脈沖頻率對富鎳鋁硅活塞合金組織及性能的影響

方琳 唐立丹 王冰 劉亮 王建中 遼寧工業大學材料科學與工程學院

脈沖頻率對富鎳鋁硅活塞合金組織及性能的影響

方琳 唐立丹 王冰 劉亮 王建中 遼寧工業大學材料科學與工程學院

通過金相顯微分析、能譜分析、相結構分析、顯微硬度分析等實驗，研究了脈沖頻率對富鎳Al-Si活塞合金組織和性能的影響。結果表明，在富鎳Al-Si活塞合金中，當脈沖參數為300V、5Hz、30s時，富鎳高溫相尺寸細小，分布均勻，顯微硬度提高了9.41%，電脈沖孕育處理可以細化合金凝固組織，提高α（Al）基體中Cu、Ni、Si等元素的固溶度，偏析得到改善，分布趨于均勻合理。

Al-Si 活塞 相結構 顯微硬度

活塞材料的選擇與優化是決定發動機整體質量的關鍵。目前，含Si量為11%～13%的Al-Si共晶合金已成為國內外車用內燃機整體活塞的首選材料，但鋁硅活塞合金所固有的熱強度不高，難以切削加工，使其在生產應用中有一定的局限性，所以必須對其進行后續工藝處理改善切削性能。在Al-Si合金中加入適量的Ni元素，組織中可生成Al3（Cu Ni）、Al6Cu3Ni等復合耐熱相來提高合金的高溫強度和耐熱性。電脈沖處理技術作為一種新型的金屬材料處理技術，其應用領域非常廣泛。它不僅可用于控制液態金屬的凝固組織，還可以改善固體的材料的范性加工和金屬再結晶等性能。本文將電脈沖孕育處理應用于富鎳Al-Si合金組織和性能的影響規律，分析其作用機理。

1 實驗材料與方法

實驗以工業純鋁、電解銅、電解錳、金屬鎳和Al-Si、Al-Mg、Al-Ni中 間 合 金 制 備Si-13%Cu-3．7%Ni-2．5%Mg1%Ti0．12%Mn0．12%(質量分數)共晶鋁硅活塞合金。首先將適量預制的Al-Si、Al-Mg、Al-Ni中間合金放入井式電阻爐（鎳鉻-鎳硅熱電偶控溫），爐料溫度升至750℃并保溫至全部融化，當坩堝中的合金全部處于熔融狀態時，在保溫10min，然后進行除氣（除氣劑為C2Cl6）精煉，然后靜置5min；采用不同的電脈沖參數進行熔體處理，其中電級采用高純石墨電級，插入熔體前于400℃預熱2min，消除其對熔體溫度的影響，保溫5min后澆鑄到已預熱的金屬型中。待試樣完全凝固冷卻后，選取鑄件，分別制成金相試樣，并使用0．5%HF進行腐蝕。在Zeiss光學顯微鏡、S-3000N掃描電鏡分析儀和D/max-2500/PC型X射線衍射儀上進行組織觀察、物相分析、和HV-1000N型顯微硬度測試。

2 實驗結果與分析

2.1 脈沖頻率對Al-Si多元活塞合金組織的影響

由圖1可知，電脈沖孕育處理對Al-Si合金凝固組織細化作用顯著。圖中淺色基體為α（Al）相，深色片狀物為初晶Si相，深色條狀為共晶Si相，淺色絮狀物為高溫強化相。圖1（a）為未處理的Al-Si合金的凝固組織，相較電脈沖處理后的（b）、（c）、（d），Al-Si合金的凝固組織初晶Si粗大，分布不均勻共晶相分布散亂、不集中，尖角多并且呈現絮狀高溫相粗大沿樹枝晶，α（Al）相分布不均勻。電脈沖孕育處理后，合金中無粗大α（Al）枝晶，初生α（Al）相數量略有增加，絮狀高溫相細小彌散分布于α（Al）相周圍，劉相法等認為α（Al）基體相形貌對第二相分布以及活塞合金力學性能影響顯著，當Ni含量小于1%時，α（Al）枝晶的二次枝晶臂對富Ni相有分散細化作用。由圖1可知，初生Si相細化明顯，有學者認為，經電脈沖孕育處理的初生Si組織明顯細化，是由于電脈沖的反復激勵振蕩使熔體中Si團簇結構漲落的微觀統計分布上成為Si團簇的有利結構，即Si團簇的粗化過程被阻礙。

圖1 不同脈沖頻率對富鎳Al-Si合金組織的影響Fig． 1 Microstructure of the Ni-rich Al-Si alloy at different pulse frequencies（a）0Hz（b）300V，3Hz，30s（c）300V，5Hz，30s（d）300V，10Hz，30s

圖2（a）（b）（c）（d）為經不同電脈沖參數孕育處理的XRD衍射圖譜，圖中均有Al、Si、Mg2Si、Al7Cu4Ni相和Al7Cu23Ni相，結果表明電脈沖孕育處理僅僅改善了富Ni高溫相的尺寸與分布，沒有產生有害于合金組織的新相。根據相關文獻和能譜分析，魚骨狀的富Ni高溫相為Al7Cu4Ni相，經電脈沖孕育處理后，粗大魚骨狀的Al7Cu4Ni相得到細化，均勻分布于基體中。

圖2 不同脈沖頻率XRD圖譜Fig． 2 The XRD patterns at different pulse frequencies

圖3為掃描電鏡金相組織。圖3（a）為未電脈沖孕育處理試樣，富Ni高溫相成魚骨狀；圖3（b）為電脈沖孕育處理試樣組織，由圖可示粗大的魚骨狀高溫相消失，呈桿狀均勻地分布在基體中，分析認為，在α（Al）相固液界面前沿存在著巨大的Ni溶質富集，這為富Ni高溫相形核與長大提供物質基礎。同時，富Ni高溫相在共晶Si相端部形核，并沿α（Al）枝晶長大，從而起到釘扎晶界的作用。經電脈沖孕育處理后，共晶Si相網狀消失，呈短小棒狀分布于基體中，富Ni相在共晶Si上沿Si的走向斷續分布生長，因而使依附其形核生長的富Ni相形核點數目增多，失去無限粗大生長的基礎，同時，增大富Ni相在α（Al）相周圍釘扎生長的幾率，達到阻礙晶界擴展提高強度的目的。

圖3 不同脈沖頻率處理對高溫相的影響Fig． 3 Different high-temperature phases in twosamples，SEM at different pule frequencies（a）0Hz（b）300V，3Hz，30s

2.2 脈沖頻率對Al-Si多元活塞合金性能的影響

圖5為不同脈沖頻率處理后的顯微硬度，說明電脈沖處理可以提高合金固溶度，從而使顯微硬度提高。當電壓為700V時顯微硬度達到最大值，由原始的132．12HV升到144．56HV，提高了9．41%。

圖5 不同頻率處理后的顯微硬度Fig． 5 The micro-hardness at different pulse frequencies

圖6為電脈沖處理前后Cu、Ti元素的分布結果，圖中亮點即為該元素的分布位置，對比圖5（a）、（b）可知，經電脈沖處理后的試樣較原始試樣各個元素的晶粒尺寸得到細化，Ti、Cu元素在基體中的分布較原始試樣均勻，電脈沖處理后α（Al）相中Ti、Cu元素含量明顯增加，使得試樣的顯微硬度得到提高，Al-Si活塞合金組織的偏析情況得到改善，分布趨于均勻合理。

圖6 不同脈沖頻率處理對Ni、Cu元素分布的影響Fig． 6 The X-ray images， respectively， for Cu， and Ni with different pulse frequencies（a）0Hz（b）300V，3Hz，30s

3 結論

①電脈沖孕育處理能夠顯著細化富鎳Al-Si活塞合金的凝固組織，經過電脈沖孕育處理后，合金中的高溫強化相尺寸明顯減小，分布更加均勻與彌散。

②不同脈沖頻率能提高α（Al）基體中Cu、Ni、Si等元素的固溶度，提高顯微硬度，提高了9．41%。

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