AlSi7Mg合金共晶硅變質(zhì)規(guī)律及其微觀機(jī)制.pdf

1、亞共晶鋁硅合金中共晶硅的變質(zhì)處理是提高該類合金鑄造性能和力學(xué)性能的主要手段，共晶硅變質(zhì)主要受共晶硅的形核和長大過程影響，而對于鑄造亞共晶鋁硅合金，共晶硅的形核和長大過程又與合金的凝固過程悉悉相關(guān)。本文針對不同變質(zhì)劑和冷卻速度條件下AlSi7Mg合金共晶硅形貌的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，分析了變質(zhì)劑及其含量與冷卻速度的交互作用對共晶硅形貌的影響規(guī)律；采用熱分析和液淬方法研究了AlSi7Mg合金共晶硅的變質(zhì)過程，討論了共晶硅變質(zhì)的形核機(jī)制和長大機(jī)

2、制。
　　對變質(zhì)共晶硅形貌的研究結(jié)果表明，低冷速條件下未變質(zhì)合金共晶硅為粗大的片層狀，Sr變質(zhì)共晶硅為典型的纖維狀，Sb變質(zhì)共晶硅為典型的細(xì)化片層狀，并伴隨著集束出現(xiàn)，稀土(Y和Yb)變質(zhì)共晶硅都為細(xì)化的片層狀，與Sb變質(zhì)類似。低冷速條件下AlSi7Mg合金最佳的Sb、Sr、Y和Yb變質(zhì)劑加入量分別為0.2wt.％、0.04wt.%、0.3wt.%和0.3wt.%。
　　AlSi7Mg合金在低的冷卻速度條件下凝固，各種變質(zhì)劑

3、對共晶硅的變質(zhì)效果顯示，混合焓和原子半徑比不是共晶硅變質(zhì)的唯一依據(jù)，凝固過程的冷卻速度和變質(zhì)劑的化合物形成能力等因素對共晶硅的變質(zhì)效果具有顯著影響。同時，由于變質(zhì)對初生α(Al)的形核影響較小和強(qiáng)烈抑制共晶硅形核，導(dǎo)致合金的凝固區(qū)間增大，增加變質(zhì)后合金的晶粒尺寸，促進(jìn)初生α(Al)枝晶向柱狀晶轉(zhuǎn)變，降低界面能使得二次枝晶間距減小。
　　研究了冷卻速度和變質(zhì)劑對共晶硅變質(zhì)效果的影響，結(jié)果表明共晶硅的變質(zhì)受冷卻速度影響較大。即使對于未

4、變質(zhì)合金，大的冷卻速度仍可以實(shí)現(xiàn)共晶硅由粗大的片層狀向纖維狀分枝結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生變質(zhì)作用。Sb變質(zhì)共晶硅的形貌轉(zhuǎn)變受冷卻速度的影響與未變質(zhì)共晶硅類似，只是所需臨界冷卻速度相比未變質(zhì)合金要小。Sr對共晶硅的變質(zhì)受冷卻速度影響較小，較低冷卻速度凝固，Sr變質(zhì)后共晶硅便可以變?yōu)槔w維狀，提高冷速后共晶硅向細(xì)化的穗狀組織轉(zhuǎn)變。稀土Y和Yb的變質(zhì)效果受冷卻速度影響較大，低冷卻速度下凝固只對共晶硅產(chǎn)生細(xì)化作用，高冷卻速度條件下共晶硅轉(zhuǎn)變?yōu)榈湫偷睦w維狀和

5、穗狀組織，顯著提高共晶硅的變質(zhì)效果，表明這兩種變質(zhì)劑的變質(zhì)效果強(qiáng)烈依賴于合金凝固過程的冷卻速度。并依據(jù)以上研究結(jié)果，建立了冷卻速度和變質(zhì)劑及其含量間的交互作用對共晶硅變質(zhì)多工藝參數(shù)選擇圖。
　　變質(zhì)前后的熱分析和液淬結(jié)果表明，除Sb變質(zhì)外，Sr、Y和Yb變質(zhì)都顯著降低共晶溫度，但是共晶溫度的下降與共晶硅的變質(zhì)沒有直接關(guān)系，稀土變質(zhì)共晶硅形核和長大溫度的下降對共晶硅形貌沒有決定性作用。
　　變質(zhì)劑本身或形成的AlSb相、Al2

6、Si2Sr相、Al2Si2Y相和Al2Si2Yb相等都不能成為共晶硅的異質(zhì)形核質(zhì)點(diǎn)。變質(zhì)去除或毒化共晶硅的異質(zhì)形核質(zhì)點(diǎn)，共晶硅在較大的過冷度下形核長大可以細(xì)化共晶硅，但是計算結(jié)果表明，抑制形核引起的共晶硅快速生長不足以促使共晶硅向纖維狀轉(zhuǎn)變，共晶硅形貌的轉(zhuǎn)變主要發(fā)生在長大階段，凝固過程是共晶硅變質(zhì)效果的主要控制環(huán)節(jié)。
　　對未變質(zhì)共晶硅和變質(zhì)共晶硅長大過程研究表明，未變質(zhì)共晶硅以固液界面的固有臺階機(jī)制生長，共晶硅上存在明顯的生長層

7、，提高冷速后共晶硅首先產(chǎn)生片層內(nèi)的分枝，隨冷速進(jìn)一步提高片層共晶硅產(chǎn)生側(cè)突生長，轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨确种Φ睦w維狀結(jié)構(gòu)。Sb變質(zhì)共晶硅的生長方式與未變質(zhì)合金共晶硅的生長方式類似，Sb變質(zhì)細(xì)化共晶硅主要是AlSb相的形成阻礙了共晶硅的側(cè)向生長。Sr變質(zhì)合金共晶硅的長大方式發(fā)生明顯變化，由固液界面的固有臺階機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)殡s質(zhì)誘發(fā)孿晶機(jī)制，Sr在固液界面的附著改變了Si原子的堆垛次序形成孿晶改變共晶硅生長方式。稀土(Y和Yb)變質(zhì)合金共晶硅，低冷速時稀土元素