铝硅合金成形中的硅相形态及成型理论
过共晶Al-Si合金熔体中初生硅生长特性
第14卷第2期Vol.14No.2中国有色金属学报The Chinese Journal of Nonferrous Metals2004年2月文章编号:10040609(2004)02026205过共晶A-l Si合金熔体中初生硅生长特性¹张蓉1,黄太文2,刘林2(1.西北工业大学应用物理系,西安710072; 2.西北工业大学凝固技术国家重点实验室,西安710072)摘要:利用等温液淬的方法,研究了A-l18%Si过共晶合金熔体中初生硅的生长行为及机制。
结果表明:重熔过程中熔体中未溶解的硅相粒子,在凝固过程中可成为初生硅生长核心,并且未熔颗粒与初生硅形状之间存在明显对应关系;初生硅的生长机制不是惟一的,既可以以孪晶凹角(T PR E)机制生长,还可以以层状机制生长,初生硅最终形状还要取决于溶质传输等动力学环境;随着熔体过热温度的升高,凝固组织中初生硅形状由多边形向星形及树枝状转变。
关键词:初生硅;晶体生长;铝硅合金中图分类号:T G146.2文献标识码:AGrowth behavior of primary silicon inhypereutectic A-l Si alloyZHANG Rong1,HUANG Ta-i w en2,LIU Lin2(1.Department of Applied Physics,Northw estern Polytechnical University,Xi c an710072,China;2.State Key Laboratory of Solidification Processing,Northwestern Polytechnical U niversity,Xi c an710072,China)Abstract:T he process and mechanism of primary silicon g rowth in the A-l Si hyper eutectic melt w er e studied by quench interrupting.T he r esults show that the undissolved silicon particles in the melt become the cor es of primary silicon precip-i tated in solidification and there i s a close relationship between the shape of primary silicon and undissolv ed silicon particles.T he grow th of silicon follo ws not only the twin plane re-entr ant edg e(T PRE)mechanism,but also layer mechanism as w ell.M eanw hile,the shape of pr imar y silicon also relies on kinet ic surroundings,such as the transmitting of solute.A t hig her overheating temperatur e,the shape of primary silicon becomes the star-shape and tree-shape.Key words:pr imar y silicon;crystal growt h;A-l Si alloy过共晶A-l Si合金是一种重要的铸造合金,广泛应用于航空、航天及汽车制造等领域[1]。
共晶铝硅合金中硅相随固溶时间的变化
化 有助于进 一步理解 固溶 处理 对 ＡｌＳ 共 晶合金 的影响 。本 硅 相的球度增加 ， — ｉ 长短径 比值有所降低 ， 这说 明硅相 的长径有
文 利 用 金 相 显 微 镜 定 量 的 分 析 了 固 溶 过 程 中 共 晶 ＡＩＳ 合 金 所 降低 ， — ｉ 同时短 径有所增 大 ， 即硅原 子由长度方 向向宽度 方向
试 验材 料 ： 实验 合 金采 用 Ａ１ １ ． Ｓ 共 晶铝硅 合 金 ， 态 ， 时 ， 于 固 溶 温 度 较 高 ， 此 共 晶 硅 相 对 较 容 易 发 生 球 — ２６％ ｉ 同 由 因
化 学 成 分 （ 量 分 数 ，％ ） ：２６ ０６ ， ．Ｍｇ， 化 ， 仅 在 两 个 小 时 之 内硅 相 的 球 化 过 程 已基 本 完 成 ， 续 增 仅 继
文 章 编 号 ：０ ９ ２ ７ ２ １ ２ — ０ １ Ｏ １ ０ — ３４（ ０ ０） ８ ０ ８ 一 ２
Ｏ 引言
ＡｌＳ 系合 金 的 流 动 性 好 、 件 致 密 、 易 产 生 铸 造 裂 纹 ， — ｉ 铸 不
具 有 良好 的铸 造性 能 、 蚀 性能 和 中等 的切 削 加工 性 能 ， 抗 是 比较理 想的铸 造合金 ， 已成 为制造 业 中最 受重视 的结构材 料
要位 于 ｌ ｍ ５ 以下的 范 围 内， 随着 固溶 时 间的延 长 ， 面积 低 ， 所 占的 比例 也 逐 渐减 小 ， 成 了方 框 统 计 图 形 状 随 时 间 大 其 造
的 颗 粒 数 目明 显 增 加 ， 面 积 的 颗 粒 数 目明显 减 小。 此 外 ， 小 在 的 变 化 。
在 不 同 的 固 溶 时 间 条 件 下 ， 定 硅 相 的 球 度 和 长 短 径 比 测 本 文 从 定 量 分 析 的 角 度 研 究 Ａ— ｉ 晶 合 金 中硅 相 的 变 值 分 别 用 图 ３ 图 ４ 示 。 以看 出 ， ２～５ 的 时 间 范 围 内 ， ＩＳ 共 和 表 可 在 ｈ
铝硅合金结构及稳定性的理论研究
铝硅合金结构及稳定性的理论研究铝硅合金结构及稳定性的理论研究引言：铝硅合金是一种重要的结构材料，具有广泛的应用前景。
其在航空、航天、汽车制造等行业中，以及其他高温和大应力环境下，具有良好的机械性能和热稳定性。
本文将对铝硅合金的结构及其稳定性进行理论研究，并探讨其在实际应用中的意义。
一、铝硅合金的结构特点铝硅合金是由铝和硅两种元素组成的合金。
硅是一种具有高熔点和高硬度的材料，能够显著提高铝的强度和硬度。
因此铝硅合金具有较高的强度、硬度和耐磨性，适用于各种高应力工作环境。
铝硅合金的晶体结构主要由铝和硅原子的排列方式决定。
在晶格中，铝原子和硅原子以一定的比例交替排列，形成了铝硅合金的结晶结构。
结晶结构决定了铝硅合金的物理和化学性质。
一般情况下，铝硅合金的结晶结构可以分为两种：等轴状晶格和长条状晶格。
等轴状晶格的铝硅合金具有均匀的晶粒分布，具有较好的韧性和断裂韧性。
而长条状晶格的铝硅合金则具有较高的硬度和强度。
二、铝硅合金的稳定性分析铝硅合金的稳定性是指合金在各种外部条件下，具有稳定的性能和结构。
稳定性的研究对于合金的应用非常重要。
1. 强度稳定性：铝硅合金具有优异的强度稳定性。
这是由于硅元素的添加使得合金晶体结构更加均匀致密，减少了晶界和孔隙，从而提高了合金的强度。
此外，硅元素还能与铝形成硅铝化合物，进一步增强了合金的硬度和强度。
2. 耐热性和抗氧化性：铝硅合金在高温环境下具有良好的耐热性和抗氧化性。
硅元素能够形成硅氧化物膜，在高温下稳定存在，起到了很好的抗氧化作用。
此外，硅氧化物膜还能够减缓铝硅合金与氧和水的反应，延缓了合金的腐蚀速度。
3. 耐磨性：铝硅合金的硬度高于纯铝，因此具有较好的耐磨性。
硅元素的添加使合金中的硬质颗粒增多，能够阻碍外界颗粒与合金的接触，从而提高了合金的耐磨性和耐磨功率。
三、铝硅合金在实际应用中的意义铝硅合金的优异性能使其在许多领域得到了广泛的应用。
1. 航空航天领域：铝硅合金具有较高的轻量化特性和高温稳定性，适用于航空航天领域中的零部件制造，如发动机零部件、机翼等。
6班-铝硅合金的细化和变质处理实验报告
1．实验目的1)熟悉铸造铝硅合金的熔炼、精炼、细化和变质处理的过程；2)掌握铸造铝硅合金精炼、细化和编制处理的基本原理及方法；3)掌握细化剂和变质剂对铸造铝硅合金的影响。
2．实验内容1)对熔融的Al-7Si合金进行细化处理；2)对熔融的Al-7Si合金进行变质处理；3)在光学显微镜下观察，评价合金的细化和变质处理效果。
3．实验原理3.1 铝硅合金晶粒细化技术及其机理铸造铝合金铸态时通常呈现三种不同的晶粒状态：等轴晶、柱状晶和枝状晶。
有目的地一直柱状晶和枝状晶生长，促进细小等轴晶形成，这种工艺过程就叫做晶粒细化处理。
晶粒细化是通过控制晶体的形核和长大来实现的。
细化处理的最基本原理是促进形核，抑制长大。
而形核质点主要有两种来源：一是包括快速凝固法、动力学方法和成分过冷法等的内生形核质点，二是向熔体中添加晶粒细化剂的外来形核质点。
目前，添加细化剂成为生产过程中最有效、最实用的方法。
对于铝硅合金，通常将细化元素Ti、B以中间合金的形式加入熔体来实现晶粒的细化。
3.2 铝硅合金变质处理技术及其机理铝硅合金中，由于Si相在自然生长条件下会长成块状或片状的脆性相，严重的割裂基体，降低合金的强度和塑性，因而必须采用变质处理工艺，使共晶硅形貌发生变化，提高合金性能。
4．实验步骤1)在两个Al2O3坩埚中分别加入1000g的铝硅合金原料，在电阻炉中升温至720℃，溶化后保温1小时以促进成分的均匀化；2)对精炼处理后的Al-7Si合金教主一组试样；3)向一个坩埚中加入0.03%的B进行晶粒细化处理；4)向另一个坩埚中加入0.03%的Sr进行变质处理；5)1-2人为一组，每个20-30分钟以组为单位浇注试样，为充分观察细化和变质处理的孕育期和衰退期，应至少浇注4组试样；6)对各组试样进行处理，在光学显微镜下观察，评价合金的变质效果，观察晶粒尺寸。
5．实验结果分析5.1 晶粒细化效果分析将实验分成三个实验组，第1组为未加细化剂处理的原料铸型，第2组为加入细化剂处理20min后的原料铸型，第3组为加入细化剂处理40min后的原料铸型。
铝合金基体固溶si的组织形貌
铝合金基体固溶si的组织形貌说到铝合金，这可真是个大宝贝！咱们的生活中到处都能见到它，飞机、汽车、手机外壳、甚至是一些厨房用品，都离不开这个轻巧又坚固的材料。
铝合金在众多合金材料中，简直可以算是“家喻户晓”的那一个。
你别看它轻，强度可不低，关键是还耐腐蚀，拿它做材料的产品往往能经得住时间的考验，耐用又实惠。
今天，我们就来聊聊铝合金基体里固溶Si（硅）后会产生什么样的组织形貌，简直可以说是“铝合金内部的秘密花园”。
铝合金中的Si元素，哎哟，它可不简单。
Si本身是个半导体的角色，放到铝合金里面，不仅能够提高铝合金的强度，而且还能改善合金的流动性，这就是为什么铝合金里常常会加入Si。
说白了，Si就是个“小帮手”，它帮助铝合金提高了好多方面的性能。
不过，它也有自己的小脾气，固溶进去后，它会在铝合金基体中形成各种各样的组织结构。
有时候你可能会看到这种合金显得比较硬挺，但也正因为这些结构，铝合金的性能才这么稳定。
所以说，铝合金基体固溶Si的组织形貌，其实在不经意间就决定了铝合金的“气质”。
咱们得聊聊那些“组织形貌”了。
你知道，固溶Si进去后，铝合金的基体就会发生一些变化，这些变化其实就是咱们说的“组织形貌”。
不信？我告诉你，它就像一张地图，标记着这个合金在不同条件下的“表现”。
咱们平常见的铝合金，基本上都是由铝和其他元素（比如Si、Mg、Cu等等）组成的混合物。
当Si加入进去后，它可不会悄悄溶解，它会在铝的基体中形成一层薄薄的“固溶体”，像个隐形的小盾牌，既能提高强度，又能增强耐磨性。
这个Si一进入铝合金的世界，它就有了自己的任务——形成一个比较规整的、像小颗粒一样的结构，通常咱们叫它“固溶体”。
这些颗粒就像小明星一样，在合金的基体中“闪耀”。
这时候，铝合金就变得既不容易变形，又能抵挡外界的“暴力侵袭”。
你想，铝合金里的Si一旦溶解了，铝的硬度就能提升，铝合金的“骨架”就更坚固了。
打个比方，如果铝合金是一辆车，那Si就是它的“骨架”强化器，车身虽然不重，但绝对耐用。
Al—Si合金共晶阶段强迫流动下的Si相形态
Al—Si合金共晶阶段强迫流动下的Si相形态
孙国雄;潘冶
【期刊名称】《铸造》
【年(卷),期】1993(000)006
【总页数】5页(P7-11)
【作者】孙国雄;潘冶
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】TG146.21
【相关文献】
1.熔体互混对Al-16%Si过共晶铝硅合金初生Si相形态的影响 [J], 任海涛;夏兰廷;马佰才
2.Al-20％Si中间合金对Al-Si合金共晶Si变质行为的影响 [J], 张凤巍;李智;彭梅香
3.高导热铝合金设计中亚共晶Al-Si合\r金与共晶Al-Si合金的分析研究 [J], 陈定贤
4.Al-10Si-2Fe中间合金对Al-10Si-2Cu合金共晶团细化及热裂敏感性的影响 [J], 于文慧; 石磊; 张勇; 郑洪亮; 林晓航; 田学雷
5.Al-P中间合金对共晶和过共晶Al-Si合金的变质机制 [J], 刘相法;乔进国;刘玉先;李士同;边秀房
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铝硅合金细化处理的研究进展
图 2 喷射沉积 A-l 25S i合金铸态金相组织
图 1 Na变质正常的铸态金相组织
2 喷射成形
喷射成形法是利用高速高压的惰性气体将液态金 属雾化成不同尺寸的熔滴, 并随雾化气体高速飞出雾 化区, 随后熔滴被一基板截断, 并在基板上沉积, 凝固 成结合良好的接近完全致密的坯件, 也称为喷射沉积 技术 [ 9] 。喷射成形工艺包含两个过程, 一是将合金液 雾化成细小液滴, 小液滴在高速飞行过程中与气体发 生对流和辐射散热, 获得一定的过冷度或发生凝固; 二 是金属液滴的沉积过程。合金液滴在到达沉积端面时 大部分处于半固态并具有较大的动能, 它们会与基板 发生碰撞、扩展和快速凝固, 同时还发生了复杂的物理 和化学变化。这个过程是喷射成形技术中最关键的部 分, 直接导致沉积坯特殊的组织与近终形的优势 [ 10] 。
图 3 电磁铸造加 P+ S r变质处理的铸态金相组织
3. 2 超声波处理 超声波处理是一种新型的熔体处理方法, 通过对
熔体进行超声波处理, 液体金属受到周期性交变声场 的作用, 产生空化效应和声流效应, 两者共同作用能够 显著地改善合金的凝固组织, 细化晶粒, 提高合金化学 成 分的 均 匀 性, 同时 还 能 清 除 熔体 中 的 气 体 和 杂
3 熔体处理
用电磁搅拌和超声波处理技术的方法, 通过对合 金熔体作用, 来改变初晶 S,i 从而有效地提高铝硅合金 的性能是目前铝合金铸造方面的研究热点。
3. 1 电磁搅拌 将电磁场引入铝硅合金铸造过程, 通过特定的物
理效应, 借助静磁场对旋转金属熔体产生的电磁搅拌 作用来改善凝固组织, 控制偏析来改善铸坯质量, 实现 材料组织与性能的改善及工艺过程的优化。
V ives尝试了利用交流电流和静磁场产生的电磁 振动来细化铝硅等铝合金的凝固组织, 并提出在铝合 金的连续铸造过程中, 采用交流和直流磁场共同作用 来控制铝合金的凝固组织的设想。 Rad ja i等研究了强 磁场和交流电流产生的电磁振动对亚共晶和过共晶铝 硅合金的细化效果。文献 [ 13]报道称, 对过共晶 A -l S i 合金进行电磁搅拌后, 针状或多边形状初晶 S i变得细 小、圆整, 且分布均匀, 针状及条状第二相发生断裂, 长 度减小, 形状圆整而细小, 分布也趋于均匀, 合金的力 学性能也有很大提高。通过研究发现, 对 A -l 17. 5S i合 金来说, 电磁搅拌最佳效果是在搅拌电压为 50 V 的条 件下, 合金力学性能最好。文献 [ 14] 研究表明, 采用 620 电磁搅拌与 P + Sr变质结合的方法, 使初晶硅有 板片状变成 A -l S i共晶组织 ( 如图 3所示 )。
搅拌时间对铝硅合金初生相形貌和尺寸的影响
［ ］ Ｋｅ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｍａｅｉ ｓ ２０ ，２ ３（ ） ２ ９ Ｊ． ｙ Ｅ ｇｎ ｅｉ ｔｒ ｌ， ０ ４ ６ １ ： ８— ｎ ａ
２９ ４．
成 带尖 角 的初 生 Ｓ 颗粒 （ 图 ３ ｉ 如 ａ中 Ｍ） 在剧 烈 的 ， 碰 撞下 ， 生 Ｓ 颗 粒也 可能 出现 聚集 长 大 （ ３ 初 ｉ 图 ｃ中 Ｇ） 同时 ， 生 ｓ 内部 的孔 洞 也 为初 生 ｓ 颗 粒 的 。 初 ｉ ｉ
ｄｏ ｎａ ｔｙ ａ ｃ ｍ ｐｌｓ ｄ ｂ ｕｓｎｇ ａ ｎｋ Ｔｈｅｒ ｆｎｅ ｅ ｎｄ ｓ ｅ ｏ ｄｉａ ｉｎ ｏ ｒｍ ａ ｙ ｓｌｃ ｎ ａ ｅｐｒ ｍｉ ｎ ｌ ｃ ｏ ｉｈｅ ｙ ｆ ｉ ｎｄ ｋｉ ． ｅ ｉ ｍ ｎｔａ ｐｈ ｒ ｉ ｚ ｔｏ ｆｐ ｉ ｒ ｉｉｏ ｒ ｉ
有 色 金 属 （ 炼 部 分 ） ｈ ｔ ： ｙ ｙ． ｇ ｉ 冶 （ ｔ ／ ｓ １ｂ ｒ ｐ ／ ｍｍ． ｎ ｃ）
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２ｌ年 ９ Ｏ１ 期
搅 拌 时 间对 铝 硅 合 金 初 生 相 形 貌 和 尺 寸 的影 响
Ｅｆ ｅ ｔ ｏ ｔｒ ｉ ｍ ｅ ｏ ｏ ｐ ｌ ｇ ｎ ｍ ｅ ｓ ｏ ｆ ｆ ｃ ｆＳ ｉ ｒ ｎｇ Ｔｉ ｎ Ｍ ｒ ｈｏ ｏ ｙ ａ ｄ Ｄｉ ｎ ｉ ｎ ｏ Ｐｒ ｍ ａ ｙ Ｐｈａ ｅ ｉ — ｉＡｌｏ ｉ ｒ ｓ ｎ ＡＩＳ ｌ ｙ
基 金项 目 ： ｌ 贵卅 大学 自然科学青年科研基金 （ 贵大 自青基合＇ ２ ｏ ］ ５ ｆ［ ｏ ９ ｏ ５号）
作 者简 介 ： 田琴 （９ ０） 女 ， １ ８ 一 ， 土家族 ， Ｉ 口人 ， 贵卅 江 讲师 ， 硕士．
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成型1102 李恒 3110704047
铝硅合金特点
• 基本成分：5%-14%Si. • 优点：铸造性能、力学性能、物理化学性 能. • 缺点：塑性较差
铝硅合金二元相图
共晶铝硅合金组织形态
• 平衡凝固
未变质：（ɑ+β）共晶体基体+多角形初晶Si 变质后：（ɑ+β）共晶体（针状共晶Si）+树枝状ɑ固溶体
• v≈10k/s金属型→共晶组织（枝晶状ɑ+细针状Si）+块状或 长条s喷射沉积→ɑ+β颗粒均匀分布
Si的形核理论
• 在金属-非金属共晶相图中
v↑→成分向非金属侧移动→趋向于亚共晶 →Al先形核→液相Si↑→液相Si受Al生长制 约及扰动↑→错排、孪晶→Si形态复杂
• 非平衡凝固 Al12%Si熔化，700℃保温20min 1.金属型冷却→（ɑ枝晶+Si颗粒）共晶体 2.湿砂型冷却→初生ɑ↓，Si相变粗 3.预热干砂型冷却→不规则片状Al-Si共晶体 +少量初晶Si.
快速凝固对过共晶铝硅合金组织形态的影响
• Al20%Si在不同的冷却速度下凝固： • v<0.1k/s炉冷→共晶组织（针状Si）+粗大片状初晶Si