Sr变质对ZL101合金中共晶Si形貌的影响

收稿日期:2008209210; 修订日期:2009202225
作者简介:胥　锴(19742　
),山东阳谷人,硕士,讲师.研究方向:铝硅合金及复合材料的研究.
Em ail :xukaibill @
Sr 变质对Z L101合金中共晶Si 形貌的影响
胥　锴1,刘徽平2,王　甫1,袁帮谊1,张新建1
(1.安徽机电职业技术学院机械工程系,安徽芜湖241000;2.江西理工大学材料分析测试中心,江西赣州341000)
摘要:采用光学金相分析手段,研究了未变质和锶变质ZL101合金共晶硅的形貌。

实验结果表明,变质合金中共晶硅的形貌较未变质合金有较大变化,共晶硅的形态从粗大的板片状转变为细小的纤维状,变质剂的最佳加入量为0.06%。

关键词:ZL101合金;Sr 变质;共晶硅形貌
中图分类号:T G292 文献标识码:A 文章编号:100028365(2009)0520646204
Eff e c t of S r Mo difi c a ti o n o n Mo rp h ol o g y of Eut e c ti c Silic o n i n ZL 101All o y
XU K ai 1,L IU H ui 2ping 2,WANG Fu 1,YUAN B ang 2yi 1,ZHANG Xin 2jian 1
(1.Department of Mechanical E ngineering ,Anhui T echnical College of Mechanical and Electronic E ngineering ,Anhui 241000,China ;2.Center of Materials T esting and Analysis ,Jiangxi U niversity of Science and T echnology ,G anzhou 341000,China)
Abs t rac t :The mophology of eutectic silicon in Z L101alloy with Sr modification or without Sr
modification had been studied by using optics metallography re search analytical methods.The re sults showed that the mophology of eutectic silicon in modification alloy had been partly changed from long and thin strip in un 2modification alloy to short fibrilliform.The optimal Sr addition was 0.06%when modified through the addition of Al 210Sr modifier.The modification mechanism of eutectic silicon was also studied in the end.
Ke y w ords :Z L101alloy ;Stronlium Modification ;Morphology of eutectic silicon
在Al 2Si 合金中加入微量的Sr ,可使粗大硅相由
板片状转变为细小的纤维状,导致力学性能提高,特别是伸长率得到显著的提高[1,2]。

并且,Sr 变质具有长效性,重熔性较好,不腐蚀炉衬、不污染环境。

因此,20世纪60年代发现了Sr 有变质作用后,Sr 变质处理得到了迅猛的发展,且在铝合金轮毂上也得到了成功的应用[3,4]。

目前,Sr 变质部分取代了传统的Na 变质,正沿着Sr 变质为主的研究方向发展。

然而,人们对Al 2Si 合金组织关注较多的是初生相,而对共晶组织的研究还比较少[5]。

铝硅合金的共晶组织一般由片状
共晶硅和α(Al )相组成,其中粗大针片状共晶硅严重
恶化材料的力学性能。

因此有必要对Sr 变质近共晶成分的Al 2Si 合金进行深入研究,本文选用常用的ZL101合金,研究Sr 变质对共晶硅形貌的影响。

1　实验方法1.1　实验原料
实验材料以工业纯铝(99.7%Al )、纯镁、Al 2Si 中间合金为熔炼原料,配制ZL101合金。

浇注后的ZL101合金试样经Magix (PW2424)X 荧光光谱仪进行成分检测,所用合金的实际成分见表1。

表1　试验用铝合金成分　w (%)
Tab.1　Composition of aluminum alloy used in experiment
成分Mg Si Fe Na Cu Mn Zn Ti Cl Al
含量
0.32
7.35
0.13
0.05
0.13
0.06
0.08
0.15
0.10
其余
1.2　实验工艺
把配制好的合金原料放在SG223210型坩埚电阻
炉内熔炼,采用六氯乙烷除气精炼,A1210%Sr 中间合
金作为变质剂,制备未加入Sr 及加入不同质量分数
Sr 的合金。

在熔炼温度为730℃时,分别加入质量分数为0.02%、0.04%、0.06%、0.08%的变质剂作用于ZL101合金,把熔炼好的合金液在700℃时浇注到预先准备好的铸型中,铸型为不锈钢圆筒,其尺寸为 70mm ×120mm 。

1.3　组织检测
浇注完毕后,分别把试样截断,取其中间部位
《铸造技术》05/2009胥　锴等:Sr变质对ZL101合金中共晶Si形貌的影响
10mm厚的圆片,再取出一扇形块(要经过圆心),弧长约25mm左右,作为金相试样。

金相试样经过预磨、粗磨、细磨和手工抛光,最后用8%H F水溶液进行显微组织浸蚀,然后用ZEISS Axioskop2型光学显微镜观察金相组织,考察加入不同质量分数的变质剂对共晶硅形貌的影响。

2　实验结果与分析
2.1　未变质处理ZL101合金共晶硅的形貌
铝硅合金为典型的非小平面2小平面不规则共晶,其中非金属小平面相硅为领先相,在不同的合金成分和凝固速度下,共晶硅的形貌变化很大,有六叶状、八叶状、五星状等,共晶成分下共晶硅一般情况为片状,其片间距λ与凝固速度v有以下关系[6]:
λ2.86v=常数
图1a为未变质时金属铸型中浇注的ZL101合金的金相组织。

α2Al晶粒较粗大,晶粒平均等积圆直径约为60μm左右,共晶硅形貌为粗大的板片状或针片,并有很少量块状硅相,且组织分布不均匀。

在高倍组织中(1000倍)可以更清楚地看到粗短片状或碎块状共晶硅的存在,如图1b所示。

图1　未变质处理的Z L101合金共晶硅的形貌
Fig.1　Morphology of eutectic silicon in un2modified ZL101alloy
2.2　Sr加入量不同对共晶硅形貌的影响
加入不同量的Sr变质后,共晶硅的形貌如图2所示。

变质剂Sr的加入量在0.02%～0.08%范围内时,同未变质的合金相比,均取得明显的变质效果,随着Sr加入量的增加,共晶硅形貌尺寸均发生很大的变化。

如图2a所示,当Sr加入量为0.02%时,ZL101合金中共晶硅呈成束分布,频繁分枝,连续生长。

共晶硅形貌开始具有树枝分布特征,在部分区域可以看到较挺直的树枝主干,主干与主干之间的一次分枝都产生新的分枝。

未变质时的板片状共晶硅已转变为针片状和枝晶,但共晶硅相尺寸相差很大,在约50μm和几个微米之间变化,而且形态差异较大,少数针片状、树枝状和少量纤维状共晶硅交织在一起,使组织分布不均匀。

虽然Sr的加入具有一定的变质效果,但是少数区域还是存在大尺寸片状共晶硅。

当Sr加入量为0.04%时,如图2b所示,表现为共晶硅出现更多的侧向分枝生长,分枝细密程度增加,也有一些高次分枝,出现了一些纤维状共晶硅。

此时已达到较好的变质效果,组织不均匀性已得到明显改善,而且共晶硅尺寸进一步减小。

当Sr加入量为0.06%时,如图2c,共晶硅形态转变为短纤维状,甚至共晶硅出现颗粒化的倾向,共晶硅尺寸在几个微米之间变化,呈现出组织细小且分布均匀的形貌,此时已获得理想的变质效果。

与Sr 加入量为0.04%时相比,组织更加细小、均匀,达到了完全变质的效果。

当加入量为0.08%时,如图2d所示,大部分区域呈现纤维状形貌,但是少数部分共晶硅变的粗大,甚至又成为板片状,此时为过变质形貌。

由以上分析可知,随Sr加入量的增加,共晶硅的形貌变化为由板片状变成针片状和纤维状,然后变成纤维状。

但Sr加入量增加到一定程度时会产生过变质现象,结果显示,变质处理ZL101合金时,Sr的加入量最佳值为0.06%。

有研究表明,Al2Si合金凝固过程中共晶过冷度随着合金中Sr量的增加而增大[7～10],这说明共晶硅形态的变化与共晶过冷度的大小密切相关,Sr在硅相生长前沿富集,毒化固有的生长台阶,导致共晶过冷增大。

同时,由于Sr变质元素原子的吸附引起硅相孪晶边界能降低,当合金中Sr量很少时,共晶过冷度较小,且孪晶边界能较大,这时产生孪晶的几率较小,硅相主要以板状或片状形态生长。

而随着Sr量的增加,共晶过冷度增大,同时孪晶边界能降低,因而孪晶的几率增大,孪晶行为更易发生,硅相在更多的方向上生长,使得硅相产生弯折、分叉,硅相形态向纤维化转变。

・
7
4
6
・
图2　变质处理的ZL101合金共晶硅的形貌
Fig.2　Morphology of eutectic silicon in modified ZL101alloy
合金液凝固时,共晶Si 生长过程中出现了溶质(Sr )再分配现象,这种现象导致2种结果:一是部分Sr 嵌入共晶硅中,诱发孪晶,使孪晶增值和两个{111}Si 孪晶系启动;二是部分Sr 在固液界面前沿富集,引
起成分过冷,促进共晶Si 分枝。

成分过冷程度常用过冷度ΔT 表示[11]:
ΔT =m l C 0(1-k 0)k 0
1-exp -v
D l
x 式中　m l ———液相线斜率;C 0———Sr 变质元素的浓度;T ———温度;k 0———溶质分配系数;D l ———溶质扩散系数;x ———距固液界面的距离;v ———生长速度。

一般来讲,成分过冷度ΔT 越大,此时固2液界面越不稳定,易于出现胞晶、甚至枝晶生长,从而促进共晶Si 分枝。

显然,由上式可知,增大变质元素的浓度C 0,可使ΔT 增加,这有利于共晶Si 分枝,从而导致共晶Si 细化。

2.3　Sr 变质机理探讨
Sr 的变质使共晶硅细化,是对共晶铝、硅两相共
同作用的结果。

Sr 是典型的“吸附”类变质元素[12,13],在Al 2Si 共晶生长过程中,Sr 吸附在共晶硅的生长界面上,“毒化”了部分共晶硅慢生长面{111}上的“内生台阶”及由于“界面台阶化”效应而产生的台阶,阻碍了共晶硅形核与生长,同时,又促进了共晶铝相的形核与生长。

Sr 的双重作用结果,使共晶生长界面趋于平坦而使共晶硅由板片状转为纤维状。

Sr 吸附在共晶硅生长界面上,增大了共晶硅生长对慢生长面{111}上台阶形核的要求,增大了过冷度,提高了孪晶、层错等生长缺陷的产生几率。

因此,Sr 对铝硅合金的共晶硅组织有着良好的变质作用。

3　结论
(1)通过未变质与变质试样对比,加入变质剂的ZL101合金可获得具有变质效果的共晶硅形貌。

(2)加入不同质量分数的变质剂,对共晶硅形貌
的影响不同,随Sr 加入量的增加,共晶硅的形貌变化为由板片状变成针片状和纤维状,然后变成纤维状。

加入变质剂最佳量为0.06%,此时能获得理想的变质效果。

(3)变质过程中,Sr 吸附在共晶硅的生长界面上,阻碍了共晶硅形核与生长,使共晶生长界面趋于平坦
《铸造技术》05/2009胥　锴等:Sr变质对ZL101合金中共晶Si形貌的影响
而使共晶硅由板片状转为纤维状。

参考文献
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