黄　玲，魏晓伟，杨　攀

(1.广东白云学院，广东 广州 510450； 2.西华大学材料科学与工程学院，四川 成都 610039)



用高低温熔体混合法制备Al-18%Si合金

黄玲1，魏晓伟2，杨攀2

(1.广东白云学院，广东 广州 510450； 2.西华大学材料科学与工程学院，四川 成都 610039)

摘要：采用熔体混合法将不同温度的纯铝熔体与600 ℃半固态Al-36%Si合金熔体混合制备Al-18%Si合金，研究纯铝液温度、保温温度和保温时间对Al-18%Si合金初生硅相显微组织及力学性能的影响。实验结果表明：熔体混合法可制得初生硅为颗粒状且均匀分布的Al-18%Si合金；在一定范围内，初生硅的粒径随熔体温差的增大而减小，随保温时间的延长呈先减小后长大的趋势；900 ℃的铝液与600 ℃半固态Al-36%Si合金熔体混合后于750 ℃保温20 min获得的Al-18%Si合金力学性能最好，初生硅平均粒径最小。

关键词：熔体混合法；Al-18%Si合金；初生硅；力学性能

过共晶Al-Si合金由于其优异的力学性能，被广泛应用于航空航天、汽车船舶等机械制造行业[1]；然而传统铸造过共晶Al-Si合金析出的初生硅组织粗大且多呈片状分布，严重地影响了过共晶Al-Si合金的使用[2]。Elmadagli等[3]研究发现初生硅颗粒粒径与长宽比越小，过共晶Al-Si合金的性能越好，因此细化初生硅组织对制备过共晶Al-Si合金显得尤为重要。

近年来，国内外许多科学工作者在此方面做了大量的研究工作，他们采取的方法主要有变质处理[4-5]、快速凝固[6-7]、半固态铸造[8-9]、超声振动[8]和喷射成形[10]。这些方法都取得了较好的效果，然而存在着投资大、成本高、能耗高以及工艺复杂等一系列问题。

高低温熔体混合法是一种成本低、低碳环保的方法，近年来越来越受到科学界人士的关注。目前国内大多是以高温Si或高Si铝合金与低温纯铝或低Si铝合金混合制备过共晶Al-Si合金。本课题组采用高温高纯铝液与600 ℃半固态Al-36%Si合金熔体混合制备Al-18%Si合金，结合试样显微组织及力学性能进行探讨、分析，论证该方法的可行性，并探索最佳工艺。

1实验材料与方法

采用纯度为99.80%高纯铝与99.76%工业结晶硅为原料，于950 ℃炼制Al-36%Si合金，待Si颗粒完全熔化后冷却至60 ℃，按质量比1∶1加入过热铝液，保温后浇注试样。本实验分2组进行：第1组加入700、800、90 ℃的过热铝液，分别经650 、700 、750 ℃保温60 min后浇注；第2组加入900 ℃的过热铝液，于750 ℃分别保温5、20、40 min后浇注。热处理为400 ℃保温24 h后随炉冷至180 ℃，最后空冷。

利用XJP-6A型金相显微镜观察试样金相组织，并通过image pro 6.0图像分析软件测量初生硅平均粒径，使用H5-3000C型电子布氏硬度计测试布氏硬度，依照GB/T 228—2002制备拉伸试样，并采用STH4305型电液伺服万能试验机检测抗拉强度。

2实验结果及分析

2.1　铝液温度与保温温度对Al-18%Si合金显微组织的影响

图1示出不同铝液温度与保温温度经保温60 min浇注后的Al-18%Si合金金相组织。可知，Al-18%Si合金组织主要由共晶组织、初生硅和少量α相组成，其中初生硅呈近球形、正多边形的颗粒状均匀分布在共晶组织基体上，α相环绕在初生硅周围。这是合金在非平衡状态下凝固时共晶共生区朝Si相偏移的结果。结合图2可知，初生硅粒径随铝液温度的升高而减小，900 ℃铝液与600 ℃半固态Al-36%Si合金熔体混合制得的Al-18%Si合金初生硅粒径最小，为30.81 μm。由扩散动力学得出，高低温温差越大，越有利于初生硅在基体中扩散，所得初生硅颗粒粒径也就越细小。采用铝液过热的方式有效地避免了合金因过烧而带来的各种缺陷，得到细小均匀的复合式组织。

2.2　保温时间及热处理对Al-18%Si合金显微组织的影响

图3示出900 ℃铝液与600 ℃半固态Al-36%Si合金熔体混合，并经750 ℃保温不同时间后的金相组织。从图3(a)可以看到：保温5 min后的初生硅颗粒较为粗大，并有针状初生硅析出；保温时间延长至20 min时，如图3(b)所示，得到颗粒细小、均匀分布的初生硅组织；保温40 min后，初生硅晶粒开始长大(见图3(c))；从图3(d)可知热处理对初生硅粒径的影响不大，但会使初生硅固溶到α相中，减少初生硅的含量。图中白色α相除了围绕在初生硅相外，还有少量α相单独存在。这是由于熔体混合时，两种熔体的黏度及流动性有所差异，导致混合熔体成分分布不均，在共晶过程中出现单相失稳现象，α相跃出共晶组织生长，所以出现图中单独分布的α相[11]。

(a) 700 ℃铝液混合650 ℃保温

(b) 800 ℃铝液混合700 ℃保温

(c) 900 ℃铝液混合750 ℃保温

图2　Al-18%Si合金初生硅平均晶粒

(a)保温5 min

(b) 保温20 min

(c) 保温40 min

(d) 保温20 min + 热处理

图4为900 ℃的铝液与600 ℃半固态Al-36%Si合金熔体混合并经750 ℃保温不同时间后初生硅的平均粒径趋势图。可知，初生硅的平均粒径随保温时间的延长先减小后增大，20 min时，粒径达到最小值25.49 μm。结合图3进行分析，20 min之前，初生硅粒径随保温时间的延长而减小是因为此时合金液体中存在着大量的能量起伏、成分起伏，这些因素会促使半固态中析出的初生硅发生溶解、熔断和扩散等复杂的物理化学反应。同时，这些因素也会促进富Si液滴在液体中的扩散，因此合金凝固时晶核增多、初生硅的晶粒尺寸减小。20 min之后，初生硅粒径随保温时间的延长而增大，因为经过长时间的保温后，能量起伏减小导致Si发生团聚，且溶液中的液态Si含量过多，在合金凝固过程中初生硅的析出会释放出大量的结晶潜热[12]，导致合金冷却速度变慢、过冷度降低，这些因素最终促进初生硅的长大。

图4　Al-18%Si合金初生硅平均晶粒

2.3　Al-18%Si合金力学性能检测

图5(a)为900 ℃的铝液与600 ℃半固态Al-36%Si合金熔体混合并经750 ℃保温不同时间浇注及热处理后所得Al-18%Si合金的布氏硬度。可以看出Al-18%Si合金未热处理时，布氏硬度随保温时间的延长先升高后降低，20 min时达到峰值69.5 HBW，之后逐渐下降。布氏硬度的变化与初生硅的含量及粒径大小相关，含量越多、粒径越小，材料的布氏硬度值越高。热处理后，合金的硬度下降较大，4组试样基本上都保持在50 HBW。这是由于热处理后，初生硅较多地固熔到α相中，形成过饱和α相，初生硅颗粒的减少造成硬度较大下降。

图5(b)示出同工艺下Al-18%Si合金的抗拉强度。可知合金的抗拉强度随保温时间的延长都呈先增大后降低的趋势，且都在20 min时达到峰值，未热处理为183 MPa，热处理后为203 MPa。由于经180 ℃时效空冷后，过饱和α固溶体会发生分解，在基体上析出大量细小、弥散分布的富Si颗粒，较大地强化了基体组织，而且在拉升过程中，剩余过饱和α固溶体还会发生Si的不稳定析出，在这些因素共同作用下，合金的抗拉强度得到较大提升。

图5　Al-18%Si合金布氏硬度与抗拉强度

3结论

1)采用高温纯铝液与600 ℃半固态Al-36%Si合金熔体混合可制备初生硅长宽比较小且呈近球形、正多边形均匀分布的Al-18%Si合金。

2)一定范围内，铝液温度越高、温差越大所制得的Al-18%Si合金初生硅粒径越小。初生硅粒径随保温时间的延长先降低后减少，且在20 min时达到最小值25.49 μm。

3)热处理会降低Al-18%Si合金布氏硬度，提高抗拉强度。

4)900 ℃的铝液与600 ℃半固态Al-36%Si合金熔体混合后于750 ℃保温20 min获得的Al-18%Si合金力学性能最佳。

参考文献

[1]赖华清, 范宏训, 徐祥.过共晶铝硅合金的研究及应用[J].汽车工艺与材料,2001(10):21.

[2]彭晋民, 钱翰城. 铸态铸造铝硅合金的现状和发展[J]. 铸造技术, 2000(06): 32.

[3]Elmadagli M, Perry T, Alpas A T. A parametric study of the relationship between microstructure and wear resistance of Al-Si alloys [J]. Wear, 2007, 262(1/2): 79.

[4]王连登, 朱定一, 陈永禄,等. 熔体温度处理及变质对Al-20%Si合金凝固组织的影响[J].中国有色金属学报, 2011, 21(9): 2075.

[5]Choi H , Konishi H, Li X C. Al2O3nanoparticles induced simultaneous refinement and modification of primary and eutectic Si particles in hypereutectic Al-20Si alloy [J]. Materials Science and Engineering, 2012, 541(15): 159.

[6]Rajabi M, Vahidi M, Simchi A. Microstructural evolution of Al-20Si-5Fe alloy during rapid solidification and hot consolidation [J]. Rare Metals, 2009, 28(6): 639.

[7]李继文, 王爱琴, 谢敬佩,等. 快速凝固过共晶铝硅合金的微观组织特征及耐磨性研究[J].摩擦学学报, 2010, 30 (2): 111.

[8]赵君文, 吴树森, 毛有武,等. 超声振动对过共晶Al-Si合金半固态浆料凝固组织的影响[J].中国有色金属学报, 2008, 18(9): 1628.

[9]Hogg S C, Atkinson H V. Inhibited coarsening of a spray-formed and extruded hypereutectic aluminum-silicon alloy in the semisolid state [J]. Metallurgical and Materials Transactions, 2005, 36A(1): 149.

[10]Cui C, Schulz A, Schimanski K, et al. Spray forming of hypereutectic Al-Si alloys [J]. Journal of Materials Processing Technology, 2009, 209(11): 5220.

[11]罗松, 魏晓伟, 郑丽,等. 两种Al-18%Si合金熔体过热方式对其凝固组织的影响[J]. 轻金属, 2013(10): 51.

[12]Kouichi Asakura, Masato Hayashi, Shuichi Osanai. Role of latent heat in chiral symmetry breaking transition in the crystallization of 1,1′-binaphthyl [J]. Chirality, 2003, 15(3): 238.

(编校：夏书林)

Research on Preparing Al-18%Si Alloys with Mixture of High and Low Temperature Melts

HUANG Ling1, WEI Xiaowei2, YANG Pan2

(1.GuangdongBaiyunUniversity,Guangzhou510450China;

2.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,XihuaUniversity,Chengdu610039China)

Abstract:A method of melt mixing technique has been applied to take different temperature pure aluminum melt and 600 ℃ semisolid Al-36%Si alloys melt mixed to prepare Al-18%Si alloys. The effect of primary silicon phase microstructure and mechanical property were investigated by pure aluminum melt temperature, holding temperature and holding time. Test results show that melt mixing technique can be utilized to obtained Al-18%Si alloys which primary silicon is granular and evenly distributed. Within a certain range, the size of primary silicon particle decrease with the increase of melt temperature difference and grow up after decrease first along with the growth of the holding time. 900 ℃ liquid aluminum is mixed with 600 ℃ semisolid Al-36%Si alloys melt and holding in 750 ℃ for 20 min. This can prepare Al-18%Si alloys with best mechanical property and smallest average particle diameter of the primary silicon.

Keywords:melt mixing technique ; Al-36%Si alloys; primary silicon ; mechanical property

doi:10.3969/j.issn.1673-159X.2016.01.008

中图分类号：TG292

文献标志码：A

文章编号：1673-159X(2016)01-0040-04

基金项目：四川省重点学科材料加工工程(SZD0502-09)；四川省重点学科建设平台(SZD1112-1)。

收稿日期：2014-07-25

第一作者：黄玲(1989—)，女，硕士，主要研究方向为新材料制备。

·先进材料及能源·