Al-3P变质Al-18Si合金的显微组织与力学性能

杨威，陆晓旺，刘亚，吴长军，王建华，苏旭平

铝硅合金具有低密度，低膨胀系数，高耐磨性等优点，广泛应用于汽车发动机零部件以及航空航天、船舶运输等重要行业[1−4]。过共晶铝硅合金组织中存在针状共晶硅和粗大初晶硅，随硅含量增加，初晶硅尺寸增大，导致合金的综合力学性能下降。为了改善过共晶铝硅合金的显微组织和力学性能，早期以赤磷作为变质剂细化初晶硅，但磷的收得率低并造成环境污染。为此，赵红亮等[5]采用 Al-3.5%P中间合金变质Al-20%Si合金，使合金中的初晶硅变得细小且圆钝化，从而提高该合金的综合力学性能。基于Al-P中间合金对过共晶铝硅合金的良好变质效果，研究人员开发了一系列含磷中间合金[6−8]。ZUO等[8]采用Al-15Si-3.5P对ZL109合金进行变质处理，不仅提高磷的收得率，且变质效果良好；当加入2%的Al-15Si-3.5P中间合金时，初晶硅尺寸由150 μm细化至37 μm。此外，研究表明，稀土元素对过共晶铝硅合金具有变质作用。张瑜等[9]研究表明，磷和稀土复合变质可同时改善过共晶铝硅合金中的初晶硅和共晶硅的形态，显著提高合金的综合力学性能[10−14]。磷和钇对过共晶铝硅合金有明显的变质作用[10]，通过磷和稀土复合变质的过共晶铝硅合金力学性能明显提高[11]。Al-P-RE-Sr可同时细化 Al-30Si合金中的初晶硅和共晶硅，且变质具有长效性，合金力学性能明显提高[12]。Al-P-Ti-TiC-Y多元复合变质剂可改善过共晶铝硅合金的显微组织，提高其力学性能[13]。此外，对过共晶铝硅合金进行适当熔体过热处理也可改善初晶硅的形态[14]。尽管采用含磷复合变质剂对过共晶铝硅合金进行了较多的变质处理研究，但研究者很少注意到变质处理对铝硅合金非平衡共晶点的影响以及由此导致合金显微组织和力学性能的变化。本文用Al-3P作为变质剂对Al-18Si合金进行变质处理，通过不同变质剂含量和不同变质温度下初晶硅面积分数的统计来模拟 Al-Si相图非平衡共晶点移动示意图，并研究Al-3P变质处理对过共晶铝硅合金显微组织与力学性能的影响，对拓展其应用领域具有非常重要的意义和指导价值。

1 实验

1.1 Al-18Si合金制备与变质处理

以纯度为99.7%的A00铝锭和Al-50Si合金为原料制备Al-18Si合金。首先按照Al-18Si的名义成分称量纯铝和 Al-50Si中间合金，装入石墨坩埚，在井式电阻炉中800 ℃温度下进行熔炼，得到质量为5 000 g的Al-18Si合金铸锭。

用Al-3P合金作为变质剂对所得Al-18Si合金进行变质处理。为考察Al-3P变质剂加入量对合金变质效果的影响，取一组质量均为200 g的Al-18Si合金铸锭，在800 ℃进行重熔，在合金液中分别添加0，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%和 1.0%(均为质量分数，下同)的Al-3P合金对其进行变质处理。另取一组质量均为200 g的Al- 18Si合金，分别在750，800和850 ℃温度下进行重熔，加入0.8%的Al-3P中间合金进行变质处理，研究变质温度对变质效果的影响。熔炼过程中，采用m(NaCl):m(KCl):m(Na3AlF6)=6:9:5的复合盐对合金液进行覆盖以减少合金的氧化和烧损，变质处理时间为5 min。变质后采用六氯乙烷对熔体进行除气除渣，然后浇注到内腔直径为12 mm、长度为100 mm的200 ℃金属型中，得到变质后的Al-18Si合金试棒。

1.2 性能检测

在Al-18Si合金试棒底部截取10 mm厚度的金相试样，抛光后采用0.5%HF进行腐蚀，用Leica DIM 3000光学显微镜观察合金腐蚀后的显微组织，利用Image-Pro Plus 6.0软件对合金组织中初晶硅的尺寸和面积分数进行测量和统计分析。用WDW-300万能电子试验机测试 Al-18Si合金的拉伸性能，拉伸试样按GBT228—2002进行设计，尺寸如图1所示。拉伸速率控制在2 mm/min，每种合金拉伸试样为3根，取平均值为最终试验结果。用JSM- 6300LV扫描电镜观察Al-18Si合金的拉伸断口形貌。

图1 Al-18Si合金拉伸试样尺寸Fig.1 The size of tensile Al-18Si alloy sample (Unite: mm)

2 结果与分析

2.1 Al-3P用量

图2所示为未变质的Al-18Si合金与在800 ℃下Al-3P变质处理后的合金金相组织。由图2(a)可见，未变质的Al-18Si合金由粗大初晶硅、少量粗大α-Al相和大量共晶组织组成，初晶硅的平均尺寸为58 μm。由于初晶硅的析出和长大，其周围液相中出现贫硅区，导致α-Al相的形核和长大。从图2(b)～(f)可见，变质处理后，Al-18Si合金组织中的初晶硅明显细化，α-Al相细化，数量有所增加，共晶组织得到细化且数量减少。当Al-3P加入量为0.2%时，变质效果不明显，此时初晶硅颗粒数量增加很少，初晶硅仍较粗大，其平均尺寸为47 μm，如图2(b)所示。随w(Al-3P)增加，初晶硅颗粒数量大幅增加，尺寸明显减小，如图2(c)～(d)所示。随w(Al-3P)进一步增加，初晶硅又发生一定的粗化，如图 2(e)～(f)所示。当 w(Al-3P)为 0.6%时，Al-18Si合金中的初晶硅细化效果最佳，平均尺寸为14 μm。

表 1所列为 Al-18Si合金中初晶硅面积分数随Al-3P变质剂加入量的变化。由表中数据可知，变质处理后的合金中初晶硅面积分数大于未变质的合金。随 w(Al-3P)增加，初晶硅面积分数逐渐增加，当w(Al-3P)为 0.8%时，初晶硅面积分数达到最大值，w(Al-3P)进一步增加时，初晶硅面积分数减少。

针对变质Al-18Si合金中初晶硅面积分数的变化，可利用Al-3P加入量对Al-Si相图非平衡共晶点移动的影响加以合理解释。参考刘靓等[15]关于Al-5Ti-B反向变质处理 Al-18Si合金的变质机理，画出相应的机理解释示意图。当Al-3P加入量小于 0.8%时，Al-3P加入量对 Al-Si相图中非平衡共晶点移动的影响如图3所示。在图3中，C0代表平衡共晶点，C0.2，C0.4和C0.6分别代表w(Al-3P)为0.2%，0.4%和0.6%时所对应的非平衡共晶点位置。由于Al-3P对过共晶铝硅合金具有明显的变质作用，因此变质处理显著影响过共晶铝硅合金液的凝固过冷度，但对亚共晶铝硅合金液的过冷度基本没有影响。当Al-3P加入量较少时，对Al-Si合金液温度的影响较小，此时Al-3P加入量变化对熔体温度的影响及其造成过冷度的变化可以忽略不计，因此亚共晶铝硅合金液的过冷度不发生变化。但Al-3P对过共晶铝硅合金的变质作用导致其过冷度小于亚共晶铝硅合金液的过冷度。随w(Al-3P)增加，可作为初晶硅形核核心的AlP质点数量增多，导致过共晶铝硅合金液的过冷度不断减小，如图3所示。过共晶铝硅合金液过冷度减小，导致非平衡共晶点向左移动的距离增加，根据杠杆定律，Al-18Si合金中初晶硅面积分数增加。

图2 不同Al-3P加入量变质处理的Al-18Si合金金相显微组织Fig.2 Metallographic microstructures of Al-18Si modified with different amount of Al-3P(a) 0; (b) 0.2%; (c) 0.4%; (d) 0.6%; (e) 0.8%; (f) 1.0%

表1 不同Al-3P加入量下Al-18Si合金中初晶硅的面积分数Table 1 Area fraction of primary Si in Al-18Si modified with different amount of Al-3P

图3 Al-3P加入量较少时Al-Si相图非平衡共晶点移动示意图Fig.3 Schematic of non-equilibrium eutectic point variation of Al-Si alloy modified with a smaller amount of Al-3P

当w(Al-3P)大于或等于0.8%时，w(Al-3P)对Al-Si相图中非平衡共晶点移动的影响如图4所示。图中C0代表平衡共晶点，C0.6，C0.8和C1.0分别代表w(Al-3P)为0.6%，0.8%和1.0%时所对应的非平衡共晶点位置。当w(Al-3P)超过0.8%时，对Al-Si合金液温度的影响以及造成的过冷度变化较大，此时必须考虑Al-3P加入量对铝硅合金熔体温度的影响。w(Al-3P)越大，合金液的温度降低越多，从而使其凝固冷却速度降低，由此导致合金液过冷度减小。此外，由于Al-3P的变质作用，导致过共晶铝硅合金液的过冷度远小于亚共晶铝硅合金液的过冷度，如图4所示。因此，当w(Al-3P)由0.6%增加到0.8%时，非平衡共晶点仍然向左移动；但当w(Al-3P)为1.0%时，非平衡共晶点向左移动距离减小，导致C1.0点位于C0.8和C0.6点的右侧。根据杠杆定律，当w(Al-3P)为1.0%时，Al-18Si合金中初晶硅的面积分数减小。

图4 Al-3P加入量较多时Al-Si相图非平衡共晶点移动示意图Fig.4 Schematic of non-equilibrium eutectic point variation of Al-Si alloy modified with a higher amount of Al-3P

2.2 变质温度

图5 所示为w(Al-3P)为0.8%时，在不同温度下变质处理后的Al-18Si合金金相组织。对比图2(a)和图5可见，变质处理后 Al-18Si合金组织中初晶硅颗粒的数量增多，尺寸明显减小。此外，变质后α-Al相细化、数量增加，共晶组织数量有所减少且得到明显细化。当变质温度为800 ℃时，初晶硅颗粒数量最多，尺寸最小，平均尺寸约为15 μm。

当Al-18Si合金在750 ℃熔炼和变质处理时，由于温度较低，熔体中仍存在较多未熔的初晶硅质点，导致液态合金中溶解的硅含量较低，Al-3P的变质处理效果较差，在熔体中虽可形成一定数量的初晶硅，使初晶硅颗粒数量多于未变质合金中初晶硅数量，初晶硅尺寸明显减小，但其尺寸仍然较大。当温度提高至800 ℃时，Al-18Si合金液得到足够程度的过热，此时合金熔体中的初晶硅质点彻底溶解，液态合金中溶解的硅含量基本等于合金的总硅量，因此变质效果增强，凝固后合金中形成大量的细小初晶硅颗粒。当变质温度提高至850 ℃时，虽然合金中可形成大量的细小初晶硅，但由于合金液的温度较高，其对金属型的加热作用增强，导致合金液凝固时冷却速度下降，从而使初晶硅长大的机会增加，初晶硅尺寸增大。

图5 不同温度下加入0.8%Al-3P变质后的Al-18Si合金显微组织Fig.5 Microstructures of Al-18Si alloy modified with 0.8%Al-3P at different temperatures(a) 750 ℃; (b) 800 ℃; (c) 850 ℃

表2所列为w(Al-3P)为0.8%时，在不同温度下变质的 Al-18Si合金中初晶硅的面积分数。由表中数据可知，初晶硅面积分数随变质温度升高而减小。变质温度对Al-Si相图非平衡共晶点移动的影响如图6所示。图中 C0是 Al-Si相图的平衡共晶点，C750，C800和C850分别代表铝硅合金液在750，800和850 ℃变质时所对应的非平衡共晶点位置。随变质温度升高，熔体冷却速度加快，导致其过冷度增加。此外，Al-3P对过共晶铝硅合金具有较大的变质作用，使过共晶铝硅合金的过冷度减小。Al-3P变质与变质温度综合作用的结果使铝硅合金非平衡共晶点向左移动，随变质温度升高，非平衡共晶点向左移动的距离减小。根据杠杆定律，随变质温度增加，Al-18Si合金中初晶硅面积分数减少。

表2 不同温度下Al-3P变质Al-18Si合金中初晶硅的面积分数Table 2 Area fraction of primary Si in Al-18Si modified with Al-3P at different temperatures

图6 不同变质温度下变质铝硅合金非平衡共晶点移动示意图Fig.6 Schematic of non-equilibrium eutectic point variation of Al-Si alloy modified at different temperatures

2.3 力学性能

表3所列为在800 ℃下经0.8%Al-3P变质处理前后Al-18Si合金的抗拉强度和伸长率。从表3看出，未变质的 Al-18Si合金抗拉强度和伸长率分别为 148 MPa和3.2%。经800 ℃变质处理后，合金的力学性能明显提高，抗拉强度和伸长率分别为 174 MPa和6.7%，比变质前分别提高17.6%和109%。将Al-Si合金看做是一种自生复合材料，其中硅相为增强相。根据复合材料的强韧化理论[16]，随增强相体积分数增加，复合材料的抗拉强度增大，伸长率随增强相增加而降低。对过共晶铝硅合金来说，经Al-3P变质后，合金中初晶硅面积分数明显增加，导致铝硅合金的抗拉强度明显提高。如图2所示，由于Al-3P变质处理后 Al-18Si合金中初晶硅得到极大的细化，且发生了明显的钝化，从而减少了其对基体的割裂作用，使合金的伸长率得到明显改善。

表3 0.8%Al-3P变质前后Al-18Si合金的力学性能Table 3 Mechanical properties of Al-18Si alloys before and after modification

图7所示为没有经过变质处理的Al-18Si合金及其在800 ℃经过0.8%Al-3P变质后的拉伸断口形貌。由图7(a)看出，未变质的Al-18Si合金拉伸断口中韧窝尺寸很大，粗大的韧窝内可见断裂的初晶硅颗粒，此外，断口上存在较少的粗大撕裂棱，断口呈明显的脆性断裂特征。从图7(b)可见，经过变质处理后，Al-18Si合金拉伸断口中存在大量细小的韧窝，撕裂棱数量多且非常细小。只在一些较大的韧窝中才能看到细小初晶硅颗粒断裂的痕迹，合金的拉伸断口呈明显的韧性断裂特征。

图7 经Al-3P变质处理前后Al-18Si合金的拉伸断口形貌Fig.7 Tensile fracture morphologies of Al-18Si alloy before and after Al-3P modified

3 结论

1) 用Al-3P作为变质剂对Al-18Si合金进行变质处理后，初晶硅的尺寸变小，面积分数增加。

2) 变质温度为800 ℃时，随Al-3P用量增加，初晶硅尺寸先减小后增大。Al-3P加入量为0.6%时初晶硅细化效果最好，平均尺寸为14 μm。随变质剂用量增加，初晶硅面积分数先增加后减小，当Al-3P加入量为0.8%时，初晶硅面积分数达到最大值14.4%。

3) 当Al-3P加入量为0.8%时，随变质温度升高，Al-18Si合金中初晶硅面积分数减小，而初晶硅尺寸先减小后增大，变质温度为800 ℃时，Al-18Si合金中初晶硅尺寸最小，平均尺寸为15 μm。

4) 与未变质的Al-18Si合金相比，在800 ℃加入0.8%Al-3P变质处理后，Al-18Si合金的抗拉强度和伸长率分别提高17.6%和109%，合金拉伸断口呈现明显的韧性断裂特征。

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