強磁場對Al—Si合金凝固組織的細化研究意義

林東來

摘 要：Al-Si合金是目前使用較為廣泛的工程材料，其具有良好的耐磨和耐熱等性能及易于鑄造和流動性好等一系列優良特點，它主要應用于汽車、摩托車等發動機活塞材料。當前采用強磁場對Al-Si合金的晶粒進行細化，提高鋁硅合金的性能和質量的意義深遠。本文概括當前在強磁場下制備Al-Si合金的工藝研究并綜合分析強磁場對Al-Si合金性能的影響。

關鍵詞：Al-Si合金 強磁場 細化

中圖分類號：TG146 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）10（b）-0073-02

如今我國經濟已經進入快速發展階段，節約資源、創新技術與發展綠色循環經濟已成為人們關注的熱點。隨著工業、制造業的發展，材料科學也迅速發展，特別是生產領域上工程材料的廣范運用，工程材料的性能（硬度、耐磨性、韌性等）也越來越受到人們的關注與研究。Al-Si合金，它是一種輕質金屬材料，因其具備良好的耐磨和耐熱等性能及易于鑄造和流動性好等特點被人們所關注。為了獲得更好的共晶合金材料，對細化合金的凝固組織進行研究是有必要的。近些年來研究發現，在磁場下由于磁化力和洛倫茲力的作用對合金的凝固組織產生影響，將強磁場作為一種Al-Si合金改性手段，其性能得到了顯著提高。

1 強磁場對Al-Si合金細化處理的特點

隨著研究對Al-Si合金變質細化處理的不斷深入，人們正努力尋找可以細化鋁硅合金的方法。恰巧在研究材料電磁過程中發展了強磁場材料科學，便有研究人員嘗試在Al-Si合金的凝固過程中使用磁場的方法[1]，通過對材料處理過程中增加電磁場的手段，達到細化合金凝固組織。此方法以無接觸地傳遞能量，從而實現無污染加工工藝及設備簡單的特點，受到了廣大研究者的關注[2]。在研究過程中人們發現，強磁場能改變原子的遷移、排列和匹配等行為，它可以無接觸地將高強度的能量傳遞到物質的原子尺度來控制材料晶體取向和長大過程中分布的顆粒大小與形狀等[3]，從而改善材料的結構、組織及性能。

2 影響強磁場對Al-Si合金細化處理的因素研究

2.1 磁場梯度

綜合近幾年來在強磁場下制備Al-Si合金，磁場梯度在實驗過程中也成為改變強磁場工藝的一個因素。梯度磁場下的磁化力是影響分布狀態與第二相遷移行為的主要控制參數，當磁場梯度較小時，因磁化力受洛倫茲力的制約導致對第二相遷移控制的效果不明顯，但隨著增加磁場梯度，磁化力逐漸增強了作用效果。晉芳偉[4]等人在關于Al-Si合金凝固過程中通過實驗研究發現：當保持磁場強度基本穩定在某一值的情況下，觀察凝固試樣在不同磁場梯度下的宏觀組織，發現偏聚初晶硅顆粒分布的較為均勻，且尺寸有逐漸變小的現象。因為Si為抗磁性，而Al為順磁性，因此Si顆粒發生遷移由于磁場排斥力的作用，逐漸變小了聚集層的初晶硅尺寸。

2.2 磁場強度

根據目前實驗研究，在強磁場下對Al-Si的初晶硅進行分析時發現，當加熱至全熔態，由于強磁場抑制了對流效果，阻擋了自由移動的初晶硅晶粒，當其冷卻下來對凝固組織進行觀察，顯然發現初晶硅形態有得到了細化的改變，從一片片變成了一塊塊。但并不是磁感應強度越大細化效果就越好，雖然磁感應強度越大，洛倫茲力阻礙流體運動也逐漸變大，有更加明顯的效果在磁場的對流抑制。張維平[5]等在研究組織細化實驗中分別在5T、10T和無磁場下凝固后的微觀組織，認為細化中有最佳的磁場強度值存在。

3 強磁場對改善鋁硅合金性能的影響

3.1 機械性能

在Al-Si合金中，隨著硅含量增加，晶粒直徑的增大而降低了沖擊值與抗拉強度，并且硅含量越高，初晶硅細化越難，強磁場可以影響初晶硅晶粒尺寸。在施加強磁場的淬火組織中發現彌散分布以及細小的晶粒，這是由于有許多的細小初晶硅晶核生成，雖然晶粒數量增多，但尺寸減少了。這主要是通過強磁控制了晶粒的擴散、遏制了對流，使晶粒的長大受限、使組織得到細化。所以經過強磁變質處理的合金，能獲得滿意的機械性能。

3.2 鑄造性能

Al-Si合金結晶過程中隨著增加硅的含量加大了合金的疏松傾向，結晶溫度范圍變大，降低合金的氣密性，使合金的鑄造工藝性能變差。而在強磁場的作用下，由于磁場的作用使得固、液界面變形，導致界面失穩，促使胞晶向枝晶、平面向胞晶轉變以及細化了枝晶的分枝。這是因為磁場取向作用以及熱電磁力的作用，造成組織和凝固過程的變化，使得在強磁場下的Al-Si合金的枝晶的分枝細化，極大地改善了鋁硅合金的鑄造性能。

4 結語

強磁場在Al-Si合金細化處理工藝中，通過合金晶粒的細化處理，提高Al-Si合金耐磨性和其他一些性能，已得到了共同認可。但它作為材料熱處理的一種延續，材料最終性能的好壞，不能單單取決于強磁場處理的工藝，還有降溫過程中熱處理工藝或熱處理與強磁場處理之間相互搭配的工藝，需要相關的文獻進行探討，了解降溫過程中的熱處理與強磁場處理對材料影響的機理，這也會對強磁場處理技術穩定使用增加了難度。因此鑒于Al-Si合金類型和成分的多樣性和復雜性，強磁場處理后Al-Si合金凝固組織細化工藝研究意義，值得相關科研人員繼續深入實驗、歸類以及總結出一定的強磁場處理規律，達到進一步提高Al-Si合金性能的目的。

參考文獻

[1] S.Asai.Recent development and prospect of electromagnetic processing of materials[J]. Science and Technology of Advanced Materials，2000，1（4）：191-200.

[2] 王暉，任忠鳴，蔣國昌.均恒強磁場在材料科學中的應用[J].材料科學與工程，2001，19（2）：119-123.

[3] Asai Shigeo.Birth and Recent Activities of Electromagnetic Processing of Materials[J].ISIJ International，1989，29（12）：981-992.

[4] 晉芳偉，任忠鳴，任維麗，等.強磁場下過共晶鋁硅合金凝固過程中初晶硅的遷移行為[J].中國有色金屬學報，2007（17）：313-319.

[5] 張維平，袁聰.強磁場下Al-Si過共晶合金組織細化原理研究[J].材料科學與工藝，2007，15（5）：670-672.endprint