高硅铝合金悬浮铸造的组织细化 - 文章

高硅铝合金悬浮铸造的组织细化

作者：李小平陈振华曹标傅定发

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摘　要　在一定过热条件下，向Al-30Si金属液体中加入同种成分的不同粒度和不同量的快速凝固粉末，能使合金中粗大的初晶Si得到很好的细化，从而探索出一种能使高硅铝合金初晶硅细化的简单有效的方法。
关键词：高硅铝合金　悬浮铸造　组织细化

高硅铝合金按照普通的铸造方法得到异常粗大的初晶硅，为使初晶硅细化，可向金属液中加入变质剂［1］。但变质剂的加入量控制很严，又增加成本，工艺较复杂，且有时因外来质点的加入，使金属外来颗粒、夹杂增多，降低其性能。试验采用悬浮铸造的方法，将定量的同种成分的金属粉末加入到金属液体中去，使之与熔体均匀混合并悬浮于其中，起吸热、形核、促进凝固的作用，阻止初晶硅的连续长大，从而得到初晶硅明显细化的组织，故此方法是一种直接控制金属液凝固的方法。本文对Al-30Si合金在一定的过热条件下(150℃)，对所加入的固体颗粒的粒度、加入量对初晶硅析出的影响，进行了研究。

1　试验方法与装置

试验采用ZL102(Al-12Si)与工业纯硅制得Al-30Si合金，采用本所自已制造的多级雾化装置制得20～80目、80～150目、150目粉，所用块状颗粒(3～5 mm)为机械破碎，然后利用如图1所示的装置，在浇入与金属液体温度相同的坩埚的同时加入不同质量分数(分别为10%、16.7%、25%、33.3%)的金属粉末，在经搅拌后坩埚中冷却后得到所需的试样。

图1　悬浮铸造示意图
1.合金粉　2.坩埚　3.金属液流　4.悬浮铸造液

2　试验结果与分析

2.1　试验结果

通过对试样的金相分析(图2)，可以发现随着固态颗粒粒度的减小，析出的初晶硅愈细，随着加入量的降低，初晶硅趋向细化，在质量分数为10%时达到很好的细化效果。在加入块状固体颗粒的试样中发现几乎所有初晶硅中均有硅含量较低的局部小域，而且其边界呈很不规则的形状。

a.常规铸造组织　b.加入3～5 mm块状颗粒(10%)　c.加入-20～80目粉(20%)　d.加入-80～150目粉(10%)　e.加入-150目粉(10%)
图2　各种固相颗粒的加入对显微组织的影响

2.2　讨　论
对于高硅铝合金初晶硅的细化，一般方法是添加变质剂(如钠盐、Al-Ti-B、稀土等)［1］。在悬浮铸造中，采用的Al-Si合金粉由我所快速凝固雾化装置所制得，冷却速度达到105～107 K/s，初晶硅充分细化而且弥散分布于粉体颗粒中［2］。金属同生物一样具有遗传现象［3］，前苏联对金属遗传作了深入细致的研究［4］。高硅铝合金液体中加入快速凝固粉以后，快速凝固粉中大量存在的细小的初晶硅形成了相对稳定的团族。这些团族在一定的金属液过热条件下仍维持其结晶的有效性，在随后的结晶条件下它们如同遗传因子一样将粉体中微观结构保存下来。归结起来其原因如下。

(1) 由于加入的铝硅合金粉吸收金属液的热量的速度很快使其产生一个过冷度，在此过冷下金属液中成分起伏区(偏析浓度大)形成初晶硅原子集合体即团族，由这类团族正好形成结晶核心并进一步长大，而且金属液处于过冷条件下能产生新的并能进一步长大的晶核。
(2) 当铝硅合金粉加入到金属液体中时，在金属粉末周围的金属凝固而形成一个初晶硅的固态金属壳，随后这个壳熔化成该原子集合体，由于金属液冷得快，并达到一定过冷度，这些团族就能长大成结晶核心。
(3) 由于细小粉末的加入，使形核核心数目庞大，能使金属液体中的初晶硅充分析出，当加入的固相量超过一定的极限值时，将使某些团族通过长大而相互熔合，引起初晶硅的粗化，因此在过热一定的情况下，存在最佳固相加入量。

随着初晶硅的析出，液体的成分不断接近于共晶成分，随着温度的继续下降，余下的金属液体将以共晶组织凝固。由于加入的是同种成分的合金粉末，固体与液体之间有很好的湿润性，通过搅拌，粉末能很快地熔入金属液体中，均匀分布而形核，不会出现浮在金属液体表面而氧化的现象。

此种方法最早应用于炼钢中的喷粉冶金(Powder Injection Metallurgy)［5］用于浇包的改性，能明显改善铸锭组织和性能，特别是第二相粗大析出的现象，国内对怎样使高硅铝合金初晶硅细化的研究亦有报道［6～10］。悬浮铸造这一工艺方法简单、成本低，是一种非常简单有效的方法。

3　结　论

(1) 固相颗粒的加入能起到加快冷却，促进凝固的作用。
(2) 粉末颗粒有明显的形核作用，而且颗粒愈小，所形成的形核质点数愈多，细化颗粒的作用愈明显。
(3) 在过热一定的情况下有最佳的固相加入量。

作者简介：李小平，男，1967年出生，工程师，中南工业大学非平衡材料研究所，湖南长沙 (410083)
作者单位：李小平　陈振华　曹　标　傅定发中南工业大学

参考文献
1　上海交通大学主编.铸造有色合金及其熔炼.北京：国防工业出版社，1980.
2　王云，周多三.陈振华等.快速凝固高硅铝合金粉末特性.中南矿冶学院学报，1991，22(1):81～87
3　刘相法，边秀房，李辉等.AlTiB中间合金细化效果的组织遗传效应.金属学报，1996，32(2)：149～153
4　Γцpшoвцч H Г.Крпсмаллцзацuя u cboucmbа цyzyha　В　omлubкx. Maшnhoctpoehne.1966:562～566
5　Faqua J M. An advanced Injection Treatment System for Al-Si Alloys AFS Transaction,1987，75:635～642
6　孙伟成，张淑荣，张桂芳等.铝硅二元合金的共生生长机制.特种铸造及有色合金，1996(5)：9～11
7　坚增运，杨根仓，周尧和.Al-18%Si合金的温度处理.中国有色金属学报，1995，5(4)：133～135
8　黄良余.铝硅合金变质机理的新发展和新观点(上).特种铸造及有色合金，1995(4):30～32
9　黄良余.铝硅合金变质机理的新发展和新观点(下).特种铸造及有色合金，1995(5)：19～22
10　边秀房，邹新国，刘相法等.金属晶粒自身细化.金属学报，1997，33(6):602～607(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (2/23/2005)


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