李明峰，刘 学，薛力强，高 敏，王国卫，岳旭东



Bi、Mn变质对过共晶铝硅合金组织的影响

李明峰，刘 学，薛力强，高 敏，王国卫，岳旭东

（辽宁工业大学 材料科学与工程学院，辽宁 锦州 121001）

研究了Bi、Mn变质对过共晶铝硅合金组织的影响。结果表明：经3.4%Bi元素变质后，过共晶铝硅合金中的初生硅尺寸明显变大，经3%Mn元素变质后，组织中初晶硅形貌并没有改变，棱角仍很尖锐，而共晶硅则都由长针状变成短棒状或颗粒状。加入合金元素后都形成了复合相，消耗了P的变质作用，减少了初晶硅的异质核心，使初晶硅尺寸变大，同时减少了共晶硅所占比例。

变质; 初晶硅; 共晶硅

过共晶铝硅合金具有密度小、热膨胀系数小、热稳定性好、耐磨性高等优点[1-2]，被广泛应用于汽车和摩托车的发动机活塞、缸体缸套中[3-4]，是制造发动机活塞、缸体缸套的理想材料。但在未细化变质的过共晶铝硅合金中，初生硅呈粗大的多角形块状或板片状，共晶硅呈长针状，严重割裂了基体，易引起裂纹使合金的延伸率降低，限制了过共晶铝硅合金的使用。因此通过改变外界条件[5-10]和添加变质剂[11-13]处理使过共晶Al-Si合金中的组织得到细化，研究过共晶Al-Si合金中变质效果、变质机制具有重要的理论意义和实用价值。

对过共晶Al-Si合金进行变质，P是细化初晶硅主要的元素[14-20]，任何复合变质剂都含有P。而对共晶硅进行变质时，选择变质元素的主要一点是不与P发生反应，不能使变质效果相互抵消。国内外的研究学者对过共晶铝硅合金的复合变质剂细化情况作了大量的研究工作，但对P与Bi、Mn复合变质过共晶铝硅合金的研究还比较少。本文主要研究在P变质初晶硅的情况下，分别在合金中加入Bi、Mn元素对过共晶铝硅合金组织的影响。

1 实验方法

合金试样的化学成分见表1。

采用K0-11型箱式高温电炉熔化，将温度升至850 ℃。待其完全熔化后，向坩埚内加入Al-30%Si中间合金，将其加热到850 ℃保温10 min。用C2Cl6采用钟罩压入法进行搅拌除气精炼，静止10 min。精炼后放入炉内继续加热，在850 ℃时保温10 min后，将Al-13%Si-5%P中间合金采用铝箔包裹后，直接投放到溶液中进行变质，变质后保温10 min浇入金属型，获得未加其它元素的铸件。另取两炉变质后在850 ℃时（Mn1 100 ℃）保温10 min，用铝箔包裹Bi（Al-8.5Mn）颗粒投入到熔体中，将坩埚放回炉内，在850 ℃时（Mn1 100 ℃）保温30 min。保温后用C2Cl6进行二次精炼，搅拌，除气、除渣。除气后将坩埚放回炉内，在850 ℃时（Mn1 100 ℃）保温10 min。出炉后，待溶液温度降至780 ℃时（Mn1 000 ℃）充分搅拌后浇入金属型，在Axiovert200MAT金相显微镜下观察金相组织。

表1 合金试样的化学成分表 （g）

2 实验结果与分析

2.1 Bi对过共晶铝硅合金组织的影响

在Al-20%Si-0.1%P溶液中加入3.4%的Bi元素，在金属型中冷却得到的组织如图1所示。

（a） Al-20Si-0.1P金属型

（b）Al-20Si-0.1P-3.4Bi金属型

图1 过共晶Al-Si合金铸态微观组织

从图1(a)和1(b)中发现，未添加Bi变质的Al-20%Si-0.1%P过共晶铝硅合金中，共晶硅呈长针状分布，杂乱无章，数量较多，尺寸较大。初晶硅呈块状，尺寸比较细小，数量较多。经过Bi变质后，组织中初晶硅的数量减少，尺寸明显增大，共晶硅则由长针状变为细小的短棒状和颗粒状。

2.2 Mn对过共晶铝硅合金组织的影响

在Al-20%Si-0.1%P溶液中加入3%的Mn元素，在金属型中冷却得到的组织如图2所示。

（a） Al-20Si-0.1P金属型

（b）Al-20Si-0.1P-3Mn金属型

图2 过共晶Al-Si合金铸态微观组织

从图2(a)和2(b)中发现，未添加Mn变质的Al-20%Si-0.1%P过共晶铝硅合金中，共晶硅呈长针状分布，尺寸较大，严重割裂了基体。初晶硅呈块状，棱角尖锐，易引起应力集中，并发生了明显的聚集现象。添加Mn元素后，组织中初晶硅形貌并没有改变，棱角仍很尖锐，共晶硅则由长针状变为细小的短棒状和颗粒状，减少了裂纹扩展的路径。

从图2可以看出，Mn与Al、P、Si形成复合相镶嵌或贯穿，形貌多为长片状和多角形块状，它能成为初生硅和共晶硅的形核核心，使硅相依附在复合相上生长，使过共晶铝硅合金中共晶组织得到明显细化，相反，初晶硅相尺寸变得粗大。变质处理时加入的P与Al反应形成AlP，同时又形成了AlMnPSi相，由此可以确定，AlMnPSi、AlP相是在高温的铝液内形成的，Mn元素的加入将消耗一小部分起变质作用的P，而大部分是以AlP的形式存在以极小的点状弥散分布在α-Al基体上。

将P加入到过共晶铝硅合金中，P与Al生成AlP化合物，这种化合物熔点较高，晶体结构与Si相同，晶格常数和原子间距相差较小，可以作为初晶硅的异质核心，起到了细化的作用，使初晶硅数量增多，尺寸明显减小，弥散分布。然而加入了Bi元素后，由图3，Al-20Si-0.1P-3.4Bi合金元素面分布可以看出，Bi与P、Fe形成的复合相位于初生Si的周围，它没有成为初生Si的形核核心。复合相中的Al量很少，Bi、Fe与P含量较高，说明变质处理时加入的P没有与Al反应形成AlP，而形成了BiPFe相，由此可以确定，BiPFe相是在高温的铝液内形成的，Bi元素的加入将消耗一部分起变质作用的P，使初晶硅异质核心数量减少，初晶硅数尺寸明显增加，相反组织中共晶硅所占比例降低，减少了初晶硅尖角产生的裂纹的扩展路径。

图3 Al-20Si-0.1P-3.4Bi合金元素面分布

3 结论

（1）在过共晶Al-Si合金中加入3.4%Bi后，合金中初晶硅尺寸明显增大，共晶硅则由长针状变为细小的短棒状和颗粒状。Bi与P、Fe形成了复合相，消耗了一定量的P，使初晶硅数尺寸明显增加，相反组织中共晶硅所占比例降低。

（2）在过共晶Al-Si合金中加入3%Mn后，组织中初晶硅形貌并没有改变，棱角仍很尖锐，共晶硅则由长针状变为细小的短棒状和颗粒状，Mn与Al、P、Si形成复合相镶嵌或贯穿组织，使初晶硅和共晶硅依附其上生长。

[1] 张蓉, 沈淑娟, 赵志龙, 等. 熔体过热处理及冷却速度对Al-Si过共晶合金凝固[J]. 有色金属, 2002, 54(3): 19-21.

[2] 刘先兰, 张文玉, 苏广才. 高强度高耐磨性铝硅合金的实验研究[J]. 铸造技术, 2007, 28(2): 215-217.

[3] Lasa L, Rodriguez-Ibabe J. M. Wear behaviour of eutectic and hypereutectic Al-Si-Cu-Mg casting alloys tested against a composite brake pad[J]. Materials Science and Engineering A, 2003, 363(1-2): 193-202.

[4] Qian Zhao, Liu Xiangfa, Zhao Degang, et al. Effects of trace Mn addition on the elevated temperature tensile strength and microstructure of a low-iron Al-Si piston alloy[J]. Mater Lett, 2008, 62(14): 2146-2149.

[5] Lee J I, Lee H I, Kim M I. Formation of spherical primary silicon crystals during semi-solid processing of hypereutectic Al-15.5wt%Si alloy[J]. Scripta Metallurgicaet Materialia, 1995, 32(12): 1945-1949.

[6] 何力佳, 王建中, 齐锦刚. 电脉冲作用下Al-22%Si合金凝固组织的变化机制[J]. 材料热处理学报, 2007, 28(4): 102-105.

[7] 毛卫民, 李树索, 赵爱民. 电磁搅拌Al-24%Si合金的显微组织[J]. 中国有色金属学报, 2001, 11(10): 819-823.

[8] 何树先, 孙宝德, 王俊, 等. 熔体温度处理工艺对A319合金组织和性能的影响[J]. 中国有色金属学报, 2001, 11(5): 834-839.

[9] 田琴, 朱涛, 雷源源, 等. 搅拌时间对铝硅合金初生相形貌和尺寸的影响[J]. 有色金属, 2011(9): 52-56.

[10] 胥建平, 刘俊友, 王华. 机械搅拌对高硅铝合金初生Si的影响[J]. 热加工工艺, 2009(9): 33-37.

[11] 康福伟, 弥宁, 李晨, 等. 变质及熔体处理对过共晶铝硅合金组织的影响[J].哈尔滨理工大学学报, 2013, 18(4): 117-120.

[12] 段海丽. 铸造铝硅合金变质处理组织性能及机理的研究[D]. 上海: 上海大学, 2006.

[13] Li Qinglin, Xia Tiandong, Lan Yefeng, etal. Effects of rare earth Er addition on microstructure and mechanical properties of hypereutectic Al-20% Si alloy[J]. Materials Science and Engineering A, 2013, 588(20): 97-102.

[14] Kyffin W J, Rainforth W M, Jones H. Effect of treatment variables on size refinement by phosphide inoculants of primary silicon in hypereutectic Al-Si alloys[J]. Materials Science and Technology, 2001, 17(8): 901-905.

[15] Kyffin W J, Rainforth W M, Jones H. Effect of phosphorus additions on the spacing between primary silicon particles in a Bridgman solidified hypereutectic Al-Si alloy[J]. Journal of Materials Science, 2001, 36(11): 2667-2672.

[16] Ludwig T. H, Schonhovd Dæhlen E, Schaffer P. L, etal. The effect of Ca and P interaction on the Al-Si eutectic in a hypoeutectic Al-Si alloy[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2014, 586(15): 180-190.

[17] Nafisi S, Hedjazi J, Boutorab S M, et al. Factors influencing the modification and refinement of hypereutectic Al-Si alloys for production of automotive pistons[J]. TMS Light Metals, 2004, 13: 851-856.

[18] ZHANG Henghua, DUAN Haili, SHAO Guangjie, et al. Microstructure and mechanical properties of hypereutectic Al-Si alloy modified with Cu-P[J]. Rare Metals, 2008, 27(1): 59-63.

[19] 王淑俊, 刘相法, 武玉英. 富磷中间合金对过共晶Al-24%Si合金的高效变质处理[J]. 铸造, 2006, 55(12): 1244-1246.

[20] Zhong Gu, Wu Zhi Bin, Qiu Chu, et al. Study on Absorption Rate of Phosphorus for Hypereutectic Al-Si Alloy Modified with Cu-P[J]. Materials Science Forum, 2014, 794-796: 112-117.

责任编校：刘亚兵

Effect of Bi and Mn Metamorphism on Hypereutectic Al-Si Alloy Organization

LI Ming-feng, LIU Xue, XUE Li-qiang, GAO Min, WANG Guo-wei, YUE Xue-dong

（Material Science and Engineering College, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）

The Effect of Bi and Mn Metamorphism on Hypereutectic Al-Si Alloy Organization is studied. The results show that the size of the primary Si in hypereutectic Al-Si alloy becomes significantly larger after adding 3.4% Bi element. The morphology of the primary Si in the microstructure whose edges are sharp doesn’t change and the shape of eutectic Si is short rod or graininess. Compound phase is formed after adding alloy elements to consume the effect of P metamorphism and decrease heterogeneous nuclei of the primary Si. So the size of the primary Si becomes larger and the proportion of eutectic Si is reduced.

metamorphism; primary silicon; eutectic silicon

10.15916/j.issn1674-3261.2017.02.009

TG131

A

1674-3261(2017)02-0107-04

2016-02-29

李明峰(1993-)，男，辽宁营口人，本科生。岳旭东(1963-)，男，辽宁锦州人，教授，博士。