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5 2 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 1 年9 期 D O I 1 0 ．3 9 6 9 ／] ．i 札1 0 0 ％7 5 4 5 ．2 0 11 ．0 9 ．0 1 4 搅拌时间对铝硅合金初生相形貌和尺寸的影响 田琴，朱涛，雷源源，杨明，万明攀 贵州大学材料与冶金学院，贵阳5 5 0 0 0 3 摘要在半固态区间对铝硅合金进行等温搅拌．主要研究搅拌时间对初生A l 和初生S i 形貌和尺寸的影 响。结果表明在搅拌作用下．铝硅合金中初生相通过物理、冶金作用而发生形貌、尺寸的改变。随着搅 拌时间的延长，初生A l 由粗大的枝晶状演变为细小的近球状、蔷薇状，初生S i 由粗大的多角状、板块状 尖角颗粒演变为细小的较圆整等轴颗粒。初生A l 的细化，圆整是以熔断、扭折为主，初生S i 的细化、圆 整是以折断、破碎、熟化为主． 关键词铝硅合金；初生A l ；初生S i ；搅拌时问 形貌 中图分类号T G l 4 6 ．2 1文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 1 0 9 - 0 0 5 2 - 0 4 E f f e c to fS t i r r i n gT i m eo nM o r p h o l o g ya n dD i m e n s i o no f P r i m a r yP h a s ei nA l - S iA l l o y T I A NQ i n ，Z H UT a o ，L E IY u a n y u a n ，Y A N GM i n g ，W A NM i n g p a n F a c u l t yo fM a t e r i a l sa n dM e t a l l u r g y - G u i z h o uU n i v e r s i t y 。G u i y a n g5 5 0 0 0 3 。C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt os t u d yt h ei n f l u e n c eo fs t i r r i n gt i m eo nm o r p h o l o g ya n dd i m e n s i o no fp r i m a r ya l u m i n u m a n dp r i m a r ys i l i c o n ，a l u m i n u m - s i l i c o na l l o yw a si s o t h e r m a l l ys t i r r e di ns e m i - s o l i dt e m p e r a t u r er a n g e ．T h e r e s u l t ss h o wt h a tm o r p h o l o g ya n dd i m e n s i o no fp r i m a r yp h a s ei nA I S ia l l o ya r ec h a n g e du n d e ras e r i e s o f p h y s i c a la n dm e t a l l u r g i c a lp r o c e s s e si ns t i r r i n g ．W i t hp r o l o n g i n go fs t i r r i n gt i m e 。m o r p h o l o g ya n dd i m e n s i o no fp r i m a r ya l u m i n u me v o l v ef r o mt h i c kd e n d r i t i cs t r u c t u r et ot h i nn e a r l ys p h e r i c a lo rr o s i n e s ss t r u c t u r e ，m o r p h o l o g ya n dd i m e n s i o no fp r i m a r ys i l i c o ne v o l v ef r o mt h i c kp o l y g o n a lb l o c k yc l o s e da n g l es t r u c t u r et oc o m p a r er o u n d i n ge q u i a x i a ls t r u c t u r e ．T h er e f i n e m e n ta n ds p h e r o i d i z a t i o no fp r i m a r ya l u m i n i u ma r e d o m i n a n t l ya c c o m p l i s h e db yf u s i n ga n dk i n k ．T h er e f i n e m e n ta n ds p h e r o i d i z a t i o no fp r i m a r ys i l i c o na r ep r i m a r ya c c o m p l i s h e db yf r a c t u r e ，f r a g m e n t a t i o na n ds l a k i n g ． K e yw o r d s A l u m i n u m s i l i c o na l l o y ；P r i m a r ya l u m i n u m ；P r i m a r ys i l i c o n ；S t i r r i n gt i m e ；M o r p h o l o g y A I - S i 合金具有密度小、导热性好、热膨胀系数 小、耐磨、耐蚀、尺寸稳定性好等特点【I 】．在天文、航 空、交通、家电、机械、建筑、商业、电子等行业得到应 用。其凝固组织由初生A l 和 a B 共晶体或初生 S i 和 a p 共晶体组成，常规凝固时，初生A l 呈粗 大枝晶状，初生s i 呈粗大板块状、多角状，这显著降 低了合金制品的力学性能和切削加工性能，使A l - S i 合金的应用受到极大地限制。 因此，提高A l - S i 合金的力学和切削加工性能 需改善A I - S i 合金中初生A l 或初生S i 的形貌，减小 其尺寸。常用的方法有快速凝固、变质处理，但变质 处理只在较低的s i 含量范围内有效，而快速凝固的 成本较高[ 2 】．近年来，一些学者将半固态成形技术 应用到A I - S i 合金，如斜板法【3 】、机械搅拌法、电磁 搅拌法[ ．] 等，这些方法都采用了不同的搅拌方式而 达到改变铝硅合金中初生相形貌、细化其尺寸的目 基金项目羹螂大学自然辩学青年科研基金 贵大自青墓合q ‘[ z o o s ] o s s 号 作者简介田琴 1 9 8 0 - ．女，土家蕨。寅州江口人，讲算．爱士． 万方数据 f r 色金心 聊烁部分J h l l P ／／y s y lI ，gr i m n l ．c n 5 3 的。I j 前有部分父f 初生A l 、卒J J 牛s i 形貌演变干 细化过程的单独撤道”“，似火r 州并形貌演变、细 化过程的异问却鲜有报道。实际上，半Ⅲ念乍} j 硅合 仓巾初生A l 和初生s i 的形貌演变和细化过程存在 许多相似和不同之处。本文通过在半同态温度对亚 共晶和过共品A I s i 合金进行恒温搅拌，通过改变 搅拌时问制备哑共晶和过共品A l s i 合金半固态组 织，对初生A l 和初生s i 形貌的演变进行研究，对细 化机理进行探讨，为开发性能优异的A | _ s i 合金半 固态产晶提供理论依据。 l 试验材料及方法 试验所选材料为亚共晶和过共晶铝硅合金，经 成分分析其实际含硅最分别为8 ．7 ％和1 8 ．4 ％．其 余为A l ，杂质含髓小于0 ．12 ％，经D S C 测定J { ；液， 同牛线温度分别为6 0 6 ．8 ℃、5 8 8 ．5 ℃和6 6 8 ．7 ℃、 5 8 96 ℃。 合金在坩埚炉内f i 墨坩埚叶I 过热1 5 0 ℃完令熔 化后随炉降温，哑共品铝硅合金降温到5 9 0 ℃，过共 品铝硅合金降温到6 7 0 ℃，分别进行恒温搅拌，搅拌 5m i n 、1 0m i n 和1 5m i n 后各取少最哑共品和过共 晶铝硅合仓熔体淬入水中，以观察初生A l 和初生 s i 的形貌和尺寸。为与常规凝固条件下的显微组 织进行比较，在5 9 0 ℃、6 7 0 ℃各浇注一组未经搅拌 的哑共品和过共晶铝硅合金液淬试样，其显微组织 见图1 ，其中呈发达树枝状的白色相为初生A I 图 1 a ．呈粗大板块状的黑色相为初生S i 图1 b 。 ●● _ 珥圈 图2 不同搅拌时间下制备的亚共晶铝硅合金液淬组织 F i g ．2 M i c r o s t r u c t u r eo fq u e n c h e dA I S ia l l o yi nh y p c r e u t e c t i cb yd i f f e r e n ts t i r r i n gt i m e 万方数据 5 4 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y lh g r i m mc n 2 0 1 1 年9 期 图3不同搅拌时间下制备的过共晶铝硅合金液淬组织 F i g ．3 M i c r o s t r u c t u r eo fq u e n c h e dA I ‘S ia l I o yi nh y p e r e u t e c t i cb yd i f f e r e n ts t i r r i n gt i m e 2 ．I 亚共晶和过共晶铝硅台金初生相形貌演变和 尺寸变化的共性规律 从幽2 、图3 可以看出．结占古丌始时，搅拌促进 r 熔体内初生相快速人量形核长大成枝品状 如图 2 a 中A 或板块状 如图3 a 中B 、多角状 如图3 a 中c ．此叫韧生A l 目l 初啦s ；均较细眭，后续搅拌 巾这些细长的地方易前先分解。随着搅拌时间从 5m i n 延长到1 0r a i n ，大部分枝晶臂发乍脱落，形成 细小的初乍A 1 颗粒 如图2b l { ，D 。| 司样，细小的 卒』J ，Es i 颗粒也发生折断、破碎，H 横向长度变短 如 图3 b 中E 。逃一步延长搅拌时M 到1 5m i n ．对于 、脏共I j 铝硅合金而言，组织【{ I 枝品状初生A 1 颗耗 尺寸进一步减小．等轴状、蔷截状细小初，i A l 颗粒 增加，但m 现r 晶粒合并生长的现象 盘圈2 c 中 F 。对于过其品铝硅合金而。1 i ．组织巾* 【大初生s 颗粒减小，细小初生s - 颗粒增加．初生s ，尖角发隹 圆钝．但柯部分初乍S I 发乍粘连聚集生长 如l 冬】3 c 中G 。 从图2 、图3 还町看m ．随着搅拌时问的延长． 初生相的形貌、尺寸旱现规律性的变化．即从初生，} 【| 形貌规则、尺寸较大演变为初生相形貌不规则、尺寸 较小最终发展到初生相轮廓圆整、部分粘连长人的 规律。合金熔体在搅拌的作用下．熔体内部急刚形 核，析出大量细小初生A l 或初生s i 晶核．随着搅拌 时间的延长．进一步析出更多细小的初生A l 或初 生S i 晶核，这些细小品核在搅拌的作用下相互问发 生碰撞、摩擦、剪切．H 受熔体中液相的剧烈冲刷易 发生折断、破碎，若何向相同的品粒碰撞在一起就易 出现粘连十长。同时．搅拌时间的延长也促进丁熔 体内部溶质场的均匀化．使得初生A l 枝晶臂熔断． 初生s i 晶粒边角圆钝。 町见．m 于搅拌改变了熔体内部的溶质场和温 度场．并使熔体内部产生了物理机械作用，从而使初 中A 1 和初生s i 形貌、尺寸早现规律性的变化。但 两者的生长力式不同，硬度不同，因而其形貌、尺寸 的演变过程也有所不同。 2 ．2 亚共晶和过共晶铝硅合金初生相形貌演变和 尺寸变化的差异 对于亚共品铝砖合金m 占．在搅拌的作用下，熔 体内部析出大量初生A l 品核，这些晶核以树枝状 方式生长。随着搅拌时间的延长，熔体内部的液相 湍流小断将热脉冲带到枝晶臂与剩余液稍I 的界面． 这加速了枝品臂的熔断，部分初乍相熔断后的小颗 粒依然保持熔断前的位置，如图2 b 中H 和I 。根据 晶体牛长学原理．这些熔断后的颗粒易于向表面积 最小的球形品生长而长成近球形的等轴颗丰证，显然 搅拌】jm i n 扶得的自【织较搅拌5m i n 获得的组织 等轴颗粒多。I 司时．受搅拌的作J f j ．熔体对初生相不 断进行冲刷、剪切、扭折，初，t 相问不断发生碰撞、摩 擦、剪切．韧性较好而硬度较低的初生A l 发生完全 变形而形成蔷薇状 如图2 h 中JJ 或进～步发展成 近球状 如图2 b 中K 。随着搅拌时间进一步延长， 边缘有棱角或较突出的地方因碰撞而发生魍性变形 逐渐变得圆整．由于碰撞时单个l 1 相颗粒各方向的 受力不均．在搅拌环境下很难形成球形而形成类球 形颗粒 图2 c 中L 。少量初生A I 颗粒在搅拌中因 处于合适位向而在接触点牯接．并逐渐附聚成团，形 成”大结构”．只有在搅拌强度足够大时这些“大结 构“才会被打散．否则就会不断长大，形成图3 c 巾F 的组- g { 。 过共晶铝硅合金中初生s - 形貌的演变与初乍 A l 形貌的演变有所不同。在搅拌作用下．合金熔体 万方数据 2 0 1 1 年9 期 有色金属 冶炼部分 h t t p l ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 5 5 内部析出大量细小的初生S i 晶核，这些细小的初生 S i 晶核生长时会包裹液相进行生长[ 6 ] ，最终形成包 裹共晶组织的板块状或多角状初生s i 颗粒。在搅 拌作用下，熔体中的液相对初生S i 颗粒存在剪切作 用，同时初生S i 颗粒间发生相互碰撞、剪切，这使得 细小的初生S i 被折断。由于初生S i 的硬度较高而 韧性较差[ B ] ，受较大外力作用后即发生脆性断裂形 成带尖角的初生s i 颗粒 如图3 a 中M ，在剧烈的 碰撞下，初生S i 颗粒也可能出现聚集长大 图3 c 中 G 。同时，初生S i 内部的孔洞也为初生S i 颗粒的 破碎提供了条件。随着搅拌时间的延长，熔体内部 的溶质场趋于均匀化，使得初生S i 颗粒表面发生熟 化，使初生S i 颗粒外表面尖角处圆整，最终形成图 3 c 中N 所示近球状颗粒。 3结论 在搅拌的作用下，铝硅合金中初生相通过物理、 冶金作用而发生形貌、尺寸的改变。随着搅拌时间 的延长，初生A l 由粗大的枝晶状演变为细小的近 球状、蔷薇状，初生S i 由粗大的多角状、板块状尖角 颗粒演变为细小的较圆整等轴颗粒。初生A l 的细 化、圆整是以熔断、扭折为主，初生S i 的细化、圆整 是以折断、破碎、熟化为主。 参考文献 E 1 ] L e e0S ，H a nMS 。B a c kJ ，e ta 1 ．D a m a g ea s s e s s m e n t o fc o m p o s i t es t r u c t u r e sS U b j e c t e dt Ol o wv e l o c i t yi m p a c t [ J ] ．K e yE n g i n e e r i n gM a t e r i a l s 。2 0 0 4 ，2 6 3 1 l2 8 9 2 9 4 ． [ 2 ] 毛卫民，李树索，赵爱民，等．电磁搅拌对过共晶A l - S i 合金初生S i 长大过程和形貌的影响[ J ] ．材料科学与工 艺，2 0 0 1 ，9 2 l1 1 7 - 1 2 1 ． [ 3 ] 管仁国，李建平，陈礼清。等．波浪型倾斜板振动过程中 合金组织的形成机理[ J ] ．材料研究学报，2 0 0 8 ，2 2 4 3 6 3 - 3 6 8 ． [ 4 3 管桂生，卢德宏，蒋业华，等．冷却速度对过共晶A l - s i 合金初生S i 的影响规律[ J ] ．特种铸造及有色合金， 2 0 0 6 ，2 6 1 t 3 4 - 3 6 ． [ 5 ] H e l l a w e l l 八G r a i nE v o l u t i o ni nC o n v e n t i o n a la n dR h e o - C a s t i n g s [ C ] ／／P r o co f t h e4 t hI n tC o n fo nS e m i S o l i d P r o c e s s i n go fA l l o y sa n dC o m p o s i t e s ，U n i v e r s i t yo f S h e f f i e l d ，E n g l a n d 。19 9 6 6 0 - 6 5 ． [ 6 ] 胡慧芳．李华基．人l 一2 4 ％s i 合金中五星柱状初生s i 的 生长机制[ J ] ．中国有色金属学报。2 0 1 0 ．2 0 1 0 2 0 0 3 2 0 0 8 ． 有色金属 冶炼部分 定价变更 及开通网上投稿启事 经中国有色金属工业协会和北京市新闻出版局批准，由北京矿冶研究总院主 办的有色金属 冶炼部分 的刊期白2 0 11 年开始由双月刊变更为月刊。出版时 间为每月1 2 日，邮发代号2 4 6 4 ，2 0 1 2 年起定价每册1 0 元，全年1 2 0 元，正文为 黑白印刷，广告为彩色印刷。 本刊网上在线系统已经开通，请广大作者登录网 站在线投稿，网址为h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 万方数据