Al-18Si合金熔体的热速处理

JOURNAL OF UNIVERSITY OF JINAN（Sci．and Tech.）

文章编号：1671－3559（2012）02－0115－04

Al－18Si合金熔体的热速处理

孙玉杰，王庆磊，李灿灿，耿浩然

（济南大学材料科学与工程学院，山东济南250022）

摘要：采用熔体热速处理工艺，研究其对Al－18Si合金微观组织和力学性能的影响。结果发现，随过热温度升高及保温时间延长，合金初晶硅尺寸先减小后增大，合金力学性能先提高后降低。在过热温度为930ħ，保温时间为20min时，初晶硅的平均尺寸由常规熔炼工艺下的70μm减小到16μm；拉伸强度和布氏硬度分别提高到175．65MPa和49．5，与常规熔炼工艺相比，分别提高15．38%和8．08%。

关键词：热速处理；Al－18Si合金；过热温度；保温时间

中图分类号：TG146．2+1文献标志码：A

Thermal-Rate Treatment of Al-18Si Alloy Melt

SUN Yu-jie，WANG Qing-lei，LI Can-can，GENG Hao-ran

（School of Materials Science and Engineering，University of Jinan，Jinan250022，China）

Abstract：Effects of thermal-rate treatment technique on the microstructure and mechanical properties of Al-18Si alloy were stud-ied．The results show that the size of primary silicon tends to decrease first and then increase with the rising of superheating temperature and the prolonging of holding time，however，the change of mechanical properties of the ally sholos opposite trend．When the superhea-ting temperature is930ħand the holding time is20min，the average size of primary silicon is decreased from70μm obtained by con-ventional casting technique to16μm；the tensile strength and the brinell hardness are increased to175．65MPa and49．5，increased by 15．38%and8．08%，respectively，compared with that obtained by the conventional casting technique．

Key words：thermal-rate treatment；Al-18Si alloy；superheating temperature；holding time

过共晶Al－Si系合金由于具有密度小、热膨胀系数小、体积稳定性好、耐蚀、耐磨以及高温强度高等特点，在汽车活塞制造行业中得到了广泛的重视和应用［1－3］。但过共晶Al－Si合金组织中存在粗大的初晶硅，严重割裂基体，使其性能下降而不能满足实际应用的需求。因此，采取有效的手段来改善初晶硅的形貌和分布是必要的。

大多数金属材料的获得都要经历由液态到固态的凝固过程，液态合金的预结晶状态对最终的凝固组织和力学性能有着重要的影响［4－7］。因此，通过控制合金熔体凝固时的结构状态可以有效地改善合金的凝固组织［8］。金属熔体热速处理工艺的理论基础源于液态金属结构具有遗传性，熔体的热速处理是指在合金熔炼时，将合金过热到熔点以上某一温度，然后采取一定的激冷方式使其快速冷却到预定浇注温度进行浇注的铸造工艺［9］。热速处理工艺可以细化Al－Si合金的组织，从而提高其力学性能。

收稿日期：2011－11－26网络出版时间：2012－01－1522：12基金项目：国家自然科学基金（50871047）；山东省自然科学基金（ZR2010EM071）

作者简介：孙玉杰（1985－），女，山东诸城人，硕士生。

通讯作者：耿浩然（1954－），男，山东平原人，教授，博士，博士生导师。

网络出版地址：http：//www．cnki．net/kcms/detail/37．1378．N．20120115．2212．004．html笔者针对热速处理工艺，研究不同过热温度或

相同过热温度下不同保温时间对Al－18Si合金微观组织和力学性能的影响，确定出在选定实验条件下热速处理的最佳工艺参数，为过共晶Al－Si合金在活塞生产中的广泛应用提供理论依据。

1实验

1．1原料试剂及仪器设备

原料：纯铝（工业纯，质量分数为99．97%，济南聚融金属有限公司）；多晶硅（工业纯，质量分数为99%，济南天马金属有限公司）。

仪器：SPZ－25型中频熔炼炉（深圳市双平电源技术有限公司生产）；LYJD－1300J型井式电炉（龙口市电炉制造厂生产）；IR－AL型激光测温仪（西安飞秒光电科技公司生产）；S－2500型扫描电镜（SEM，日本日立公司生产）；CMT5105型微机控制电子万能试验机（深圳市新三思材料检测有限公司生产）；HBRV－187．5型布洛维硬度计（莱州华银试验仪器有限公司生产）。

1．2Al－18Si合金试样制备

实验用Al－18Si合金试样由纯铝和多晶硅在中频熔炼炉中熔炼制成；热速处理实验所用合金熔体试样在井式电炉中熔炼制成。熔体温度由炉内的热电偶控制测量，并用手持激光测温仪作辅助测定，以确保温度误差在ʃ5ħ以内。所有的试样都浇注入相同的铸铁金属模具中，在浇注前将模具预热到150ħ左右。

1．3实验工艺方法

采用向熔体中添加冷料的方式对合金熔体试样进行热速处理，其工艺如下：将熔炼好的Al－18Si 合金放入井式电炉中过热到一定的温度，保温适当的时间后，向熔体中加入固态的Al－18Si合金，使熔体温度迅速冷却到770ħ附近，并进行迅速的搅拌，扒渣后浇注，浇注温度为750ħ。

取各试样棒的相同位置，经磨平、抛光和腐蚀后用扫描电镜进行组织分析，试样的拉伸强度和硬度在试验机和硬度计上测定。

2结果及分析

2．1过热温度的影响

2．1．1过热温度对合金微观组织的影响

图1为不同过热温度（保温时间为20min）下Al－18Si合金微观组织的SEM图。由图1可以看出，过热温度对Al－18Si合金微观组织有显著的影后在750ħ下浇注），Al－18Si合金组织中的初晶硅比较粗大，尺寸约为70μm，而且棱角分明（图1a）；在810ħ对Al－18Si合金熔体进行热速处理后，初晶硅的尺寸有所减小，但尚未分散均匀（图1b）；在930ħ对Al－18Si合金熔体进行热速处理后，初晶硅的析出明显受到抑制，析出的初晶硅也被大大细化，尺寸约为16μm，且分布比较均匀（图1c）；在1050ħ对Al－18Si合金熔体进行热速处理后，初晶硅的尺寸比810ħ处理下的尺寸小，但比930ħ处理下的尺寸要大，且分布不如930ħ处理下的均匀（图1d）。这说明热速处理对Al－18Si合金的初晶硅具有明显的细化作用，在本实验条件下，Al－18Si合金熔体热速处理的最佳温度为930ħ。

向具有一定热力学过冷度的高温金属熔体中加入固态冷料，可使高温金属熔体在瞬间被充分冷却，这有利于高温金属熔体将混合前的性质保留下来，而冷料也被迅速熔化，冷料熔化后在熔体中将会存在大量的原子团簇和未熔固相，这些原子团簇和未熔固相可作为凝固时的形核核心，使形核核心的数量增加，起到细化凝固组织的作用。

2．1．2过热温度对合金力学性能的影响

图2为不同过热温度下Al－18Si合金拉伸强度和布氏硬度的曲线图。从图2中可以看出，在930ħ时对Al－18Si合金熔体进行热速处理可使其

力学性能有所提高度提高了15．38%，布氏硬度提高了8．08%。这是由于过热温度较高，熔体比较均匀，对其进行热速处

理时，

高温熔体中的细小组织被保留到了低温，因此初晶硅比较细小而且分布均匀，使得力学性能提高。在1050ħ对Al －18Si 合金进行热速处理也使其力学性能提高，但幅度不大，因为当熔体过热温度过高时，虽然形成均匀熔体，但过高的温度可以减少甚至消除熔体中可充当异质核心的未熔硅粒子或原子集

团，

使异质形核能力减弱，而且过高的温度使熔体的氧化反应程度增加，影响合金的性能，导致力学性能提高幅度不大。

图2

不同过热温度下Al －18Si 合金的力学性能曲线图而在810ħ对Al －18Si 合金进行热速处理却使其力学性能降低。这是由于过热温度较低，熔体中仍存在较大尺寸的Si 原子集团，对其进行热速处理后这种结构被保留了下来，而且加入熔体的冷料中存在未熔的硅粒子，使得初晶硅的尺寸在一定程度上有所减小，但分布难以达到均匀，导致合金的力学性能降低。

2．2保温时间的影响2．2．1

保温时间对合金微观组织的影响

图3是Al －18Si 合金熔体在930ħ下保温不同

时间后，对其进行热速处理所得到的合金微观组织的SEM 图。将Al －18Si 合金熔体过热到930ħ保温5min 后，对其进行热速处理所得到的微观组织如图3a 所示，初晶硅尺寸较大且形状不规整，分布也不均匀；保温20min 后，对其进行热速处理所得到的微观组织如图3b 所示，初晶硅尺寸细小，形貌圆滑且分布较均匀；保温40min 后，对其进行热速处理所得到的微观组织如图3c 所示，虽然初晶硅的分布仍比较均匀，但尺寸开始变大；保温60min 后，对其进行热速处理所得到的微观组织如图3d 所示，初晶硅开始聚集成团，分布极不均匀。这说明在过

Al －18Si 合金的微观组织。

2．2．2

保温时间对合金力学性能的影响

图4是Al －18Si 合金熔体在930ħ下保温不同

时间后，

对其进行热速处理的合金拉伸强度和布氏硬度的曲线图。由图4可以看出，将Al －18Si 合金过热到930ħ保温20min 后，对其进行热速处理可使其力学性能大大提高。随着保温时间的延长，其力学性能降低，当保温时间超过40min 以后，力学性能下降的幅度很小，而保温时间为5min 时其力学性能最低。这可能与硅粒子在较短的保温时间内不能完全溶解有关。由此可知，在930ħ条件下对Al －18Si 合金熔体进行热速处理时，保温时间应选择在20min 左右。

3结论

（1）在保温时间为20min的条件下，Al－18Si 合金熔体热速处理的过热温度为930ħ时，初晶硅被大大细化，力学性能得到提高。

（2）在过热温度为930ħ条件下，初晶硅的尺寸随着保温时间的延长先减小后增大，力学性能随着保温时间的延长先提高后降低，在本实验条件下，最佳保温时间为20min。

（3）初晶硅的形貌、尺寸和分布对Al－18Si合金的力学性能有重要的影响，初晶硅的形貌越规整，尺寸越小，分布越均匀，合金的力学性能越好。参考文献：

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（责任编辑：隋肃，校对：赵雁）

811济南大学学报（自然科学版）第26卷