AlSi7Mg合金共晶硅變質規(guī)律及其微觀機制.pdf

1、亞共晶鋁硅合金中共晶硅的變質處理是提高該類合金鑄造性能和力學性能的主要手段，共晶硅變質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。本文針對不同變質劑和冷卻速度條件下AlSi7Mg合金共晶硅形貌的變化規(guī)律進行了研究，分析了變質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合金共晶硅的變質過程，討論了共晶硅變質的形核機制和長大機

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

3、對共晶硅的變質效果顯示，混合焓和原子半徑比不是共晶硅變質的唯一依據(jù)，凝固過程的冷卻速度和變質劑的化合物形成能力等因素對共晶硅的變質效果具有顯著影響。同時，由于變質對初生α(Al)的形核影響較小和強烈抑制共晶硅形核，導致合金的凝固區(qū)間增大，增加變質后合金的晶粒尺寸，促進初生α(Al)枝晶向柱狀晶轉變，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劑對共晶硅變質效果的影響，結果表明共晶硅的變質受冷卻速度影響較大。即使對于未

4、變質合金，大的冷卻速度仍可以實現(xiàn)共晶硅由粗大的片層狀向纖維狀分枝結構轉變，產生變質作用。Sb變質共晶硅的形貌轉變受冷卻速度的影響與未變質共晶硅類似，只是所需臨界冷卻速度相比未變質合金要小。Sr對共晶硅的變質受冷卻速度影響較小，較低冷卻速度凝固，Sr變質后共晶硅便可以變?yōu)槔w維狀，提高冷速后共晶硅向細化的穗狀組織轉變。稀土Y和Yb的變質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生細化作用，高冷卻速度條件下共晶硅轉變?yōu)榈湫偷睦w維狀和

5、穗狀組織，顯著提高共晶硅的變質效果，表明這兩種變質劑的變質效果強烈依賴于合金凝固過程的冷卻速度。并依據(jù)以上研究結果，建立了冷卻速度和變質劑及其含量間的交互作用對共晶硅變質多工藝參數(shù)選擇圖。
　　變質前后的熱分析和液淬結果表明，除Sb變質外，Sr、Y和Yb變質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沒有直接關系，稀土變質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形核質點。變質去除或毒化共晶硅的異質形核質點，共晶硅在較大的過冷度下形核長大可以細化共晶硅，但是計算結果表明，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變，共晶硅形貌的轉變主要發(fā)生在長大階段，凝固過程是共晶硅變質效果的主要控制環(huán)節(jié)。
　　對未變質共晶硅和變質共晶硅長大過程研究表明，未變質共晶硅以固液界面的固有臺階機制生長，共晶硅上存在明顯的生長層

7、，提高冷速后共晶硅首先產生片層內的分枝，隨冷速進一步提高片層共晶硅產生側突生長，轉變?yōu)楦叨确种Φ睦w維狀結構。Sb變質共晶硅的生長方式與未變質合金共晶硅的生長方式類似，Sb變質細化共晶硅主要是AlSb相的形成阻礙了共晶硅的側向生長。Sr變質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制轉變?yōu)殡s質誘發(fā)孿晶機制，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)變質合金共晶硅，低冷速時稀土元素