变质工艺影响过共晶Al_Si合金初晶硅细化的研究

张俊红①,任智森,赵群,张英

(中铝公司郑州研究院,河南郑州450041)

摘要:研究了磷变质时,变质剂、变质温度、变质时间、浇注温度等工艺参数对过共晶Al-Si合金初晶硅细化的影响。

结果表明,上述工艺参数严重影响初晶硅的变质效果。当采用赤磷+铝粉+熔剂变质时,磷较易被吸收,变质后,合金

中初晶硅含量较高。采用磷变质A390合金的最佳变质温度为800℃,变质后初晶硅组织分布均匀,平均晶粒尺寸约

为13μm。高于此温度,初晶硅晶粒发生长大;低于此温度,初晶硅发生聚集。磷变质的最佳变质时间为20～30分钟。

浇注时,800℃的铸造组织最佳,降低浇注温度,初晶硅晶粒严重聚集;升高浇注温度,晶粒变粗。

关键词:过共晶Al-Si合金;变质;晶粒细化

中图分类号:TG146.231　文献标识码:A　文章编号:10021752(2006)10006204

The E ffect of Modif ication T echniques on R ef ining

of Primary Si Phase in H ypereutectic Al-Si Alloy

ZHAN G J un-hong,REN Zhi-Sen,ZHAO Qun and ZHAN G Y ing

(ZH EN GZHO U Research Instit ute of CHA L CO,Zhengz hou450041,Chi na)

Abstract:The effect of process parameters,including of alterative,modification temperature,modification time,casting temperature,and so on,on refining of primary Si phase in hypereutectic Al-Si alloy were researched.The results indicated that these parameters affect the modification severely. When choosing red phosphor+aluminium powder+flux as the alterative,the element phosphor can be absorbed easily,and after modification,more primary Si phase exist in the alloy.800℃is the best modification temperature for A390alloy,after modificated at that temperature,the primary Si phase distribute uniformly,and the average grain size is13μm.When modification temperature higher than that,the primary Si grain would grow up, contrarily,when the temperature lower than that,the primary Si grain would congregated.In our research,the best phosphor modification time for the hypereutectic Al-Si alloy is20-30minutes and the best casting temperature is800℃.When the casting temperature lower than800℃,primary Si grain would congregated,and when the temperature higher than that,the primary Si grain would coarse.

K ey w ords:hypereutectic Al-Si alloy;modification;grain refining

1　前言

过共晶铝硅合金中硅含量一般在16%～26%左右,由于硅含量高,该合金密度小,线膨胀系数低,体积稳定性好,耐热、耐磨性能好,具有足够高的高温(300℃)强度,比目前仍得到广泛应用的共晶铝硅合金性能优越,是最理想的活塞材料。但是,该合金未经变质处理的组织中存在粗大的块状初晶硅,这种组织严重割裂基体,恶化合金的铸造性能和机械性能〔1〕,这是影响该合金应用的主要原因。解决这一问题的关键在于对合金进行变质细化处理〔1～4〕。本文研究了过共晶铝硅合金A390磷变质处理时工艺对变质效果的影响与最佳变质工艺参数的选择。

2　实验方法

实验采用的A390母合金首先采用热顶半连续铸造生产,变质实验采用德国纳博倾翻式坩埚炉,变质剂分别采用赤磷+熔剂压块、富磷合金(78wt% Cu、10wt%P、10wt%Si和1～2wt%Ni)和赤磷+铝粉+熔剂压块,使用Leica DM4000M型金相显微镜对试样的金相组织进行观察,采用截线法测量晶粒尺寸。

3　实验结果

3.1　变质剂的影响

磷的加入形式与吸收率一直是采用磷类变质剂变质铝硅合金时需要面临和解决的问题〔5～7〕。目前国内外主要应用的磷类变质剂有赤磷、磷盐复合

①作者简介:张俊红(1970-),女,河南郑州人,博士。收稿日期:2006-07-10

表1　不同磷类变质剂设计加入量与实际加入量的对比表

Tab.1Contrast of alterative quantities between expectation and practice

变质剂种类赤磷+熔剂压块富磷合金赤磷+铝粉+熔剂压块P 设计加入量,wt %0.50.50.5P 实际加入量,wt %

0.081

0.009

0.193

变质剂和Cu -P (含8%～10%P )中间合金。本研

究为了提高磷的吸收率及其稳定性,以盐类作载体,将赤磷与盐混合压块后加入铝液中。

表1给出了本实验采用的三种磷类变质剂设计加入量与实验测得的加入量的数值比较。从表1中可见,当磷以赤磷+熔剂压块和富磷合金形式加入A390合金时,加入量与合金吸收量之间有较大差距,大部分的P 未能被合金吸收;而当磷以赤磷+铝粉+熔剂压块形式加入时,磷较易被吸收。

图1　A390合金经赤磷+熔剂变质(a ),和以赤磷+铝粉+熔剂变质后(b )的金相组织(变质温度为800℃

)Fig.1Micrographs of A390alloy modificated by red phosphor +flux (a ),and by red phosphor +aluminium powder +flux (b ).(modification temperature is 800℃

)

图2　A390合金未经变质(a ),和经过720℃变质(b ),800℃变质(c ),

830℃(d )变质后的金相照片(变质剂为赤磷+熔剂,浇注温度为800℃

)Fig.2Micrographs of A390alloy unmodificated (a ),and modificated at 720℃(b ),at 800℃(c ),at 830℃(d ).(red phosphor +aluminium powder +flux is used as modification alteratire )

　　变质剂对合金组织的影响如图1所示。图1(a )、1(b )分别为相同变质工艺条件下,以赤磷+熔剂和以赤磷+铝粉+熔剂变质处理后A390合金的金相组织照片。在图1(a )中,初晶硅的含量为37%;在图1(b )中,初晶硅的含量为48%。3.2　变质温度的影响

图2(a )(b )(c )(d )分别为A390合金未经变质和经过720℃、800℃、830℃变质,800℃浇注后的铸锭组织。从图2可见,原始组织中呈粗大板片状、五瓣星状的初晶硅经磷变质处理后,晶粒尺寸明显减小。当变质温度为720℃时,初晶硅分布不均匀,有

聚集,晶粒尺寸约为50

μm ;而当变质温度升为800℃时,初晶硅组织分布均匀,晶粒最为细小,平均

晶粒尺寸约为13

μm ;继续升高变质温度达到830℃时,初晶硅组织也均匀,但晶粒开始长大,平均晶粒

尺寸约25

μm 。另外,从图中还可明显看出,当变质温度升高时,初晶硅含量也明显增加。

3.3　变质时间的影响

采用赤磷+熔剂在800℃变质,加入变质剂后

搅拌约2分钟后开始计时,每10分钟取一次样,40分钟后每一小时取一个样,以考察变质时间对合金变质效果的影响。变质后初晶硅的尺寸和体积含量如图3所示。从图3可见,

采用磷变质过共晶铝硅

图3　初晶硅尺寸与体积含量随变质时间的变化图

Fig.3Figure of grain size and volume content of primary Si phase vs.modification

time.

图4　为A390合金经800℃变质,浇注温度分别为820℃(a ),800℃(b ),776℃(c ),

730℃(d )的金相照片(变质剂为赤磷+熔剂)

Fig.4Micrographs of A390alloy casting at 820℃(a ),800℃(b ),776℃(c ),(b ),730℃(d ).(modificated

at 720℃,and red phosphor +aluminium powder +flux is used as modification alterative )

3.4　浇注温度的影响

图4(a)(b)(c)(d)分别为A390合金经800℃变质,浇注温度分别为820℃、800℃、776℃、730℃的金相组织。可以看出,当浇注温度过高时,晶粒变粗,如图4(a)所示。800℃浇注时具有最佳的组织,初晶硅细小且分布均匀。进一步降低浇注温度,初晶硅晶粒严重聚集。

4　分析与讨论

采用磷类变质剂变质铝硅合金的机理为:当P 加入合金中时,P在Al液中能够生成AlP,由于AlP 和Si的晶体结构都是立方结构(Si为金刚石型,AlP 为闪锌矿型),晶格常数相近(Si为5.42!,AlP为5. 45!),根据晶体结构相似、晶格常数相近原理,AlP 可以作为Si结晶时的异质晶核,使Si原子依附于其上结晶而成细小的初晶硅晶体。当采用赤磷加入合金时,大部分P通过燃烧生成P2O5而跑掉;而采用富磷合金加入合金时,富磷合金在高温常压下容易挥发,与氧反应生成P2O5而逸出,所以,采用上述二种变质剂加入A390合金时,P都不能有效地与Al 液形成AlP核心而被吸收,因此变质后的组织中初晶硅含量相对较少。但当在赤磷中混入铝粉压制成块加入A390合金时,赤磷与铝粉在合金液体的温度下可以快速被点燃,发生自蔓延反应,生成AlP核心,因此,P的吸收性较好,变质后合金组织中初晶硅含量相对较多。

变质温度、变质时间和浇注温度对变质效果的影响同样与AlP核心的形成、长大密切相关。当采用较低温度变质时,P与Al液不能充分快速的反应,致使一部分P逸出,形核核心减少,因此初晶硅含量少。同时,当形核核心较少时,晶粒容易长大。当采用较高温度变质时,晶粒受热影响,长大速度加快。最佳变质时间与P和Al液充分反应生成AlP 核心的时间相对应,随着变质时间延长,初晶硅晶粒会发生长大和溶解。当采用合适的温度浇注时,晶粒长大和聚集趋势不明显,因此形成的组织均匀、细小;而当浇注较低温度时,形核核心发生聚集,造成凝固组织中初晶硅聚集;当浇注温度较高时,晶粒发生长大,凝固组织中初晶硅晶粒尺寸变大。

5　结语

1)变质剂不同影响变质效果。采用赤磷+熔剂和富磷合金变质时,P吸收性差,变质后,合金中初晶硅含量较低。采用赤磷+铝粉+熔剂变质时,磷较易被吸收;变质后,合金中初晶硅含量较高。

2)变质温度影响变质效果。采用赤磷变质A390合金的最佳变质温度为800℃,变质后初晶硅组织分布均匀,平均晶粒尺寸约为13μm。高于此温度,初晶硅晶粒发生长大;低于此温度,初晶硅发生聚集。

3)采用磷变质过共晶铝硅时,20～30分钟可以达到良好的效果,并且变质具有长效性。

4)浇注温度影响变质效果。800℃浇注时具有最佳的组织。进一步降低浇注温度,初晶硅晶粒严重聚集。升高浇注温度,晶粒变粗。

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(责任编辑　范鸿雁)