共晶Al-18Si-2Cu合金組織及性能的研究

張小平

(渭南市職業(yè)技術學院， 陜西 渭南 711711)

隨著鋁合金中硅含量的增加，合金組織中會生成板片狀、針狀的共晶硅以及大量粗大且不規(guī)則的塊狀初生硅，在材料受力時，硅粒子的尖端及其棱角部位會形成應力集中，割裂較軟的鋁合金基體，這不但會使合金的抗拉強度降低，而且明顯降低合金的塑性和耐磨性。同時，材料在機械加工時，合金中硬質大塊硅相會導致刀具磨損嚴重，切削加工困難。所以，研究如何細化過共晶鋁硅合金中的初生硅，提高材料的加工性能及力學性能，對變質理論的完善發(fā)展及其應用具有極其重要的意義。由于過共晶鋁硅合金中存在各類不規(guī)整形態(tài)的硬質硅相，使其力學性能和加工性能都比較差，為了使初生硅在工業(yè)生產中得到更廣泛的應用，必須對初生硅進行細化變質[1-3]。長期以來，人們研究并應用多種變質劑對過共晶鋁硅合金的初生硅進行變質細化，但目前為止，所有類型單一的變質劑都未能得到令人滿意的變質效果[4-8]。所以，為了得到更好的變質效果，目前人們傾向于采用復合變質的方法，而復合變質也是未來對過共晶鋁硅合金變質的新途徑和趨勢。

鑒于此，本課題采用新型復合變質劑，通過一系列實驗，研究其變質效果、作用機制以及熱處理前后合金的力學性能變化。開展的研究內容如下：復合變質劑對Al-18Si-2Cu鑄態(tài)下組織及力學性能的影響，包括Al-P變質、Al-P與鐵基非晶復合變質、Al-P與鎳基非晶復合變質、Al-P與TiC復合變質等；復合變質劑對Al-18Si-2Cu熱處理后組織及力學性能的影響；變質溫度對非晶變質效果的影響。

1 實驗部分

1.1 化學試劑

鋁磷，分析純，山東呂美熔體技術有限公司；鐵非晶，分析純，成都錦尚科技責任有限公司；鎳非晶，分析純，成都錦尚科技責任有限公司；TiC，分析純，天津市元立化工有限公司。

1.2 實驗儀器及設備

MTS-810型電液伺服實驗機，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；QT08型線切割機，鄭州長城科工貿有限公司；JSM-5310型掃描電子顯微鏡，Edinburgh Instrμments；XJZ-6型顯微鏡(oM)(配有數(shù)碼相機)，德國布魯克光譜儀器公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 各類變質劑的制備

(1)實驗用重500g的圓錠狀Al-4.5P，用手工鋸將其鋸成1cm3～2cm3大小的鋁磷塊，然后用鋁箔紙包好。(2)實驗用鐵基非晶與鎳基非晶均為厚30μm的金屬薄帶，為使非晶快速熔化，需將非晶剪成0.2cm2～0.5 cm2的小碎片。(3)實驗用的TiC粉末為吉林大學鑄造實驗室老師制備，TiC粉末在銅合金的變質處理上取得了顯著效果，本實驗之一是把TiC粉末用于鋁合金變質，試圖研究TiC粉末對Al-18Si-2Cu的初生硅是否有細化作用。

1.3.2 過共晶鋁硅合金的變質過程

以加入Al-P和Ni非晶復合變質劑為例：把600g左右的Al-18Si-2Cu合金板放入坩堝中，把爐溫調到850 ℃，等待鋁合金熔化；用打渣勺清除鋁合金液體上方的氧化物；用鋁箔紙包裹Al-P，用打渣勺將其按入坩堝底部，待Al-P熔化后，充分攪拌，然后保溫20min；將Ni非晶碎片均勻撒入到坩堝中，充分攪拌，然后保溫5min；加入清渣劑，加入量約為0.5%，將清渣劑用鋁箔包裹，用打渣勺將其按入爐子底部，待打渣劑熔化后攪拌，保溫2min～3min，用打渣勺將爐渣清出；用坩堝鉗夾出坩堝，從模具的一側，將金屬液澆注到金屬模中，待其冷卻后，取出鋁板。

2 實驗結果與討論

2.1 鑄態(tài)組織與性能

2.1.1 未變質Al-18Si-2Cu合金

如圖1所示，圖中深灰色片狀部分為初生硅，顏色稍淺條狀部分為共晶硅，而近白色部分為共晶鋁?？梢钥闯?，未變質的過共晶Al-18Si-2Cu合金中的初生硅形狀不規(guī)整，呈多角形且初晶硅晶粒粗大，平均尺寸在130μm左右。此外，由圖1(a)可以看出，未經變質的初晶硅分布及其不均勻。這樣的過共晶鋁硅合金力學性能很差，不經過變質細化是很難在工業(yè)生產中使用的。

圖1 未變質過共晶Al-18Si-2Cu合金的組織Fig.1 Microstructure of unmodified eutectic Al-18Si-2Cu alloy

2.1.2 Al-P變質

試驗中加入0.5wt.%的Al-P變質劑。如圖2所示，Al-P對過共晶Al-18Si-2Cu合金的變質作用十分明顯，經過Al-P變質劑變質之后，初生硅的尺寸明顯變小，平均尺寸為20μm左右，初晶硅分布變得更均勻。初生硅形態(tài)由粗大的五角星形或者板形變?yōu)樾螤罹鶆虻亩噙呅?，且變得更加圓滑。Al-P變質的機理是可以作為初生硅形成的核心，使得初生硅形成的核心增多，從而使初生硅變小，分布更加均勻。

圖2 Al-P變質后過共晶Al-18Si-2Cu合金的組織Fig.2 Microstructure of hypereutectic Al-18Si-2Cu alloy modified by Al-P

Al-P變質的Al-18Si-2Cu合金，試樣(0-1號)尺寸3.74mm×1.62mm×10mm，抗拉強度220.5MPa，延伸率2.84%；試樣(0-2號)尺寸3.74mm×1.76mm×10mm，抗拉強度208.0MPa，延伸率1.96%?？梢钥闯?，單獨使用Al-P變質的Al-18Si-2Cu合金，平均抗拉強度為214MPa，平均延伸率為 2.4%。而通過查閱資料可知，未變質的Al-18Si-2Cu抗拉強度大約為170MPa，變質后其拉伸性能得到了大幅提高。

2.1.3 Al-P和Fe基非晶復合變質

試驗中，在爐內加入0.5wt.%的Al-P和0.05wt.%的鐵基非晶復合變質劑。如圖3所示，使用Al-P和Fe非晶復合變質后，過共晶Al-18Si-2Cu合金中初晶硅的形狀大小并沒有明顯變化，共晶硅形態(tài)變得更加復雜，尺寸也有所減小，可以初步判斷Fe-非晶的作用機理是影響共晶硅或者共晶鋁的生長方式，但是還需進一步驗證。

圖3 Al-P和Fe非晶復合變質后過共晶Al-18Si-2Cu合金的組織Fig.3 Microstructure of hypereutectic Al-18Si-2Cu alloy modified by Al-P and Fe amorphous composite

Al-P和Fe非晶復合變質的Al-18Si-2Cu，試樣(1-1)號尺寸3.90mm×1.68mm×10mm，抗拉強度195.2MPa，延伸率1.97%；試樣(1-2)號尺寸3.94mm×1.52mm×10mm，抗拉強度200.4MPa，延伸率2.25%?？梢钥闯?，使用Al-P和Fe非晶復合變質的Al-18Si-2Cu合金，平均抗拉強度為197.8MPa，平均延伸率為 2.11%，相對于只用Al-P變質后的Al-18Si-2Cu力學性能略有下降。

2.1.4 Al-P 和Ni非晶復合變質

試驗中，在爐內加入0.5%的Al-P和0.1%的鐵基非晶復合變質劑。如圖4所示，使用Al-P和Ni非晶復合變質劑對過共晶Al-18Si-2Cu合金進行變質后，初晶硅與共晶硅變質更為均勻，初晶硅不但尺寸變小而且形態(tài)變得更加圓滑，棱角不是很明顯，初晶硅平均尺寸為20μm。變質效果比單獨使用Al-P變質效果更好。

圖4 Al-P和Ni非晶復合變質后過共晶Al-18Si-2Cu合金的組織Fig.4 Microstructure of hypereutectic Al-18Si-2Cu alloy modified by Al-P and Ni amorphous composite

Al-P 和Ni非晶復合變質的Al-18Si-2Cu，試樣(2-1)號尺寸3.54mm×1.82mm×10mm，抗拉強度255.4MPa，延伸率3.18%；試樣(2-2)號尺寸3.78mm×1.96mm×10mm，抗拉強度247.6MPa，延伸率3.22%?？梢钥闯觯褂肁l-P和Ni非晶復合變質的Al-18Si-2Cu合金，平均抗拉強度為251.5MPa，平均延伸率為 3.20%。合金的抗拉強度和延伸率都比較高，原因是經過Al-P和Ni非晶復合變質后，Al-18Si-2Cu合金的初晶硅和共晶硅分布都比較均勻，初晶硅細小且圓滑。

2.1.5 Al-P 和TiC復合變質

如圖5所示，使用Al-P和Ni非晶復合變質劑對過共晶Al-18 Si-2Cu合金進行變質后，共晶硅和初晶硅的分布都相對均勻，初晶硅晶粒尺寸也有所減小，平均粒度尺寸為30μm左右，初生硅形態(tài)不規(guī)整，而且出現(xiàn)了條狀初晶硅，這會在材料受力時產生應力集中，影響使用。

Al-P 和TiC復合變質的Al-18Si-2Cu，試樣(3-1)號尺寸3.66mm×1.98mm×10mm，抗拉強度183.7MPa，延伸率1.63%；試樣(3-2)號尺寸3.64mm×1.92mm×10mm，抗拉強度181.7MPa，延伸率1.43%?？梢钥闯?，經過Al-P和Fe非晶復合變質后，合金的平均抗拉強度為182.7 MPa，平均延伸率為1.53%。無論是抗拉強度還是延伸率都表明，Al-P和TiC復合變質效果并不好。

圖5 使用Al-P和TiC復合變質后過共晶Al-18Si-2Cu合金的組織Fig.5 Microstructure of hypereutectic Al-18Si-2Cu alloy modified by Al-P and TiC composite

2.2 熱處理對變質Al-18Si-2Cu合金組織與性能的影響

為了提高力學性能、加工性能和穩(wěn)定尺寸，需對過共晶鋁硅合金進行熱處理。本次實驗對Al-18Si-2Cu采用T6熱處理。T6熱處理包括固溶處理和完全人工時效，即把合金加熱到高溫單相區(qū)恒溫保持，使過剩相充分溶解到固溶體中后快速冷卻(水冷)，以得到過飽和固溶體。較高的時效溫度和較長的保溫時間可使合金獲得最大的硬度和最高的抗拉強度，但會使其伸長率較低。根據合金成分不同，參數(shù)的選取也不同，本實驗所選取的工藝參數(shù)為：500℃固溶處理8h，60℃～100℃水冷，然后在180℃進行完全人工時效6h，空冷。

圖6為Al-P變質Al-18Si-2Cu合金的熱處理組織，可以看出，T6熱處理使初生硅棱角鈍化，長針狀的共晶硅變得更加細小。試樣在1822.8N的拉力下被拉斷，最大伸長量為0.38mm，經計算，試樣的抗拉強度為259.2MPa，延伸率為3.08 %。通過對比可以看出，試樣在T6熱處理之后抗拉強度和延伸率有一定提高，這主要是初生硅和共晶硅被球化減小了其對鑄件的割裂作用，提高了拉伸性能。

圖6 Al-P變質Al-18Si-2Cu的熱處理組織Fig.6 Heat treatment structure of Al-18Si-2Cu alloy modified by Al-P

圖7為Al-P和Fe基非晶復合變質Al-18Si-2Cu的熱處理組織。試樣在1761.6N的拉力下被拉斷，最大伸長量為0.32mm，經計算，試樣的抗拉強度為263.7MPa，延伸率為3.19%。與未經熱處理的合金相比，試樣在T6熱處理之后抗拉強度和延伸率有一定提高。

圖8為Al-P和鎳非晶復合變質Al-18Si-2Cu的熱處理組織。試樣在1761.0N的拉力下被拉斷，最大伸長量為0.29mm，經計算，試樣的抗拉強度為270.4MPa，延伸率為3.23%。T6熱處理使得基體得到了固溶強化，變質Al-18Si-2Cu的硬度會有較大提高，完全人工時效使其抗拉強度有所提高。

圖7 Al-P和Fe基非晶復合變質Al-18Si-2Cu的熱處理組織Fig.7 Heat treatment microstructure of Al-18Si-2Cu alloy modified by Al-P and Fe

圖8 Al-P和Ni基非晶復合變質Al-18Si-2Cu的熱處理組織Fig.8 Heat treatment microstructure of Al-P and Ni amorphous composite modified Al-18Si-2Cu

圖9為Al-P和TiC復合變質Al-18Si-2Cu的熱處理組織。試樣在1027.7N的拉力下被拉斷，最大伸長量為0.081mm，經計算，試樣的抗拉強度為182.5MPa，延伸率為1.91%。Al-P和TiC復合變質Al-18Si-2Cu合金在鑄態(tài)下的抗拉強度和延伸率不高，經過T6處理之后，試樣的性能與非晶處理的試樣仍有一定的差距。

圖9 Al-P和TiC復合變質Al-18Si-2Cu的熱處理組織Fig.9 Heat treatment microstructure of Al-P and TiC composite modified Al-18Si-2Cu

2.3 非晶變質處理溫度對Al-18Si-2Cu組織及性能的影響

通過實驗和對比分析可以看到，使用Al-P和Ni基非晶作為變質劑對Al-18Si-2Cu合金進行復合變質，變質效果良好，無論是在鑄態(tài)下還是在T6熱處理后，變質合金都具有較高的抗拉強度和延伸率。所以，我們有必要以溫度為變量，探討非晶變質溫度對過共晶鋁硅合金組織及性能的影響，研究最適合Al-P和Ni基非晶復合變質劑的變質溫度。我們分別對變質溫度為790 ℃、820 ℃、850 ℃進行了實驗。

2.3.1 變質溫度790℃

在850℃條件下熔化Al-18Si-2Cu合金板，然后把爐溫降低，用溫度計測量為790℃后，加入Al-P變質劑，然后加入Ni基非晶。圖10為變質后Al-18Si-2Cu合金的金相組織。試樣(0-1)號尺寸3.70mm×1.38mm×10mm，抗拉強度232.4MPa，延伸率3.10%；試樣(0-2)號尺寸3.70mm×1.32mm×10mm，抗拉強度224.1MPa，延伸率3.13%；經計算，材料的平均抗拉強度為228.3 MPa，平均延伸率為3.12 %。

圖10 變質溫度790℃下Al-18Si-2Cu合金的金相組織Fig.10 Metallographic structure of Al-18Si-2Cu Alloy at metamorphic temperature 790℃

2.3.2 變質溫度820℃

圖11為變質后Al-18Si-2Cu合金的金相組織。在相同試樣長度下，變質溫度為820 ℃時試樣的伸長量高于變質溫度為790℃的試樣。試樣(1-1)號尺寸3.36mm×1.80mm×10mm，抗拉強度292.1MPa，延伸率3.45%；試樣(1-2)號尺寸3.52mm×1.82mm×10mm，抗拉強度265.8MPa，延伸率3.24%；經計算，試樣的平均抗拉強度為265.8MPa，平均延伸率為3.24%。相比之下，抗拉強度和延伸率均高于變質溫度為790℃的試樣。

圖11 變質溫度820℃下Al-18Si-2Cu合金的金相組織Fig.11 Metallographic structure of Al-18Si-2Cu Alloy at metamorphic temperature 820℃

2.3.3 變質溫度850 ℃

圖12為變質后Al-18Si-2Cu合金的金相組織。試樣(2-1)號尺寸3.50mm×1.66mm×10mm，抗拉強度249.5MPa，延伸率3.11%；試樣(2-2)號尺寸3.54mm×1.82mm×10mm，抗拉強度223.6MPa，延伸率3.19%；試樣(2-3)號尺寸3.64mm×1.28mm×10mm，抗拉強度237.5MPa，延伸率3.03%；經計算，試樣的平均抗拉強度為236.8 MPa，延伸率為3.11%。相比于變質溫度為820 ℃的試樣，其抗拉強度和延伸率都有所降低，說明850 ℃的變質溫度下，Ni非晶的孕育效果受到了弱化。

圖12 變質溫度850℃下Al-18Si-2Cu合金的金相組織Fig.12 Metallographic structure of Al-18Si-2Cu Alloy at metamorphic temperature 850℃

3 結論

本文研究了復合變質對Al-18Si-2Cu合金組織及性能的影響，得到了如下結論：

(1)Al-P是一種有效細化過共晶鋁硅合金中初生硅的變質劑，加入Al-P后，Al-18Si-2Cu中的初晶硅變得均勻，平均晶粒尺寸由130μm降低到20μm。Al-P變質后Al-18Si-2Cu合金平均抗拉強度為214MPa，平均延伸率為2.4%。

(2)非晶對初生硅影響不大，但能增加共晶硅的形核數(shù)量，使針狀的共晶硅得到細化。加入非晶后，Al-18Si-2Cu合金的抗拉強度有一定提高，其中Ni非晶的變質效果比Fe非晶好。在拉伸試驗中，Al-P與Fe非晶的復合變質后，材料的抗拉強度為197.7MPa，延伸率為 2.11%；而Al-P與Ni非晶的復合變質后，材料的抗拉強度達到了251.5MPa，延伸率為3.20%。

(3)Al-P與TiC復合變質對Al-18Si-2Cu的變質效果不太明顯。變質后，試樣的延伸率為1.53%，抗拉強度為182.7MPa。

(4)T6熱處理不能改變初生硅的大小，但能使初生硅晶粒圓鈍化，此外，熱處理能使針狀和條狀的共晶硅?；Ｔ诶煸囼炛?，圓鈍化的初晶硅和粒狀的共晶硅能減少應力集中，減小了其對鑄件的割裂作用，使變質后的Al-18Si-2Cu抗拉強度都有所提高。

(5)最適合Ni基非晶的變質溫度是820℃，此時，變質后的Al-18Si-2Cu具有最大的抗拉強度278.9MPa和最高的延伸率3.39%，當溫度達到850℃時，Ni基非晶的變質效果受到了弱化。