汽車(chē)活塞合金初生硅形核生長(zhǎng)機(jī)制探討

周鵬飛

（鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇鹽城 224005）

汽車(chē)活塞合金初生硅形核生長(zhǎng)機(jī)制探討

周鵬飛

（鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇鹽城 224005）

通過(guò)XRD、光學(xué)顯微鏡等手段研究了P變質(zhì)汽車(chē)活塞用過(guò)共晶Al-20Si合金的微觀組織和相組織，對(duì)初生硅相的形核生長(zhǎng)機(jī)理做了進(jìn)一步的分析，結(jié)果表明：存在AlP異質(zhì)形核不容質(zhì)疑；但是還存在均勻形核的可能，這從同一試樣的組織形貌中可以分析出，但在結(jié)晶過(guò)程中哪種形核機(jī)制占主導(dǎo)地位尚未清楚，需要進(jìn)一步研究。

汽車(chē)活塞；初生硅；變質(zhì)；微觀組織

過(guò)共晶Al-Si合金具有密度小、導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)小、耐磨、耐蝕、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，而且熱裂傾向小，是一種理想的汽車(chē)活塞材料。但是未經(jīng)變質(zhì)處理的過(guò)共晶鋁硅合金中存在粗大塊狀的初晶硅和粗大長(zhǎng)針狀的共晶硅組織，嚴(yán)重地割裂Al基體的連續(xù)性，惡化合金的綜合力學(xué)性能和切削加工性能，制約了過(guò)共晶鋁硅合金的適用范圍[1-4]。解決這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵是對(duì)合金進(jìn)行變質(zhì)細(xì)化處理，改變合金中硅相的形貌和尺寸，減小其對(duì)鋁基體性能的削弱作用，從而提高過(guò)共晶鋁硅合金的綜合性能。目前，磷是初晶硅的理想變質(zhì)劑，本文針對(duì)Al-20%Si合金進(jìn)行單一P變質(zhì)，對(duì)初生硅的形核與生長(zhǎng)機(jī)制做了進(jìn)一步的研究探討。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)所用原材料有：配置好的Al-20%Si、以及CuP10中間合金。

在SG2-12-13型硅碳棒型坩堝爐熔煉Al-20%Si合金；升溫800 ℃時(shí)用六氯乙烷對(duì)熔體進(jìn)行精練處理，靜置15 min后扒渣。在熔煉溫度為800℃時(shí),分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的CuP10變質(zhì)劑作用于Al-20%Si合金,把熔煉好的合金液在800 ℃時(shí)澆注到預(yù)先準(zhǔn)備好圓筒鑄鋼模,模具預(yù)熱到200℃，模具其尺寸為φ10 mm×100 mm。澆注完畢后,分別把試樣截?cái)啵∑渲虚g部位，加工成φ10 mm×6 mm的圓柱。金相試樣經(jīng)過(guò)預(yù)磨、粗磨、細(xì)磨和手工拋光,最后用0.5%HF水溶液進(jìn)行顯微組織浸蝕,然后用MeF3型光學(xué)顯微鏡觀察金相組織，并對(duì)4%CuP10變質(zhì)的試樣進(jìn)行了XRD檢測(cè)，進(jìn)一步分析初生硅相的形核與生長(zhǎng)機(jī)理。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 變質(zhì)前后Al-20Si合金硅相的形貌

圖1.a為未變質(zhì)過(guò)共晶Al-20%Si合金的顯微組織，未變質(zhì)過(guò)共晶Al-20%Si合金初晶硅多為粗大八面體形、板塊狀，棱角分明，分布不均勻，有偏聚，平均尺寸在100 μm左右；圖1.b是經(jīng)過(guò)4%CuP10變質(zhì)過(guò)的，從圖中明顯可以看出初晶硅變得非常細(xì)小，尺寸在10 μm左右，且分布比較均勻，達(dá)到了非常理想的變質(zhì)效果。

圖1 未變質(zhì)與變質(zhì)處理的Al-20Si合金硅相的形貌

2.2 4%CuP10變質(zhì)的Al-20Si合金SEM分析

從圖2的X射線(xiàn)衍射分析，結(jié)果表明，磷變質(zhì)試樣中除含有主要合金元素Al和Si的峰值外，還在Si的位置處出現(xiàn)了其他的衍射峰值，經(jīng)過(guò)PDF卡片對(duì)照，驗(yàn)證了這些峰值對(duì)應(yīng)的正是異質(zhì)核心質(zhì)點(diǎn)AlP的峰值。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，異質(zhì)核心質(zhì)點(diǎn)AlP的峰值相對(duì)較多，這就說(shuō)明了P變質(zhì)過(guò)共晶鋁硅合金時(shí)能夠?yàn)槌蹙Ч栊魏颂峁┳銐虻漠愘|(zhì)核心，從而明顯的細(xì)化了初晶硅組織。

圖2 4%CuP10變質(zhì)的Al-20Si合金XRD分析圖

磷的變質(zhì)機(jī)制普遍認(rèn)為是異質(zhì)核心作用。磷作為初晶硅常用的有效變質(zhì)劑,在合金液中容易與鋁反應(yīng)生成熔點(diǎn)較高(A1P的熔點(diǎn)在1 000 ℃以上)的A1P化合物。其晶體結(jié)構(gòu)與Si相同，屬于金剛石型面心立方晶格，且晶格常數(shù)也非常接近(αAlP=0.546 nm, αSi=0.542 nm)，可作為異質(zhì)形核核心，細(xì)化初晶硅相[5]。

2.3 初晶硅形核生長(zhǎng)機(jī)制探討

從圖1.b中仔細(xì)地我們可以看出，并不是所有初晶硅相都一樣大，其大小形態(tài)各不一樣，這就產(chǎn)生了對(duì)形核與生長(zhǎng)問(wèn)題的進(jìn)一步研究的必要。從圖3中可以看出初生硅的形核生長(zhǎng)的簡(jiǎn)單示意圖，圖3.a為熔體，當(dāng)溫度下降時(shí)，在熔體中肯定會(huì)有形核基體產(chǎn)生，這是A1P肯定存在，但當(dāng)溫度下降至液相線(xiàn)下的時(shí)候，熔體中應(yīng)該也會(huì)有初晶硅析出，此時(shí)的初晶硅并不是在A1P異質(zhì)上形核的，而是在熔體中直接生長(zhǎng)出來(lái)的，為了便于后面區(qū)分，暫且叫其為一次初生硅，如圖3.b所示。在K.Fujiwara’s[6]硅原子依附生長(zhǎng)模型中，他認(rèn)為硅原子易于吸附在凹角處，同時(shí)為其他原子提供生長(zhǎng)臺(tái)階，產(chǎn)生更多的孿晶凹角；根據(jù)文獻(xiàn)[7-8] A1P本身就比初生硅相能提供更多的孿晶凹角，因此熔體中的硅原子易于在A1P表面聚集生長(zhǎng)，熔體中的硅原子都向A1P表面聚集形成二次初晶硅,如圖3.c，當(dāng)二次初晶硅相把A1P異質(zhì)形核基底全部包圍時(shí)，此時(shí)一次與二次初晶硅的生長(zhǎng)條件一樣，熔體中游離的硅原子會(huì)向這些一次和二次初晶硅上聚集使其長(zhǎng)大，這種生長(zhǎng)模式還應(yīng)該是連續(xù)生長(zhǎng)。

圖3 初生硅形核生長(zhǎng)示意圖

3 結(jié)語(yǔ)

(1)未變質(zhì)Al-20%Si合金初晶硅粗大，P變質(zhì)能有效改善初晶硅尺寸與形貌，且CuP10變質(zhì)存在最佳變質(zhì)點(diǎn)，4% CuP10變質(zhì)效果最好。

(2)在P變質(zhì)情況下，初生硅的形核存在均勻形核和異質(zhì)形核兩種形核模式，其生長(zhǎng)模式還是連續(xù)生長(zhǎng)。

[1] 歐陽(yáng)志遠(yuǎn)．鑄造鋁硅合金熔體處理中添加元素的行為及相互作用研究[D]．上海：上海大學(xué)，2006.46(8):126ˉ128.

[2] 逯允海,趙品.添加Ce與P+Sr復(fù)合變質(zhì)對(duì)高硅耐熱鋁合金組織與性能的影響[J].熱加工工藝, 2006, 35(9): 17ˉ19.

[3] 趙品,逯允海. P+Sr+Ce復(fù)合變質(zhì)對(duì)高硅耐熱鋁合金組織與性能的影響[J].中國(guó)稀土學(xué)報(bào), 2005, 23 (4): 471ˉ475.

[4] 張衛(wèi)文,尹志民,趙陽(yáng),等.過(guò)共晶高硅鑄造鋁合金磷一稀土雙重變質(zhì)處理[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 1995, 3(1): 59.

[5] 王澤華,毛協(xié)民,張金龍,等. Sr-PM復(fù)合變質(zhì)過(guò)共晶鋁硅合金[J].特種鑄造及有色合金, 2005, 25(4): 241ˉ243.

[6] K.Fujiwara,K. Maeda,N.Usami,K.Nakajima,Phys.Rev. Lett.101(1-4)(2008)055503.

[7] C.L.Xu,H.Y. Wang,C.Liu, Q.C.Jiang,J.Cryst.Growth 291(2006)540-547.

[8] R.Y. Wang, W.H.Lu,L.M.Hogan,J.Cryst.Growth 207(1999)43-54.

[9] 鄧進(jìn)俊.澆注溫度及變質(zhì)工藝對(duì)初生硅形態(tài)的影響[J],中國(guó)鑄造裝備與技術(shù),2015(4).

[10] 周運(yùn)海,陳文珂, 黃韋.A390合金近液相線(xiàn)法處理中初生硅形態(tài)的演變[J].中國(guó)鑄造裝備與技術(shù), 2012(5).

Discussion on the mechanism of primary silicon’s nucleation and growth process of automobile piston alloy

ZHOU PengFei
（Yancheng Vocational Institute of Industry Technology, Yancheng 224005,Jiangsu, China）

In this paper, study on microstructure and phase organization of P metamorphic Al-20 Si which used in piston of automobile by means of optical microscope and XRD, further analysis on the mechanism of primary silicon’s nucleation and growth has been don e. The results show: AlP heterogeneous nucleation has no doubt; whereas homogeneous nucleation is also exist, this can obtain from the same sample’s morphology, but in the process of crystal nucleation which mechanism dominated has not clear, needs further study.

automobile piston；primary silicon; modifi cation; microstructure

TG146.2；

A；

1006-9658（2017）04-0022-02

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.04.006

2017-01-09

稿件編號(hào):1701-1636

周鵬飛（1988—），男，碩士研究生，主要研究方向：汽車(chē)用鋁合金金屬的開(kāi)發(fā)研究工作.