過熱溫度和時(shí)間對(duì)Al-21%Si合金凝固組織的影響
將0.5 g初始鑄態(tài)Al-21%Si合金真空封裝于14 mm的石英管中,分別在750、800、850和900℃溫度下重熔并保溫不同時(shí)間后水冷,采用光學(xué)顯微鏡分析Al-21%Si合金凝固組織。結(jié)果表明:Al-21%Si合金在750～850℃重熔保溫20 min后初晶硅比初始鑄態(tài)合金中的更大,但隨著重熔溫度的升高,初晶硅的顆粒尺寸逐漸減小,900℃溫度下重熔時(shí)效果最好;在750℃重熔后初晶硅反而變粗,保溫時(shí)間對(duì)初晶硅顆粒的尺寸影響不明顯;在相對(duì)較慢的石英管水冷條件下,Al-21%Si合金中的共晶硅比初始鑄態(tài)組織中的共晶硅更加細(xì)小;在750～900℃溫度范圍內(nèi)保溫不同的時(shí)間后,初晶硅的顆粒尺寸基本在25～43μm范圍內(nèi)波動(dòng);在800、850和900℃保溫時(shí)均出現(xiàn)了不同生長程度的五瓣星形初晶硅組織。
過共晶Al-Si 合金具有密度小、強(qiáng)度高、鑄造成形性好以及耐磨耐蝕等優(yōu)良性能，是航空、航天、汽車、造船工業(yè)上重要的結(jié)構(gòu)材料［1-3］。過共晶Al-Si 合金按含Si 量可分為3 組，含Si 量17% ～ 19%、含Si 量20% ～ 23% 和含Si 量24% ～ 26% ，其鑄造組織由α-Al 枝晶、共晶Si 和初晶Si 組成，初晶Si 可作為硬質(zhì)點(diǎn)有效提高合金的耐磨性能。但是過共晶鋁硅合金中大塊的初晶Si 會(huì)嚴(yán)重地割裂合金基體，導(dǎo)致合金的強(qiáng)度、塑性和切削性能降低。
在細(xì)化鋁硅合金組織方面的研究甚多，對(duì)過共晶鋁硅合金進(jìn)行變質(zhì)處理可以細(xì)化晶粒組織和初晶硅［4］，采用強(qiáng)流脈沖電子束對(duì)過共晶鋁硅合金表面進(jìn)行改性可以提高合金表面耐磨性［5］，管仁國等提出了一種震蕩波形斜板工藝( VWSP) ，可使鋁硅合金組織球狀化［6］。
根據(jù)金屬凝固理論，液態(tài)熔體在微小區(qū)域內(nèi)存在著有序、規(guī)則的排列［7］，其結(jié)構(gòu)狀態(tài)對(duì)晶粒的形核、生長及最終的組織、性能有直接的影響。在生產(chǎn)中，各種不同成分的過共晶鋁合金熔煉溫度與保溫時(shí)間對(duì)初晶硅的溶解和凝固過程中的析出影響很大，合適的熔煉溫度和保溫時(shí)間可以消除組織遺傳性，得到最佳的凝固組織和合金力學(xué)性能［8］。熔體經(jīng)過不同溫度和時(shí)間的過熱處理后可以得到不同的顯微組織與力學(xué)性能［9-10］，熔體溫度處理后的冷卻速度對(duì)合金的組織與力學(xué)性能也有很大的影響［11-12］。目前，對(duì)過共晶鋁硅合金的最佳熔煉溫度與保溫時(shí)間的確定缺乏詳細(xì)報(bào)道。本文重點(diǎn)研究過熱溫度和保溫時(shí)間對(duì)過共晶Al-21% Si 合金凝固組織的影響，為實(shí)際生產(chǎn)中確定該合金的最佳熔煉溫度和保溫時(shí)間提供參考。
1、試驗(yàn)材料及方法
采用工業(yè)純鋁，Al-30% Si 中間合金配制Al-21%Si 合金，將合金混合料裝入石墨坩堝并在井式電阻爐中加熱至850 ℃熔煉30 min，之后降溫至780 ℃澆注到內(nèi)腔高度為14 mm、預(yù)熱到100 ℃ 左右的金屬型( 鐵模) 中，制成厚度約為13 mm 的合金塊。將合金塊切割成4 mm × 4 mm × 12 mm 質(zhì)量約為0. 5 g 的小試樣，將這些小試樣真空封裝于14 mm 的石英管內(nèi)，分別在750、800、850 和900 ℃的管式電阻爐中保溫20、40、60、80、100 和120 min，然后將裝有合金液的石英管進(jìn)行水冷。采用光學(xué)顯微鏡觀察Al-21% Si合金在各種熔煉工藝條件的凝固組織，分析過熱溫度和保溫時(shí)間對(duì)Al-21% Si 合金凝固組織中初晶硅和共晶硅的尺寸和形態(tài)的影響。
1) Al-21% Si 合金在750 ～ 900 ℃ 范圍內(nèi)重熔保溫20 min 時(shí)，隨著重熔溫度的升高，初晶硅的尺寸逐漸減小; 在900 ℃重熔保溫后，初晶硅尺寸明顯小于初始鑄態(tài)合金中的初晶硅;
2) Al-21% Si 合金在750 ℃ 過熱重熔后初晶硅反而更加粗大，隨著保溫時(shí)間的延長，合金熔液中初晶硅平均尺寸變化較小，因此在750 ℃重熔對(duì)初晶硅的細(xì)化不利;
3) 在相對(duì)較慢的石英管水冷條件下，Al-21% Si合金中的共晶硅比初始鑄態(tài)組織中的共晶硅更加細(xì)小，因此Al-21% Si 合金重熔后慢速冷卻將有利于共晶硅的細(xì)化;
4) 在750 ～ 900 ℃范圍內(nèi)保溫不同的時(shí)間后，初晶硅的顆粒尺寸基本在25 ～ 43 μm 范圍內(nèi)波動(dòng)。在800、850 和900 ℃ 分別保溫120、100 和60 min 時(shí)出現(xiàn)了不同生長程度五瓣星形初晶硅組織。
