P-LaCe复合变质对过共晶Al-25%Si合金的变质效果

何红宇,石为喜,滕海琳,林业达,茆 俊,仇 正

(辽宁科技学院 冶金与材料工程学院,辽宁 本溪 117004)

过共晶铝硅合金以其有更小的比重、更低的线膨胀系数、良好的耐磨性和耐腐蚀,同时具有体积稳定性好等优点,而被选为制作发动机活塞的理想材料[1]。但在通常铸造条件下,未经细化处理的合金组织中常出现粗大的不规则块状初晶硅和长针状共晶硅。这些硅相严重割裂合金基体,导致合金的力学性能降低,因此需要对其进行变质细化处理[2]。常用的变质剂有Al-P、Cu-P、Na及Na盐、Sr及Sr盐和稀土等。P对于初晶硅来说,是理想的变质剂,P对初晶硅具有良好的变质作用[3-5],Na、Sr及其盐类对共晶硅具有良好的细化效果,稀土可同时细化初晶硅和共晶硅[6-8]。

因此,文章分别采用1.0%LaCe、0.8%P以及1.0%LaCe-0.8%P复合变质对Al-25%Si合金进行变质处理,研究不同变质剂对Al-25%Si合金的变质效果。

以工业纯铝(纯度99.7%)、结晶硅(纯度99.9%)为试验原材料,Cu-14%P和Al-10%LaCe中间合金为变质剂,对Al-25%Si合金进行变质处理。试验合金的化学成分如表1所示。

表1 Al-25%Si合金化学成分(百分含量%)

变质处理过程:将称量好的铝块和硅块放入石墨坩埚中,置于电阻炉内,设置温控仪升温至800 ℃,待铝块和硅块全部熔化为合金液后,除去表面的浮渣,并加入铝箔包覆的变质剂,待变质剂完全熔化后,除去浮渣,将合金液匀速地浇注于金属模具中,待金属模具自然冷却,就得到所需的合金铸锭。

利用线切割车床从铸锭上切割Φ15 mm×15 mm的金相试样,按标准金相制样程序制得样品,并用0.5 wt% HF酸腐蚀其表面,用于微观组织观察。分别采用金相显微镜(OM,蔡司Axio Imager M2m型)对变质前后的过共晶Al-25%Si合金样品表面形貌进行测试和分析。

用车床将金属锭加工成Φ15 mm×150 mm标准拉伸试样,用于力学性能测试。拉伸试验采用WAW-100型电液伺服万能材料试验机,在室温条件下以1 mm/min的位移速度进行。硬度试验采用HB-3000布氏硬度计测量材料硬度,压头直径为5 mm,试验载荷为2 450 N,载荷保持时间为30 s,卸载后通过测量读取显微镜下压痕直径,查找金属布氏硬度数值表读出硬度值。

2.1 微观组织

利用Axio Imager M2m金相显微镜对Al-25%Si合金组织形貌进行观察,变质处理前后的Al-25%Si合金的显微组织特征,如图1所示。变质处理前后的合金中共晶硅组织特征,如图2所示。

(a)未变质

由图1可知,未加变质剂的Al-25%Si合金初晶硅组织为粗大的五瓣星状及其他较复杂形状,平均晶粒约为150 μm～200 μm,如图1(a)所示。当加入1.0%的LaCe时,合金中的初晶硅尺寸略有减小,平均晶粒约为100 μm～120 μm,形态上未发生明显变化,仍为五瓣星状及其他复杂的形状,如图1(b)所示。当加入0.8%P时,合金中初晶硅组织发生明显变化,由粗大的五瓣星状及其他较复杂形状转变为细的多边形状和板片状,晶粒尺寸细化明显,平均晶粒约为30 μm～50 μm,而且初晶硅在基体中弥散分布,变质作用良好,如图1(c)所示。当加入1.0%LaCe和0.8%P时,如图1(d)所示,对于初晶硅而言,变质细化效果依旧十分明显,五瓣星状初晶硅已经全部消失,但是初晶硅细化后平均晶粒尺寸较单纯P变质的效果差,初晶硅平均晶粒尺寸大于P变质后的平均晶粒尺寸,同时初晶硅形态有朝着复杂多边形等发展的倾向。通常在复合变质条件下,各种变质剂的变质效果可以相互叠加,最大限度地细化合金中的初晶硅相,而当两种变质剂均以最佳变质剂添加量加入时,将会产生过变质的现象,因此可适当降低P和LaCe的添加量,以取得最佳的变质效果。已有文献认为[3-5],在过共晶铝硅合金液中加入P变质剂后,P与Al可生成大量的AlP中间相,AlP的熔点达1 000 ℃以上,AlP的晶格常数为0.546 nm,而Si的晶格常数为0.543 nm,两者数值上非常接近,另外,AlP与初晶硅均为面心立方结构,且晶格错配度小于1%,因此,AlP可作为初晶硅的异质形核核心,在合金液凝固过程中可为初晶硅的形核提供场所,从而使初晶硅得到细化。

由图2可知,未加变质剂的Al-25%Si合金中的共晶硅为长针状,密集分布于Al基体上,如图2(a)所示。当加入1.0%的LaCe时, 合金中共晶硅发生明显变化,共晶硅从长针状变为颗粒状或短棒状,尺寸大幅减小,仅为未加变质剂时共晶硅组织的几十分之一,如图2(b)所示。当加入0.8%的P时,合金中共晶硅仍然为长针状分布,尺寸略有减小,分布密度大幅降低,如图2(c)所示。当加入1.0%LaCe-0.8%P时,如图2(d)所示,合金中的共晶硅仍以长针状分布,与单独P变质相比,尺寸略有增加,分布密度相差无几,同时在该合金中发现了大量黑色针状组织,后续可进一步开展相关研究。相关文献报道[8],未变质合金中的共晶硅相,其孪晶密度较低,其相对有限的分支加之其特定的生长取向共同决定了其粗大的长针状形貌特征。当合金中加入了La、Ce等稀土元素时,稀土元素将在硅相的生长前沿聚集,阻碍共晶硅的长大,同时诱发形成大量孪晶,使得共晶硅的生长方式发生转变,由粗大的长针状变为细小颗粒状和短棒状,从而改变共晶硅组织的形貌。

2.2 力学性能

Al-25%Si合金变质前后的抗拉强度与硬度的变化如表2所示。

表2 Al-25%Si合金变质前后的抗拉强度与硬度的变化

通过四组试验比较,经变质处理后,Al-25%Si合金的拉伸强度及硬度都有不同程度的提高,经P变质和P-LaCe复合变质后合金的抗拉强度和硬度均比用混合稀土LaCe变质的试样要高得多,同时对比这两组测试结果发现,单纯用P作为变质剂进行变质处理会比P-LaCe复合变质处理后的合金强度、硬度要高,可能是由于P-LaCe复合变质产生了过变质的原因。结合金相分析结果,可以看出细化合金中的初晶硅比细化共晶硅更能提升过共晶铝硅合金的力学性能。

未经变质细化处理的Al-25%Si合金,其力学性能相对较差,其原因在于合金组织中存在着粗大的五瓣星状及其他较复杂形状的初晶硅相以及长针状的共晶硅,对于基体存在着严重的割裂作用,在硅相的棱边及尖角处易造成应力集中,因此未变质合金抗拉强度和硬度均较低。变质后的合金中,其硅相组织明显细化,形状及分布得到改善,其对基体的割裂作用大大弱化,合金塑性明显增强,因此合金的力学性能得到大幅提升[8]。

(1)在Al-25%Si合金中分别加入1.0%LaCe、0.8%P以及1.0%LaCe-0.8%P复合变质,合金中的初晶硅都有着不同程度的细化作用,尤以0.8%P的变质效果为最佳,初晶硅由未变质的粗大的五瓣星状及其他较复杂形状转变为细的多边形状和板片状,平均晶粒尺寸由150 μm～200 μm细化至30 μm～50 μm。共晶硅以长针状分布,分布密度明显降低。

(2)单纯加1.0%LaCe处理后,合金中初晶硅形态上无变化,平均晶粒尺寸略有减小,共晶硅发生明显变化,从长针状变为颗粒状或短棒状,尺寸大幅减小。P-LaCe复合变质需控制好二者的添加量的配比,否则易产生过变质现象,降低变质效果。

(3)力学性能测试表明,经变质处理后的Al-25%Si合金的抗拉强度与硬度均有不同程度增加,以0.8%P的力学性能为最佳,与金相组织细化程度相对应。

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