过热温度和时间对Al-21%Si合金凝固组织的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)常州大学材料科学与工程学院 作者:文滔

  将0.5 g初始铸态Al-21%Si合金真空封装于14 mm的石英管中,分别在750、800、850和900℃温度下重熔并保温不同时间后水冷,采用光学显微镜分析Al-21%Si合金凝固组织。结果表明:Al-21%Si合金在750~850℃重熔保温20 min后初晶硅比初始铸态合金中的更大,但随着重熔温度的升高,初晶硅的颗粒尺寸逐渐减小,900℃温度下重熔时效果最好;在750℃重熔后初晶硅反而变粗,保温时间对初晶硅颗粒的尺寸影响不明显;在相对较慢的石英管水冷条件下,Al-21%Si合金中的共晶硅比初始铸态组织中的共晶硅更加细小;在750~900℃温度范围内保温不同的时间后,初晶硅的颗粒尺寸基本在25~43μm范围内波动;在800、850和900℃保温时均出现了不同生长程度的五瓣星形初晶硅组织。

  过共晶Al-Si 合金具有密度小、强度高、铸造成形性好以及耐磨耐蚀等优良性能,是航空、航天、汽车、造船工业上重要的结构材料[1-3]。过共晶Al-Si 合金按含Si 量可分为3 组,含Si 量17% ~ 19%、含Si 量20% ~ 23% 和含Si 量24% ~ 26% ,其铸造组织由α-Al 枝晶、共晶Si 和初晶Si 组成,初晶Si 可作为硬质点有效提高合金的耐磨性能。但是过共晶铝硅合金中大块的初晶Si 会严重地割裂合金基体,导致合金的强度、塑性和切削性能降低。

  在细化铝硅合金组织方面的研究甚多,对过共晶铝硅合金进行变质处理可以细化晶粒组织和初晶硅[4],采用强流脉冲电子束对过共晶铝硅合金表面进行改性可以提高合金表面耐磨性[5],管仁国等提出了一种震荡波形斜板工艺( VWSP) ,可使铝硅合金组织球状化[6]。

  根据金属凝固理论,液态熔体在微小区域内存在着有序、规则的排列[7],其结构状态对晶粒的形核、生长及最终的组织、性能有直接的影响。在生产中,各种不同成分的过共晶铝合金熔炼温度与保温时间对初晶硅的溶解和凝固过程中的析出影响很大,合适的熔炼温度和保温时间可以消除组织遗传性,得到最佳的凝固组织和合金力学性能[8]。熔体经过不同温度和时间的过热处理后可以得到不同的显微组织与力学性能[9-10],熔体温度处理后的冷却速度对合金的组织与力学性能也有很大的影响[11-12]。目前,对过共晶铝硅合金的最佳熔炼温度与保温时间的确定缺乏详细报道。本文重点研究过热温度和保温时间对过共晶Al-21% Si 合金凝固组织的影响,为实际生产中确定该合金的最佳熔炼温度和保温时间提供参考。

1、试验材料及方法

  采用工业纯铝,Al-30% Si 中间合金配制Al-21%Si 合金,将合金混合料装入石墨坩埚并在井式电阻炉中加热至850 ℃熔炼30 min,之后降温至780 ℃浇注到内腔高度为14 mm、预热到100 ℃ 左右的金属型( 铁模) 中,制成厚度约为13 mm 的合金块。将合金块切割成4 mm × 4 mm × 12 mm 质量约为0. 5 g 的小试样,将这些小试样真空封装于14 mm 的石英管内,分别在750、800、850 和900 ℃的管式电阻炉中保温20、40、60、80、100 和120 min,然后将装有合金液的石英管进行水冷。采用光学显微镜观察Al-21% Si合金在各种熔炼工艺条件的凝固组织,分析过热温度和保温时间对Al-21% Si 合金凝固组织中初晶硅和共晶硅的尺寸和形态的影响。

  1) Al-21% Si 合金在750 ~ 900 ℃ 范围内重熔保温20 min 时,随着重熔温度的升高,初晶硅的尺寸逐渐减小; 在900 ℃重熔保温后,初晶硅尺寸明显小于初始铸态合金中的初晶硅;

  2) Al-21% Si 合金在750 ℃ 过热重熔后初晶硅反而更加粗大,随着保温时间的延长,合金熔液中初晶硅平均尺寸变化较小,因此在750 ℃重熔对初晶硅的细化不利;

  3) 在相对较慢的石英管水冷条件下,Al-21% Si合金中的共晶硅比初始铸态组织中的共晶硅更加细小,因此Al-21% Si 合金重熔后慢速冷却将有利于共晶硅的细化;

  4) 在750 ~ 900 ℃范围内保温不同的时间后,初晶硅的颗粒尺寸基本在25 ~ 43 μm 范围内波动。在800、850 和900 ℃ 分别保温120、100 和60 min 时出现了不同生长程度五瓣星形初晶硅组织。

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