探析熔體過熱處理對亞共晶Al-Si合金凝固特性和組織的影響

牛 玉

（吉林化工學院，吉林 吉林 132022）

Al-Si合金在工業領域中應用廣泛，表現出優異的鑄造性能。相關研究指數，對Al-Si合金進行熔體過熱處理，可將共晶硅轉變成棒狀或點狀，無需使用變質劑，規避其帶來的環境污染、性能衰退等問題，進而優化其凝固組織，強化結構的力學性能。

1 熔體過熱處理實驗

在合金從熔體轉變為凝固狀態的過程中，熔體溫度與均勻化時間，會影響合金熔體的狀態；凝固時的冷卻條件，會影響合金的凝固組織性能。就此，實驗目的在于探究熔體熱處理對熔體狀態的影響、冷卻條件對凝固組織的影響，為Al-Si合金生產中共晶硅的控制提供幫助。

1.1 實驗材料

選擇99.995%的鋁和99.999%的單晶硅為原材料，通過高真空中頻感應爐進行材料的熔煉，獲得進行Al-Si合金，其硅含量為17.59%。將Al-Si合金置于鋼模中澆筑。澆筑結構為φ8×150mm，呈小棒狀，用于熔體狀態影響實驗，分析熔體過熱處理對Al-Si合金組織的影響。

選擇高純鋁和多晶硅為原材料，通過高真空中頻感應爐進行材料的熔煉，獲得Al-Si合金，其硅含量為17.42%。將Al-Si合金置于鋼模中澆筑[1]。澆筑結構為φ26×130mm，呈圓柱型，用于凝固組織影響實驗，分析熔體過熱處理對Al-Si合金凝固特性的影響。

1.2 實驗方法

1.2.1 熔體過熱處理對熔體狀態的影響實驗

首先應用顯微鏡、金相分析儀等設備，觀察母材Al-Si合金的金相組織特征，發現初生硅粗大、分散在組織結構中；共晶硅以針狀為主。說明該合金組織性能較差，需進行進一步處理。在此基礎上，本文開展熔體過熱處理實驗，對Al-Si合金熔體進行等溫液淬處理，分析其對初生硅的影響，明確熔體過熱處理對Al-Si合金組織的影響。實驗條件如下：

（1）過熱溫度為700℃，觀察保溫時間10min、30min、60min、120min的液淬組織特征；過熱溫度為800℃，觀察保溫時間10min、30min、60min、90min的液淬組織特征；過熱溫度為900℃，觀察保溫時間10min、30min、60min、90min的液淬組織特征；過熱溫度為1000℃，觀察保溫時間15min、30min、60min、90min的液淬組織特征；過熱溫度為1100℃，觀察保溫時間7min、20min、30min的液淬組織特征。觀察不同等溫液淬條件下，Al-Si合金組織的初生硅變化，其對組織的影響。

（2）將1號液淬組織在622℃溫度條件下保溫10min；將2號液淬組織加熱至900℃，隨爐冷卻至622℃，保溫10min，對比兩種處理方式下初生硅的變化，明確熔體熱經歷對Al-Si合金組織的影響。

1.2.2 冷卻條件對凝固組織的影響實驗

按照700℃、900℃、1100℃的過熱條件，對硅含量為17.42%的Al-Si合金進行處理，設置不同冷卻速率，分析冷卻條件對凝固組織的影響。在實驗中，不同冷卻速率通過Al-Si合金的不同臺階厚度來實現，共設置四個臺階，其對應的降溫速率分別為904℃/s、139℃/s、28℃/s、5℃/s。在三種過熱條件下保溫30min，觀察凝固組織、共晶組織形態特征。同時，對Al-Si合金熔體反復重熔，分別進行循環一次、循環三次的加熱處理，分析循環過熱對凝固組織的影響[2]。

2 熔體過熱處理實驗結果分析

2.1 熔體狀態影響實驗結果

2.1.1 等溫液淬條件影響

通過顯微鏡觀察不同等溫液淬條件下的Al-Si合金組織可知，在同樣的過熱溫度下，保溫時間越長，合金組織內的初生硅數量越少，結構越小；在同樣的保溫時間下，過熱溫度越高，合金組織內的初生硅數量越少，結構越小。在1100℃的過熱溫度、30min的保溫時間下，Al-Si合金內的初生硅結構最小、數量最少，且在組織內均勻分布，難以分辨初生硅和共晶硅。隨著過熱溫度與保溫時間的增加，共晶組織也會出現相應的變化，即分布均勻、結構細化。但熔體過熱處理對其的影響顯著低于初生硅組織。

根據定量金相分析，在某一個熔體過熱溫度下，只有保溫時間達到一定數值后，初生硅組織方可表現出均勻化、細化的成果。在700℃的過熱溫度下，該數值為60min；在800℃與900℃的過熱溫度下，該數值為630min；在1000℃的過熱溫度下，該數值為20min；在1100℃的過熱溫度下，該數值為30min。在保溫時間超過該數值后，即可在合金組織內形成偽共晶狀態。

2.1.2 熔體熱經歷影響

在對熔體進行不同處理后，組織內初生硅的變化不同。將熔體直接在622℃保溫時，初生硅相出現溶解現象，受組織內曲率影響，初生硅表現出不同的溶解速率。組織內尖角位置的初生硅溶解速度，要高于組織內的平面內位置，使得組織內平面區域的初生硅，大都以多邊形結構存在，且具備鈍化與球化特征。將熔體在900℃條件下過熱處理，再置于622℃條件下保溫，初生硅出現生長現象。在組織內部，小平面區域的初生硅聚集并生長。根據熱力學理論可知，在同一溫度條件下，合金熔體狀態大致相同。但觀察實驗結果發現，在同樣保溫溫度條件下，合金熔體是否經過過熱處理，會對其組織形態產生影響。可見，在合金熔體狀態下，其高溫環節出現的結構變化，在溫度降低后，不能完全恢復，可以判斷合金組織與其熔體狀態息息相關。

2.2 凝固組織影響實驗結果

2.2.1 冷卻條件對初生硅的影響

在700℃的過熱溫度下，不同冷卻速率下的組織結構不同，在904℃/s、139℃/s的降溫速率下，組織內的初生硅表現出細小、分布均勻的特征；在28℃/s、5℃/s的降溫速率下，組織內的初生硅表現出粗大聚集特征，說明降溫速率越快，越能夠抑制初生硅的生長。

在900℃的過熱溫度下，不同冷卻速率下的組織結構不同，在904℃/s、139℃/s、28℃/s的降溫速率下，組織內的初生硅表現出細小特征，呈羽毛狀分布，降溫速率越高，該特征越顯著。在904℃/s的降溫速率下，組織內的初生硅甚至難以辨別。在5℃/s的降溫速率下，組織內的初生硅較為粗大。在1100℃的過熱溫度下，所有降溫速率下的組織初生硅均表現出細小、分布均勻的特征。可見，在合金凝固組織中，初生硅不僅受降溫速率影響，還受熔體過熱處理時的熔體狀態影響。

同時，在不同的過熱溫度下，組織內初生硅的形態有所差異。在過熱處理過程中，組織內初生硅不僅表現為星形，還出現羽毛狀，更為均勻地分散在組織中，強化合金組織的性能。另外，根據各個組織的定量金相分析結果，在過熱溫度升高的條件下，不同冷卻速率的組織內初生硅的面積差值縮小，說明冷卻速率對組織內初生硅的影響程度逐漸降低，可判斷過熱處理會降低初生硅對降溫速率的敏感性。

2.2.2 冷卻條件對共晶組織的影響

為深入分析冷卻條件對凝固特性的影響，本文還對冷卻處理后的共晶組織進行觀察與分析。分析結果顯示，在對合金熔體進行過熱處理時，降溫速率與過熱溫度，均會對共晶組織形態產生影響。在降溫速率加大或過熱溫度升高的條件下，共晶組織內的共晶硅從長片狀轉變為粒狀，說明共晶硅的過冷度有所增加，對共晶硅的生長產生影響，強化合金性能。

同時，在Al-Si合金組織中，共晶硅過冷度的提升，還會導致非平衡凝固現象，使組織中的偽共晶區在相圖內更為靠近硅的一側。就此，可以判斷，在Al-Si合金組織中，熔體過熱處理溫度越高，降溫速率越大，共晶組織內的含硅量越大。而實際實驗結果，也驗證該結論。在降溫速率固定的條件下，過熱溫度為700℃時，含硅量為10.32%；在過熱溫度為900℃時，含硅量為12.21%；在過熱溫度為1100℃時，含硅量為17.35%。

2.2.3 循環過熱的影響

根據實驗結果可知，和普通過熱處理相比，一次循環過熱的組織初生硅細化與均勻化程度更高；和一次循環過熱相比，三次循環過熱的組織初生硅細化與均勻化程度更高。可見，在熔體過熱處理中，循環過熱措施可強化熔體內初生硅的細化與均勻化程度。出現該現象的原因在于循環過熱可為熔體提供更多的熱量，提高熔體的均勻性，進而提高熔體在凝固再結晶過程中的過冷度，使合金組織得到細化。通過多次循環過熱，可優化凝固再結晶過程，不僅可消除合金組織內具備生長特征的結構相，還可消除合金組織內的異質形核，有效抑制二者生長，優化合金組織結構。

綜合上述分析結果可知，在Al-Si合金生產中，熔體過熱處理的溫度與降溫速率，是影響其凝固特性與組織結構的主要因素。為避免Al-Si合金中出現粗大的初生硅，使初生硅與共晶硅細化，優化合金組織，制造企業可提升熔體過熱處理的溫度，并采取循環過熱處理手段，提高Al-Si合金冷卻時的降溫速率，提高初生硅的細化程度，使其在Al-Si合金組織內均勻分布，提高共晶硅組織的含硅量，進而提升Al-Si合金組織的強度、硬度，使Al-Si合金的工業生產中的應用更為廣泛。同時，在設定Al-Si合金熔體過熱處理的溫度時，制造企業需考慮合金材料的零件結構，對于尺寸較小、結構簡單、壁薄的零件，以較低的溫度進行熔體過熱處理即可；對于尺寸較大、結構壁厚的零件，以較高的溫度進行熔體過熱處理，實現Al-Si合金熔體熱處理參數的最優化，保障合金質量。

3 結論

綜上所述，在熔體過熱處理中，處理參數會影響Al-Si合金的組織，處理時的過熱溫度越高、保溫時間越長，初生硅結構越小，在合金組織內的分布越均勻，Al-Si合金的性能越強。同時，冷卻條件會影響Al-Si合金的凝固特性，制造企業可通過冷卻速率提升、熔體處理溫度升高、循環過熱等方式，強化凝固特性，制備更優質的Al-Si合金，推動工業發展。