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92 材料工程/2010年5期 变质剂对高硅铝合金标准样品组织 均匀性的影响 InfluencesofModifieronMicrostructureUniformityof— HighsiliconAluminumAlloyStandardSample赵 亮,王敬丰,朱学纯,郝晓东,钟民,潘复生 (1重庆大学材料科学与工程学院,重庆400030; 2西南铝业(集团)有限责任公司,重庆401326) — — ZHAOLiang,WANGJingfeng,ZHUXuechun, — — HAOXiaodong,ZHONGMin,PANFusheng (1CollegeofMaterialsScienceandEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing 400030,China;2SouthwestAluminium(Group)Co.,Ltd.,Chongqing401326,China) —— 摘要:采用金相观察和x射线衍射分析方法研究了A1一sr,AlP,CuP三种变质剂对高硅(22,质量分数)铝合金标准 样品组织均匀性的影响。结果表明:未添加变质剂的标准样品中初晶硅呈粗大板片状,且局部聚集成团,组织均匀性差; — — — 添加了Alsr变质剂后初晶硅得到了一定的细化,但共晶硅高度分枝,组织分布仍不够均匀;添加AlP和CuP变质剂 后,标准样品中出现了新相AlP,使得初晶硅由板片状变成了细小的多边形颗粒,且弥散分布于整个基体中,同时共晶硅 — 析出明显减少,而初晶硅数量增多,标准样品的组织均匀性好。另外对比发现,添加CuP变质剂后的改善效果最为显 著,组织均匀性最好,且其成分均匀性通过传统的极差法检测也完全符合标准样品的要求。本工作从组织均匀性上为高 硅铝合金标准样品的制备提供了新的判据和参考。 关键词:变质剂;组织均匀性;初晶硅;共晶硅;高硅铝合金标准样品 中图分类号:TB332 — 文献标识码:A文章编号:1001-4381(2010)050092-04 — — Abstract:TheinfluencesofA1一Sr,A1一P,CuPmodifieronmicrostructureuniformityofhighsilicon — (22%,massfraction)aluminumalloystandardsampleswereinvestigatedbyusingtheopticalmicros — — copyandXraydiffraction.Theresultsshowthatthemicrostructureuniformityofthestandardsam — plewithoutmodifyingispoorbecausetheprimarycrystalsiliconislargesheetandgathersintoclus ter.AfteraddingA1一Srmodifier,themicrostructureofthestandardsampleiSshowntobeunsatisfac- toryuniformitybecausetheprimarycrystalsilicongetsacertaindegreeofrefinement,buttheeutectic — siliconhasahighdegreeofbranching.AfteraddingA1一PandCuPmodifier,themicrostructureofthe standardsampleishomogeneousbecausenewAlPphasemakingtheprimarycrystalsiliconchange fromtheboardsheetintoasmallpolygonalparticleandamountincreaseswhentheeutecticsiliconis — — reduced.Inaddition,itcanbefoundedthatafteraddingCuPmodifiertheimprovementismorere markableandtheuniformityoforganizationsisbetter.Alsotheuniformityofthecompositionmeets — — therequirementforstandardsampleeventestedbythetraditionalrangemethod.Thisworkcanpro — — videnewcriterionandreferenceforpreparationofstandardsampleofhighsiliconaluminumalloyac cordingtOthemicrostructureuniforrfiity. — Keywords:modifier;microstructureuniformity;primarycrystalsilicon;eutecticsilicon;highsilicon aluminumalloystandardsample 由于高硅铸造铝合金热膨胀系数小,耐磨性和高- 温强度好,近年来被广泛应用于航天、航空、电力、建 筑、电子等领域。随着高硅铸造铝合金应用范围的不 断扩大,对其产品质量的要求也越来越高,因而对检验 其产品质量的高硅铝合金标准样品的要求也越来越严 格。但现有的高硅铝合金标准样品含硅量都低于 18(质量分数,下同),对检验含硅量更高的铝硅合金 产品存在困难。因此制造硅含量更高的铝合金标准样 变质剂对高硅铝合金标准样品组织均匀性的影响 93 品成为当务之急。然而研究发现,当硅含量过高后,成 分均匀性变得极难控制,特别是Si,Cu,Mg等元素分 布不均匀,且有初晶硅和共晶硅大量析出的现象。因 此如何使高硅铝合金标准样品的成分均匀分布成为急 待解决的问题。目前的研究表明,复合变质剂对高硅 铝合金有很好的变质作用,能使高硅铝合金的组织明 显细化,但复合变质剂所含元素种类太多,使得元素间 的相互影响增大,加大了标准样品合金的成分控制难 度,同时也为分析带来了误差[5]。因此迫切需要一种 元素种类较少,又能达到充分细化效果的变质剂。为 — 此,本工作从显微组织均匀性人手,研究了AlSr,A1-— P,CuP三种变质剂对高硅铝合金显微组织的影响,考 察了其变质效果,探讨了其变质机理,并结合极差法对 其化学成分进行了分析,为成功研制高硅铝合金标准 样品提供了新的理论参考。 1实验 1.1原料及制备 实验选用工业用的高纯铝(99.99%)和高纯晶体 硅片(99.9999)配置成Al一22Si的过共晶铝硅合 金。首先将原料预热后放人坩埚电阻炉进行熔炼,直 至结晶硅全部熔化,然后除去表面熔渣,静置5~ 10min后,进行变质处理。为了能够准确地控制变质 剂的添加量,减少元素的烧损,分别以Al一1Osr,Al一 10P,Cu一10P中间合金的形式加入,搅拌均匀后, 迅速浇铸,以防止在高温停留时间过长,变质剂发生氧 化等反应而失效。 1.2分析测试 从未变质和分别采用不同变质剂变质的高硅铝合 金铸棒上截取中部、次中部和边部的样品,通过腐蚀液 (92mLH2O+6mLHNO。+2mLHF)腐蚀后,观察不 同变质剂对金相组织的影响。X射线衍射分析在D/ MAX2500X射线粉末衍射仪上进行,采用铜靶材,扫 描角度从2O~100。,扫描速度为4(。)/rain。 2结果与讨论 ——— 图1为未变质和添加了AlSr,AlP,CuP三种变 质剂的高硅铝合金标样从中部到边部的显微组织。由 图1可知,未变质的标准样品中初晶硅呈粗大板片状, 而且棱角明锐,从中部到边部分布也不均匀,尤其到了 铸棒的边部,初晶硅板片状的情况尤为明显,且呈现出 — 局部聚集状态,分布很不均匀。添加了Alsr变质剂 后,标准样品中的初晶硅有一定细化,但分布仍不够均 匀,同时共晶硅高度分枝。这是由于变质剂在铝硅合 金中分解为游离态的锶,吸附在硅相的表面,阻止了初 晶硅按片状方式的生长,并使其产生孪晶,形成有助于 晶体生长的孪晶凹谷,使共晶硅按孪晶凹谷机制生 — 长[6],从而成为分叉较多的纤维状。而当添加了AI — P和CuP变质剂后,初晶硅由棱角分明的粗大板片状 变成了不规则的多边形,棱角钝化,尺寸明显减小,且 从中部到边部的组织都表现出很好的均匀性。 为了研究不同变质剂对高硅铝合金标准样品组织 均匀性影响的机理,本工作对未变质和分别采用不同 变质剂变质的高硅铝合金标准样品进行了x射线衍 — 射分析,结果如图2所示:发现添加了AlP和Cu-P变 质剂的标准样品中出现了新相AlP。因此认为主要是— — AlP和CuP变质剂所引入的磷元素生成的新相AlP 细化了初晶硅,促进了组织的均匀化,使组织得到了改 善。参阅文献发现[8],磷在合金液中容易与铝反应— Al+PA1P,生成熔点较高的AlP化合物,AlP的熔 ℃ 点在1000以上,与硅均为立方晶格结构(Si为金刚 石型,AlP为闪锌矿型),而且它们具有相近的晶格常 数(Si为0.543nm,A1P为0.546nm)和原子间距(Si 为0.244nm,A1P为0.256nm)。根据结构相似的两个 晶面之间界面能较低的原理,弥散的AlP质点可成为 初晶硅的异质晶核,由于晶核数目增加,所以使初晶硅 的晶粒细化。当合金液中出现大量的细小AlP质点 时,初晶硅便以它为核心迅速结晶,从而结晶成大量而 又细小的多面体块状晶体。另一个原因可能是AlP 增加了溶液中硅原子集团的浓度起伏,并与Si结合成 — 联键AlPSi【】,促使原来溶液中硅晶胚和原子集团 快速生长至晶核尺寸,而成为晶核,故使溶液中硅核心 数明显增加。磷的变质作用,增加了初晶硅的晶核数 目,抑制了初晶硅的长大,使晶粒减少,数量增多,分布 更加均匀。 — 同时本工作认为由A1一P和CuP变质剂所引人 的磷元素对共晶硅也具有变质作用。关于磷对共晶硅 的变质机理,目前一般认为磷不能改变共晶硅的孪晶 凹谷机制,使共晶两相界面倾向于小平面方式,而且在 共晶转变前已达到临界尺寸的AlP颗粒全部作为初 晶硅的核心而耗尽,至共晶凝固时,微小的悬浮AlP 颗粒已经达不到临界尺寸而不能成为核心,因而磷对 共晶硅没有变质作用r1。但从图3(a)可以清楚看到, 未添加变质剂时,高硅铝合金标准样品组织中具有大 量的初晶硅,添加A1一P和Cu-P变质剂后,如图3(b), (c)所示,高硅铝合金标准样品组织中的共晶硅明显减 少了。这是由于磷能促进高硅铝合金中初晶硅的析 出【1,因此减少了形成共晶硅的硅含量,使变质后的 1OO 材料工程/2010年5期 [19] [2O] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [3O] [31] — KIMYW,RoSENBERGERA,DIMIDUKDM.Microstruc turalchangesandestimatedstrengtheningcontributionsina — — gammaalloyTi一45A15Nbpackrolledsheet[J].Intermetallics,— 2009,17:10171027. — SEMIATINSL,V0LLMERDC,ELSOUDANISM,etai. 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