B对过共晶Al-25%Si合金组织和力学性能的影响

鲁 毅，石为喜，汤梦超，阙威威，李佳露，李晓晨，赵 帅

(辽宁科技学院 冶金工程学院，辽宁 本溪 117004)

过共晶铝硅合金有着许多的优点，比如良好的耐磨性、耐腐蚀性能、优良的导热性及体积稳定性等而倍受人们关注[1-2]。过共晶铝硅合金也存在诸多缺点，未变质的合金中初晶硅组织粗大、分布不均匀等[3]，初晶硅大多数是以粗糙的板片状和多角状等不规则形状存在，对基体有着不良的影响。影响过共晶铝硅合金性能主要有两方面因素，其一是化学成分组成；其二是初晶硅的形态、大小及分布情况[4]。未经细化处理的过共晶铝硅合金在使用过程受到很大的局限性。

近些年来，研究人员在B对亚共晶铝硅合金和共晶铝硅合金变质处理方面取得了很多的研究成果，王丽等[5]研究了硼对亚共晶铝硅合金的细化作用，在她的研究过程中发现在α(Al)的中心处存在着被一层花瓣状物质覆盖着的十四面体化合物，经检测该十四面体化合物为AlB2，花瓣状物质为硅元素，AlB2和Si组成的复合相在α(Al)的结晶过程中起到了异质核心的作用。武玉英、刘相法等[6-7]在研究硼细化共晶和近共晶铝硅合金变质效果时，发现B在Al-Si合金熔体中与Al、Si、Ca、Mg等元素的反应生成物能够作为初晶硅的异质形核核心。

截至目前，研究硼元素对过共晶铝硅合金的影响鲜有报道。庞金辉等[8]研究了B对过共晶Al-20Si合金初晶硅的细化作用，研究发现经过B变质后的初晶硅明显细化，加入B变质后，可使初晶硅从粗糙的板片状变成颗粒状，整体的硬度也得到了很好的提升。

文章以过共晶Al-25%Si合金为研究对象，研究B变质剂对Al-25%Si合金微观组织和力学性能的影响。

1 试验方法

以工业纯铝(纯度99.7%)，结晶硅(纯度99.9%)为实验原材料，铝硼中间合金(Al-3%B)为变质剂，B的加入量分别为0、0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.10%和0.12%。

变质工艺过程：将石墨坩埚放置于坩埚形电阻炉中，预热至300 ℃，再把称好的铝块加入到坩埚中，等到炉子升温到820 ℃，开始保温，待铝块熔化后，向铝液中加入称量好的硅块，继续保温，等待硅全部熔化后，搅拌熔体，除去表面浮渣，再向合金液中加入变质剂Al-3%B中间合金，保温全部熔化后。再向合金溶液中加入C2Cl6除气剂，继续保持十分钟。保温结束后，快速用石墨棒除去合金液表层的浮渣，然后再将合金液浇注于金属型模具中，获得铝合金铸锭。

利用线切割车床从铸锭上切割Φ15 mm×15 mm的金相试样，按标准金相制样程序磨制样品，其表面用0.5 wt% HF酸腐蚀用于微观组织观察。用金相(OM，蔡司Axio Imager M2m型)、扫描电镜(SEM，蔡司EVO18型扫描电镜，装有牛津X-Max能谱仪)和X射线衍射仪(XRD)对变质前后的A390合金样品表面形貌及物相的变化进行测试和分析。用车床将金属锭车成Φ10 mm标准拉伸试样，用于力学性能测试。拉伸试验采用WAW100型电液伺服万能材料试验机，在室温条件下以1 mm/min的位移速度进行。

2 结果与讨论

2.1 微观组织

采用金相显微镜对变质前后的合金微观组织形貌进行观察，如图1(a)-(g)所示。

(a)Al-25%Si

(b) Al-25%Si-0.02%B

(c)Al-25%Si-0.04%B

(d) Al-25%Si-0.06%B

(e)Al-25%Si-0.08%B

(f)Al-25%Si-0.10%B

(g)Al-25%Si-0.12%B

从图1可以看出，Al-25%Si变质前后的合金样品中都存在着初晶硅、共晶硅和α(Al)相组织。图1(a)为未经变质处理的Al-25%Si合金，其组织中初晶硅大部分以五星花瓣状或不规则复杂多角形状(深黑色有棱角的块状)存在，而共晶硅是以细长的针状(黑色细条状)存在。从图1(b)-1(e)可以看出，随着变质剂B添加量的不断增加，合金组织中的初晶硅晶粒尺寸明显变小。如图1(e)所示，当B的加入量为0.08%时，变质效果最好，合金中的初晶硅晶粒尺寸明显细化，从未变质的90 μm～120 μm细化至40 μm～60 μm，初晶硅由五星花瓣状和不规则复杂多角形状变成了板片状，其尖角圆润，发生了钝化，长针状的共晶硅组织的细化效果不是很明显。如图1(f)和1(g)，继续增大变质剂B的添加量，合金中的初晶硅又呈现出粗大的不规则多角形状。

经分析认为，由于未变质的过共晶铝硅合金熔体中Si含量较高，从而导致初晶硅的近平衡生长条件被破坏，使得初晶硅沿<211>晶向的生长速度要高于沿{111}面的生长速度，从而导致复杂多角形状的初晶硅的形成；而在加入B后，当Si结晶时，B很可能富集在硅晶体生长前沿，吸附在Si生长表面，使初晶硅的生长条件得到改善，Si晶体产生多重的孪晶凹面，使初晶硅各向平衡生长，最终形成规则的板片状或多面体形状，而过量的B又会使初晶硅粗化[8]。

2.2 XRD分析

采用X射线衍射仪对B变质前后Al-25%Si合金相的变化进行测试和分析，其图谱如图2所示。

图2 Al-25%Si合金变质前后的XRD图谱

由图2可知，不同B变质剂添加量的Al-25%Si合金试样中的主峰值与Al和Si衍射峰有着良好的对应关系。在本XRD测试的角度(20°～100°)范围内，变质前后的合金试样中Al共出现了6条不同角度的衍射峰，Si共出现7条不同角度的衍射峰。在经B变质处理后的合金样品中未检测到新相生成。

2.3 SEM分析

采用扫描电镜对变质后的合金进行分析，B的加入量为0.08%的扫描电镜图片如图3(a)所示。对图3(a)中的浅灰色组织进行能谱分析，如图3(b)所示。

(a)0.08%B的SEM

(b)0.08%B的EDS能谱

从图3可看出，经过SEM和EDS能谱分析，经0.08%B变质处理后Al-25%Si合金试样中未有新相产生，与上面的图2 XRD衍射图谱相对应。

2.4 拉伸试验

图4是变质剂B不同添加量的Al-25%Si合金抗拉强度变化曲线图。

图4 不同B添加量的Al-25%Si合金的抗拉强度变化曲线图

由图4可知，经B变质处理后，Al-25%Si合金的抗拉强度都得到很好提升，但是变质剂B的添加量为0.12%时，变质后的Al-25%Si合金的抗拉强度要低于未经B变质的Al-25%Si合金抗拉强度。当B的添加量为0.08%时，在Al-25%Si合金的抗拉强度曲线上对应的是最大值。合金的抗拉强度从未变质的151 MPa提高到变质后的187 MPa，提高了23.0%，经计算合金的伸长率也有明显提升，从未变质1.8%提高到变质后的4.2%。当B的添加量超过0.08%时，Al-25%Si合金的抗拉强度呈下降趋势。

Al-25%Si合金试样未经变质细化处理时，其力学性能较低，其原因是合金中存在着粗大多角形的初晶硅相和长针状的共晶硅相，对合金基体产生严重的割裂作用，在其硅相的棱边及尖角处易形成应力集中，造成未变质合金的抗拉强度和伸长率均较差。经B变质处理后的合金中，其硅相组织明显细化，尖角钝化，形状得到改善，降低了其对基体的割裂作用，因此合金的抗拉强度和伸长率都有较明显的提升。

3 结论

(1)B对Al-25%Si合金中的初晶硅有着明显的细化作用，当变质剂B的添加量为0.08%时，合金中的初晶硅最为细小而又规则，初晶硅的晶粒尺寸从未变质的90 μm～120 μm细化至40 μm～60 μm，初晶硅由五星花瓣状或不规则复杂多角形状变成板片状，其尖角钝化，长针状的共晶硅组织的细化效果不明显。

(2)XRD和SEM分析表明，在变质后的Al-25%Si合金中未有新相生成。

(3)力学性能测试表明，变质后合金的力学性能提升较为明显。当变质剂B的添加量为0.8%时，过共晶Al-25%Si合金的抗拉强度值最大，其值为187 MPa，伸长率从未变质的1.8%提高到4.2%。