是由于功率过大导致溶液内能增大，组织在凝固过程中细小的枝晶重新组合促使初生硅尺寸增大，甚至在其尖锐的棱角处出現裂纹等一些缺陷，力学性能下降，所以硬度值出现下降的趋势。

3 结论

（1）超声熔体处理可显著细化Al-Si合金的初生硅和共晶硅。

（2）超声功率的增大，初生硅的尺寸先减小后增大，合金的显微硬度随着初生硅晶粒尺寸的减小而增大。

（3）在1150W超声处理40s时，初生硅的尺寸最小为12.8955μm，合金维氏显微硬度达到最大为91.5HV。

【参考文献】

[1]安建军，严彪，程光.高性能高硅铝基合金研究展望[J].金属功能材料，2009（4）：50-52.

[2]范金辉，翟启杰.物理场对金属凝固组织的影响[J].中国有色金属学报，2002（12）：11-15.

[3]冯伟骏，谭家荣，李喜孟，等.超声功率对Pb-Sn合金凝固行为的影[J].铸造，2004（5）：376-378.

[5]李军文，桃野正.超声波对铝合金铸锭组织的影响[J].铸造技术，2004（8）：593-595.

[6]李军文，桃野正，付莹.超声波功率对铸锭内的气孔及组织细化的影响[J].铸造，2007（2）：152-154.

[7]Feng H K，Yu S R，Li Y L，et al. Effect of ultrasonic treatment on microstructures of hypereutectic Al-Si alloy[J]. Journal of Materials Processing Technology，2008：330-335.

[8]Das A，Kotadia H R. Effect of high-intensity ultrasonic irradiation on the modification of solidification microstructure in a Si-rich hypoeutectic Al-Si alloy[J].Materials Chemistry and Physics，2011：853-859.endprint