冷却速度对共晶铝硅合金凝固组织形态的影响

2001年8月

①辽宁工学院学报

JOURNALOFLIAONINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY

.21　No.4VolAug.

2001

文章编号:100521090(2001)0420040203

冷却速度对共晶铝硅合金凝固组织形态的影响

曹丽云1,刘兴江1,杨晓平1,陈淑英1,王建中2

(1.辽宁工学院材料与化学工程系,辽宁锦州　121001;2.辽宁工学院科技处,辽宁锦州　121001)

摘　要:研究了在金属型、湿砂型和预热干砂型等不同冷却条件下,共晶铝硅合金中硅相的凝固组织形态,结果表明,随着冷却速度的增加,共晶组织最终的硅的形态由粗而长的针片状变为丛簇纤维状。分析认为,冷速改变而导致的共晶硅组织形态改变的原因在于Α-Al相先于形核生长,导致剩余液相中硅原子浓度升高,从而改变了铝硅共晶合金的凝固组织形态。

关键词:铝硅合金;共晶;凝固组织形态中图分类号:TG166.3　　　文献标识码:B

InfluencesofCoolingVelocityonEutecticAluminum-siliconAlloySolidificationOrganizationShape

11112

CAOLi2yun,LIUXing2jiang,YANGXiao2ping,CHENSu2ying,WANGJian2zhong

(1.Material&ChemicalEngineeringDept.ofLiaoningInstituteofTechnology,Jinzhou121001,China;2.Science&TechnologyDept.ofLiaoningInstituteofTechnology,Jinzhou121001,China)

Keywords:aluminum2siliconalloy;eutecticcrystal;solidificationorganizationshape

Abstract:Thepaperstudiessiliconphasesolidificationorganizationshapesineutecticaluminum2siliconalloyunderdifferentcoolingconditionsofmetal,wetsandandpreheatingdrysandascoolingmedia.Theresultsshowthatthesiliconshapechangesfromgrossandlongneedlesheetshapestobushformtuftedonesasthecoolingvelocityincreasing.Thereasonsofeutecticsiliconorganizationshapevarying

2withthecoolingvelocitiesalteringareanalyzedfortheΑAlphasegrowingpriortothegrowingof

shapecorn,whichleadstosiliconatomicconsistencyrisingintheresidualliquidphase,therefore,eutecticaluminum2siliconalloysolidificationorganizationshapesarealtered.

　　Al2Si合金是重要的工业合金之一,Al2Si合金具有优异的铸造性能,良好的力学性能与物理化学性能。它是研究和应用最为广泛的铸造铝合金,占铝铸件总产量的85%～90%,适用于各种铸造方法。Si作为该类合金中的主要合金元素,可提高合金的铸造性能,改善流动性,降低热裂倾向,减少缩松,提高气密性,可获得组织致密的铸件,该类合金具有良好的抗蚀性,中等强度,但塑性较低[1～3]。

Si虽然可以大大增加合金的基体强度,但同时

使合金的塑性降低(WSi>7%).Al-Si合金的机械性能与Si的形态和分布紧密相关,改变共晶硅的形态,减小其对基体性能的削弱作用,是合金机械性能获得全面提高的有效途径。变质处理,快速凝固等都在某种程度上改善了Al-Si合金的铸态组织,使粗大、硬脆的针片状共晶硅的组织更细小,分布更加均匀,弥散,从而获得良好的力学性能[4]。

共晶铝硅合金经变质处理后,组织有明显的变化,由原来Α(Al)固溶体和粗大针片状硅所组成的

①

收稿日期:2001203222

基金项目:辽宁省教育厅项目(项目编号:990821101).

作者简介:曹丽云(19562),女,辽宁锦州人,辽宁工学院材料与化学工程系副教授。

2001年(总第80期)曹丽云等:冷却速度对共晶铝硅合金凝固组织形态的影响41

共晶组织变为由初生树枝状形态发达的Α(Al)固溶体和(Α(Al)+Si)共晶体所组成的亚共晶组织,共晶体中的硅相也变为细粒状,伴随组织变化,合金机械性能显著提高,切削加工性能得到改善。

但是,凝固冷却速度增大同样也可以使共晶硅形态改变,得到类似钠变质处理的凝固组织。通常人们在对共晶铝硅合金生长形态的研究中,更多地集中在定向生长共晶形态及机理方面,不同冷速条件下自由凝固时共晶铝硅合金凝固组织形态的变化研究相对较少,而该方面的研究结果对生产工艺的制定意义则更大。本文通过对比不同冷速条件下共晶铝硅合金凝固组织形态,探讨不同冷速条件共晶铝硅合金凝固组织形态的形成机理。

(c)　干砂型浇铸×400图1　不同冷速条件下,铝硅合金凝固组织形态生Α相的量减少,Α-Al枝晶轮廓模糊,中间边缘等处小部分被Si相侵入,共晶体中分布在Α基体上的变长;在预热干砂型中,初生Α相很少,组Si相变粗、织中主要是不规则片状结构的Al-Si共晶组织。上

述结果表明,共晶铝硅合金在不同冷却条件下,其凝固组织的差异是很大的。

1　不同冷却速度条件下共晶铝硅合金凝固组织形态将含Si为12%的Al-Si共晶合金在井式电阻炉内熔化,加热至700℃保温20分钟,分别浇入金属型、湿砂型和预热100℃的干砂型中,纵剖观察同一位置铸态组织形态。图1分别为在金属型、湿砂型、预热干砂型中得到的凝固组织。由图可以看出,金属型浇铸具有典型的钠变质组织形态:完整、发达的Α-Al枝晶,不规则的短杆状的Si颗粒分布在Α基体上构成共晶组织;湿砂型浇铸的凝固组织中:初

2　冷速对共晶铝硅合金凝固组织形态

影响的机理探讨

铝硅共晶是由金属—非金属构成的非小平面󰃗小平面(nf󰃗f)型非规则共晶,其凝固组织形态复杂、多样。导致铝硅共晶凝固组织形态多样性的影响因素很多,诸如非金属相的体积分数、共晶相两组分的溶解熵、晶体缺陷、吸附的杂质、生长温度等等[5,6]。非R.Elliott将共晶形态与共晶相两组分的溶解熵、金属相的体积分数之间建立联系,较好地解释了部分合金基本参量对共晶组织形态影响。但是,R.Elliott的工作是在较慢的冷速条件下得到的(长大

-1

速度为5Λm・s),冷速对共晶凝固组织形态的影响则无法判定,这对于实际生产的指导意义相对就减弱了。由本文的实验结果可知,冷速对共晶铝硅合金凝固组织形态的影响是很大的,分析冷速对共晶铝硅合金组织形态的作用机理,对指导实际生产是十分有意义的。

首先,根据Al-Si合金二元相图,这种由金属—非金属组成的共晶合金,在非平衡凝固条件下,共晶区向非金属相一侧移动,也就是说,即使是共晶成分的Al-Si合金,当冷速较大时,共晶成分合金的凝固组织表现为亚共晶的组织形态,由初生Α-Al和共晶组织组成。这说明这种类型共晶合金中的非金属相的生长形态,受液相中非金属原子浓度的制约[6]。

(a)　金属型浇铸×400

(b)　湿砂型浇铸×400

第二,研究结果表明[6],铝硅这类nf󰃗f型非规

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辽宁工学院学报(自然科学版)第21卷第4期

则共晶凝固生长是按耦合生长模型进行长大的,硅相的生长形态不仅受到生长界面前沿硅原子的浓度分布的制约,而且受到Α-Al生长快慢的影响,事实上,金属相生长速度也将改变界面前沿硅原子的浓度分布。液相中硅浓度的增高,改变了共晶生长界面前沿浓度的扰动,从而改变了共晶组织中硅的生长形态。

当采用金属型方式冷却时,由于金属型导热速度快,冷却速度大。凝固时,Α-Al首先形核长大,形成完整轮廓的枝晶,Α-Al生长的同时,将硅原子排向固液界面前沿,使液相中硅富集,液相中硅的浓度升高。当共晶相开始以耦合方式生长时,硅相生长受-Al相生长的制约以及液相中硅浓度的扰动,不Α

断的以错排或孪晶方式,改变生长方向,形成了复杂的丛簇如图2所示。从二维金相组织上看,就是如图1(a)所示的组织形态。

采用湿砂型,热传递能力下降,冷却速度减小,Al的生长速度减小,相对排入液相中硅的量减少,硅浓度富集程度也不如金属型凝固过程。此时共晶相耦合生长时,硅的生长受Α-Al的制约减弱,硅相就可以以较长较粗的片生长。

图3　铝硅共晶协同生长示意图下,是由于改变了液相中硅的浓度所致,或者说是由

于液体中硅原子的体积分数的增大所导致的共晶硅形态的改变。由金属型冷却得到类似钠变质凝固组织形态(图1(a))的实验结果,也可以认为,钠变质的作用在于促进Α-Al优先形核长大,从而在剩余液相中造成硅的浓度富集,达到改变共晶相中硅的形态的目的。

3　结　　论

冷却速度对铝硅合金凝固组织中的共晶形态有很大的影响,导致这种形态变化的原因是共晶生长时液相中硅原子的浓度的高低,硅原子浓度高共晶体中的硅以复杂丛族形式生长,浓度低则以片层状形态生长。

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[4]　廖恒成,方们贤,孙国雄.铸造AL-SI合金熔体处理

当采用预热干砂型,冷却速度变得很慢,更为接**衡凝固。Α-Al的形核几率降低,生长速度减

慢,从而液相中硅的浓度接**衡浓度,界面前沿硅浓度扰动的程度减弱。在共晶相生长时Α-Al和Si相两个相的生长速度相对更接近,Α-Al和Si两相互相协作,耦合生长,如图3,Α-Al相前沿富集着的Si原子向Si相前沿扩散,为硅相的生长提供物质

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[6]　冯　端等.金属物理学(第二卷　相变)[M].北京:科

流,使得硅相有定向的物流供应和生长时间,这样粗而长的片状Si相就形成于共晶体中(如图1.c所示)。

通过冷速对共晶铝硅合金凝固组织形态的分析,可以认为,共晶铝硅合金的形态在冷速不同条件

学出版社,1998.283～299.

责任编辑:傅春玲