工程科学学报，第39卷，第2期：222-231,2017年2月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.2:222-231,February 2017 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.009;http://journals.ustb.edu.cn Mn元素对过流冷却过共晶Al-22Si-2Fe-xMn合金显 微组织及耐磨性的影响 王秋平13)，李璐123)，周荣锋123)四，蒋业华13)，周荣) 1)昆明理工大学材料科学与工程学院，昆明6500932)昆明理工大学分析测试研究中心，昆明650093 3)金属先进凝固成形及装备技术国家地方联合工程实验室，昆明650093 ☒通信作者，E-mail:zhourfchina@hotmail.com 摘要采用常规铸造和分段式倾斜板过流冷却铸造工艺制备A-22Si-2F-xMn合金，研究表明：过流冷却制备工艺能够改 善初生Si形貌及尺寸，但对针状富F相作用有限.利用扫描电镜，X射线衍射及透射电镜等手段分析过流冷却条件下M元 素添加对富Fe相晶体结构的影响，通过摩擦磨损实验研究不同M/Fe质量比的过共晶A-Si合金的硬度及耐磨损性能.结 果表明：随着过流冷却铸造过共晶Al-Si合金中M/Fe质量比增加，合金中四方结构的长针状富Fe相逐渐减少直至基本消 失，当Mn/Fe质量比为0.7时，富Fe相主要为六方结构的块状或鱼骨状a-Als(Fe,Mn),Si2相，此时，合金耐磨性较未添加 M如元素时有所提升，磨损机制以磨料磨损方式为主 关键词铝硅铁合金；过流冷却；过共晶合金；显微组织；耐磨性 分类号TG27 Effect of Mn element on the microstructure and wear resistance of hypereutectic Al-22Si-2Fe-xMn alloys produced by inclined cooling WANG Qiu-ping,LI L),ZHOU Rong-feng,JIANG Ye-hua,ZHOU Rong 1)School of Materials Science and Engineering,Kunming University of Seience and Technology,Kunming 650093.China 2)Research Center for Analysis and Measurement,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093.China 3)National Local Joint Engineering Laboratory of Advanced Metal Solidification Forming and Equipment Technology,Kunming 650093,China Corresponding author,E-mail:zhourfchina@hotmail.com ABSTRACT Al-22Si-2Fe-xMn alloys were prepared by conventional casting and a segment-based inclined cooling plates.It is shown that inclined cooling preparation technology can improve the morphology and size of primary Si,but has limited effect on the needle-shaped Fe-rich phase.The effect of Mn addition on the crystal structure of Fe-rich phase under the condition of inclined cooling was analyzed by scanning electron microscopy (SEM),X-ray diffraction (XRD)and transmission electron microscopy (TEM).The hardness and wear resistance of hypereutectic Al-Si alloys with different Mn/Fe mass ratios were also researched by friction and wear test.Results indicate that long needle-shaped Fe-rich phase of tetragonal structure decreases gradually and disappears basically in al- loys as the Mn/Fe mass ratio increases by inclined cooling casting hypereutectic Al-Si alloys.When the Mn/Fe mass ratio is 0.7,Fe- rich phase is mainly hexagonal structure block-shaped or fishbone-shaped a-Als(Fe,Mn)3Si phase.By the time,the wear resist- ance is enhanced compared with no Mn element addition.The wear mechanism gives priority to abrasive wear manner. KEY WORDS aluminum silicon iron alloys;inclined cooling;hypereutectic alloys;microstructure;wear resistance 收稿日期：2016-04-18 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51505205,51261011)：昆明理工大学自然科学研究基金资助项目(20159X9):云南省教育厅科学研 究基金资助项目(2015Y058):昆明理工大学学生课外学术科技创新基金资助项目(2015YB011)
工程科学学报,第 39 卷,第 2 期:222鄄鄄231,2017 年 2 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 39, No. 2: 222鄄鄄231, February 2017 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2017. 02. 009; http: / / journals. ustb. edu. cn Mn 元素对过流冷却过共晶 Al鄄鄄22Si鄄鄄2Fe鄄鄄 xMn 合金显 微组织及耐磨性的影响 王秋平1,3) , 李 璐1,2,3) , 周荣锋1,2,3) 苣 , 蒋业华1,3) , 周 荣3) 1) 昆明理工大学材料科学与工程学院, 昆明 650093 2) 昆明理工大学分析测试研究中心, 昆明 650093 3) 金属先进凝固成形及装备技术国家地方联合工程实验室, 昆明 650093 苣 通信作者, E鄄mail: zhourfchina@ hotmail. com 收稿日期: 2016鄄鄄04鄄鄄18 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51505205, 51261011);昆明理工大学自然科学研究基金资助项目(20159X9);云南省教育厅科学研 究基金资助项目(2015Y058);昆明理工大学学生课外学术科技创新基金资助项目(2015YB011) 摘 要 采用常规铸造和分段式倾斜板过流冷却铸造工艺制备 Al鄄鄄22Si鄄鄄2Fe鄄鄄xMn 合金,研究表明:过流冷却制备工艺能够改 善初生 Si 形貌及尺寸,但对针状富 Fe 相作用有限. 利用扫描电镜、X 射线衍射及透射电镜等手段分析过流冷却条件下 Mn 元 素添加对富 Fe 相晶体结构的影响,通过摩擦磨损实验研究不同 Mn / Fe 质量比的过共晶 Al鄄鄄 Si 合金的硬度及耐磨损性能. 结 果表明:随着过流冷却铸造过共晶 Al鄄鄄 Si 合金中 Mn / Fe 质量比增加,合金中四方结构的长针状富 Fe 相逐渐减少直至基本消 失,当 Mn / Fe 质量比为 0郾 7 时,富 Fe 相主要为六方结构的块状或鱼骨状 琢鄄Al 15 (Fe,Mn)3 Si 2 相,此时,合金耐磨性较未添加 Mn 元素时有所提升,磨损机制以磨料磨损方式为主. 关键词 铝硅铁合金; 过流冷却; 过共晶合金; 显微组织; 耐磨性 分类号 TG27 Effect of Mn element on the microstructure and wear resistance of hypereutectic Al鄄鄄22Si鄄鄄2Fe鄄鄄 xMn alloys produced by inclined cooling WANG Qiu鄄ping 1,3) , LI Lu 1,2,3) , ZHOU Rong鄄feng 1,2,3) 苣 , JIANG Ye鄄hua 1,3) , ZHOU Rong 3) 1) School of Materials Science and Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China 2) Research Center for Analysis and Measurement, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China 3) National & Local Joint Engineering Laboratory of Advanced Metal Solidification Forming and Equipment Technology, Kunming 650093, China 苣 Corresponding author, E鄄mail:zhourfchina@ hotmail. com ABSTRACT Al鄄鄄22Si鄄鄄2Fe鄄鄄 xMn alloys were prepared by conventional casting and a segment鄄based inclined cooling plates. It is shown that inclined cooling preparation technology can improve the morphology and size of primary Si, but has limited effect on the needle鄄shaped Fe鄄rich phase. The effect of Mn addition on the crystal structure of Fe鄄rich phase under the condition of inclined cooling was analyzed by scanning electron microscopy (SEM), X鄄ray diffraction (XRD) and transmission electron microscopy (TEM). The hardness and wear resistance of hypereutectic Al鄄鄄Si alloys with different Mn / Fe mass ratios were also researched by friction and wear test. Results indicate that long needle鄄shaped Fe鄄rich phase of tetragonal structure decreases gradually and disappears basically in al鄄 loys as the Mn / Fe mass ratio increases by inclined cooling casting hypereutectic Al鄄鄄Si alloys. When the Mn / Fe mass ratio is 0郾 7, Fe鄄 rich phase is mainly hexagonal structure block鄄shaped or fishbone鄄shaped 琢鄄Al 15 (Fe, Mn)3 Si 2 phase. By the time, the wear resist鄄 ance is enhanced compared with no Mn element addition. The wear mechanism gives priority to abrasive wear manner. KEY WORDS aluminum silicon iron alloys; inclined cooling; hypereutectic alloys; microstructure; wear resistance
王秋平等：Mn元素对过流冷却过共晶Al-22Si-2Fe-xMn合金显微组织及耐磨性的影响 ·223· 过共晶Al-Sⅰ合金具有低的热膨胀系数，优良的 化.然后将Mn剂加入熔体，充分搅拌，保温30minm.随 耐磨损性和高硬度口，已被广泛用作汽车工业中的耐 后将质量分数为98.5%的红磷压入金属液，红磷加入 磨元件.然而，由于初生Si颗粒形态不规则，如粗大的 量为0.5%（质量分数），搅拌，保温20min后加入 多边形、星形)]，导致这类合金韧性低、延展性差限制 C,Cl。除气，扒渣.最终得到Al-22Si-2Fe-xMn熔体. 了它们的应用.相关研究表明，倾斜板处理有利于过 熔体冷却至800℃后通过过流冷却工艺浇入石墨坩埚 共晶A-Si合金中初生Si细化-).在过共晶A-Si 中，冷却、机械加工后得到尺寸为Φ20mm×30mm的 合金中添加Fe能够形成含Fe的金属间化合物，可以 圆柱试样 改善其热稳定性)].但是，含Fe金属间化合物，如8- 实验采用三种Mn/Fe的合金，A。、A、A分别代表 AL,FeSi,和B-AL,FeSi在常规铸造条件下以长针状析 Mn/Fe为0、0.52.0.7的过共晶Al-Si合金，三种合金 出，割裂合金基体，大大降低其力学性能oMn在A- 成分见表1. Si-Fe-Mn合金体系中的主要作用是中和针状富Fe 表1实验中合金化学成分 相，且能够改善过共晶A-Si合金的高温稳定性能和 Table 1 Chemical compositions of the experimental alloys 耐腐蚀性-).华中科技大学吴树森课题组[]研究了 Si质量 Fe质量Mn质量AI质量 Mn添加量对超声波处理含质量分数为2%Fe的过共 试样 Mn/Fe 分数/% 分数/% 分数/% 分数/% 晶Al-Si合金中富Fe相的影响，研究结果表明随着 Ao 22 1.93 0 余量 0 Mn添加量提高至质量分数0.8%，常规铸态过共晶 A 22 1.63 0.84 余量 0.52 Al-Si合金组织中的富Fe相由长针状或者长片状转变 22 1.80 1.36 余量 0.70 为汉字状或者颗粒状.北京科技大学Cai等[]研究了 Mn,Cr元素对喷射沉积合金含Fe过共晶Al-Si合金 1.2实验方法 显微组织的影响，结果表明Mn、Cr可以使长针状富Fe 过流冷却铸造工艺采用分段式倾斜板来完成 相转变为颗粒状富Fe相.本课题组研究了Mn对 (图1).上段倾斜板材质为45钢，下段材质为石墨. 含质量分数为2%的Fe的电磁搅拌过共晶Al-Si合金 金属液流经上段钢板后坠落至下段石墨板，获得加速 富Fe相的影响，结果表明冷却速率低时，合金中的富 度，并且石墨与铝基材料润湿性极差，从而避免其在板 Fe相主要为B相，而冷却速率高时富Fe相主要以δ 上形成凝壳层.过流冷却铸造在钢制密闭箱内进行， 相存在，说明含Fe、Mn过共晶Al-Si合金对冷却速率 通入纯度为99.9%的氩气进行保护，防止金属液在流 比较敏感.黄海军等[研究了Mn对喷射沉积含Fe 动过程中氧化.经前期实验总结，上段钢质倾斜板角 过共晶Al-Si合金中Fe相的影响，其研究结果表明当 度为30°，下段石墨质倾斜板板角度为50°，每块板有 Mn/Fe质量比值为0.83或1时，合金中的富Fe相能 效长度均为300mm时，可获得形状规则细小的初生Si 以分子式-Als(Fe,Mn),Si,形式存在 颗粒. 本文采用分段式倾斜板铸造技术制备不同Mn含 量的过共晶Al-Si合金溶液，并且在不改变Fe含量的 基础上，逐步增加Mn的含量以获得不同Mn/Fe(质 量比，下文Mn/Fe均表示质量比)的凝固组织，并系 统研究Mn/Fe提高对过共晶Al-22Si-2Fe-xMn合金 疑固组织中富F相显微形貌、种类及晶体结构的影 响，为初生Si、富Fe相形态的细化与改善提供理论 和实践依据，并分析M元素添加后对合金耐磨性的 影响. 1实验过程 1.1实验合金的配比及熔炼 采用纯Al、Si-7Fe中间合金和质量分数为75%的 Mn剂配制过共晶铝硅合金，直径为1~2cm的Si-7Fe 1一石墨坩埚：2一金属溶液：3一倾斜板：4一销：5一石墨坩埚：6一 中间合金、M剂和其他添加剂均采用铝箔包裹，压入 气体保护箱 金属液.纯A1随炉升温至850℃，全部熔化后，将Si- 图1过流冷却铸造过程示意图 7Fe中间合金分批浸入铝液，搅拌至中间合金全部熔 Fig.I Schematic of inclined cooling casting
王秋平等: Mn 元素对过流冷却过共晶 Al鄄鄄22Si鄄鄄2Fe鄄鄄 xMn 合金显微组织及耐磨性的影响 过共晶 Al鄄鄄 Si 合金具有低的热膨胀系数,优良的 耐磨损性和高硬度[1] ,已被广泛用作汽车工业中的耐 磨元件. 然而,由于初生 Si 颗粒形态不规则,如粗大的 多边形、星形[2] ,导致这类合金韧性低、延展性差,限制 了它们的应用. 相关研究表明,倾斜板处理有利于过 共晶 Al鄄鄄 Si 合金中初生 Si 细化[3鄄鄄4] . 在过共晶 Al鄄鄄 Si 合金中添加 Fe 能够形成含 Fe 的金属间化合物,可以 改善其热稳定性[5] . 但是,含 Fe 金属间化合物,如 啄鄄 Al 4FeSi 2和 茁鄄Al 5 FeSi 在常规铸造条件下以长针状析 出,割裂合金基体,大大降低其力学性能[6] . Mn 在 Al鄄鄄 Si鄄鄄Fe鄄鄄Mn 合金体系中的主要作用是中和针状富 Fe 相,且能够改善过共晶 Al鄄鄄 Si 合金的高温稳定性能和 耐腐蚀性[7鄄鄄11] . 华中科技大学吴树森课题组[12]研究了 Mn 添加量对超声波处理含质量分数为 2% Fe 的过共 晶 Al鄄鄄 Si 合金中富 Fe 相的影响,研究结果表明随着 Mn 添加量提高至质量分数 0郾 8% ,常规铸态过共晶 Al鄄鄄Si 合金组织中的富 Fe 相由长针状或者长片状转变 为汉字状或者颗粒状. 北京科技大学 Cai 等[13]研究了 Mn、Cr 元素对喷射沉积合金含 Fe 过共晶 Al鄄鄄 Si 合金 显微组织的影响,结果表明 Mn、Cr 可以使长针状富 Fe 相转变为颗粒状富 Fe 相. 本课题组[14] 研究了 Mn 对 含质量分数为 2% 的 Fe 的电磁搅拌过共晶 Al鄄鄄Si 合金 富 Fe 相的影响,结果表明冷却速率低时,合金中的富 Fe 相主要为 茁 相,而冷却速率高时富 Fe 相主要以 啄 相存在,说明含 Fe、Mn 过共晶 Al鄄鄄 Si 合金对冷却速率 比较敏感. 黄海军等[15] 研究了 Mn 对喷射沉积含 Fe 过共晶 Al鄄鄄 Si 合金中 Fe 相的影响,其研究结果表明当 Mn / Fe 质量比值为 0郾 83 或 1 时,合金中的富 Fe 相能 以分子式 琢鄄Al 15 (Fe, Mn)3 Si 2形式存在. 本文采用分段式倾斜板铸造技术制备不同 Mn 含 量的过共晶 Al鄄鄄 Si 合金溶液,并且在不改变 Fe 含量的 基础上,逐步增加 Mn 的含量以获得不同 Mn / Fe( 质 量比,下文 Mn / Fe 均表示质量比) 的凝固组织,并系 统研究 Mn / Fe 提高对过共晶 Al鄄鄄22Si鄄鄄2Fe鄄鄄xMn 合金 凝固组织中富 Fe 相显微形貌、种类及晶体结构的影 响,为初生 Si、富 Fe 相形态的细化与改善提供理论 和实践依据,并分析 Mn 元素添加后对合金耐磨性的 影响. 1 实验过程 1郾 1 实验合金的配比及熔炼 采用纯 Al、Si鄄鄄7Fe 中间合金和质量分数为 75% 的 Mn 剂配制过共晶铝硅合金,直径为 1 ~ 2 cm 的 Si鄄鄄7Fe 中间合金、Mn 剂和其他添加剂均采用铝箔包裹,压入 金属液. 纯 Al 随炉升温至 850 益 ,全部熔化后,将 Si鄄鄄 7Fe 中间合金分批浸入铝液,搅拌至中间合金全部熔 化. 然后将 Mn 剂加入熔体,充分搅拌,保温30 min. 随 后将质量分数为 98郾 5% 的红磷压入金属液,红磷加入 量为 0郾 5% ( 质量分数),搅拌,保温 20 min 后加入 C2Cl 6除气,扒渣. 最终得到 Al鄄鄄22Si鄄鄄2Fe鄄鄄 xMn 熔体. 熔体冷却至 800 益后通过过流冷却工艺浇入石墨坩埚 中,冷却、机械加工后得到尺寸为 准20 mm 伊 30 mm 的 圆柱试样. 实验采用三种 Mn / Fe 的合金,A0 、A1 、A2分别代表 Mn / Fe 为 0、0郾 52、0郾 7 的过共晶 Al鄄鄄 Si 合金,三种合金 成分见表 1. 表 1 实验中合金化学成分 Table 1 Chemical compositions of the experimental alloys 试样 Si 质量 分数/ % Fe 质量 分数/ % Mn 质量 分数/ % Al 质量 分数/ % Mn / Fe A0 22 1郾 93 0 余量 0 A1 22 1郾 63 0郾 84 余量 0郾 52 A2 22 1郾 80 1郾 36 余量 0郾 70 1郾 2 实验方法 过流冷却铸造工艺采用分段式倾斜板来完成 (图 1). 上段倾斜板材质为 45 钢,下段材质为石墨. 金属液流经上段钢板后坠落至下段石墨板,获得加速 度,并且石墨与铝基材料润湿性极差,从而避免其在板 上形成凝壳层. 过流冷却铸造在钢制密闭箱内进行, 通入纯度为 99郾 9% 的氩气进行保护,防止金属液在流 动过程中氧化. 经前期实验总结,上段钢质倾斜板角 度为 30毅,下段石墨质倾斜板板角度为 50毅,每块板有 效长度均为 300 mm 时,可获得形状规则细小的初生 Si 颗粒. 1—石墨坩埚;2—金属溶液;3—倾斜板;4—销;5—石墨坩埚;6— 气体保护箱 图 1 过流冷却铸造过程示意图 Fig. 1 Schematic of inclined cooling casting ·223·
·224· 工程科学学报，第39卷，第2期 试样经粗磨、精磨、抛光后使用体积分数为0.5% 别经过流冷却后浇入室温石墨坩埚中的凝固组织 的HF溶液腐蚀，采用光学显微镜(Leico)、扫描电子显 A,(Mn/Fe为O)合金常规铸造组织主要由灰色初 微镜(Quanta200)、能谱(EDS)分析系统(XL30ESEM- 生Sⅰ颗粒，黑色长针状金属间化合物与共晶组织组 TMP,Philips Co)、透射电子显微镜(Tecnai G2F30S- 成，如图2(a)所示.初生Si平均直径约为(45±10) TWIN)和X射线衍射仪(D/max-3B,Ricoh Co)对微观 μm,呈块状或不规则多边形.针状金属间化合物长度 组织进行分析：合金固-液相线采用同步热分析仪 约为100um,片状共晶Si均匀分布在a-Al内.经分段 (NETZSCH STA499F3)测量：采用HR-150A型洛氏 式倾斜板处理后的组织（见图2(b)),初生Sⅰ平均直 硬度计测试合金HRB硬度，耐磨实验设备为MMU-5G 径降低为(30±10)m,主要以板块状和不规则颗粒 型屏显式材料端面摩擦磨损试验机. 状存在，且单位面积内初生Sⅰ晶粒和黑色针状化合物 数量增多，黑色针状化合物长度约为70um.与图(a) 2实验结果与分析 不同，图(b)中显示，合金经过流冷却后共晶组织得到 2.1分段式倾斜板对合金微观组织的影响 一定细化，变为短小纤维状. 图2(a)、(c)和(e)为三种合金熔液直接浇入室温 A(Mn/Fe为0.52)合金常规铸造组织如图2(c) 石墨坩埚中的凝固微观组织，图2(b)、(d)与()为其分 所示，初生Si平均直径约为(50±10)μm,与图2(a) (a. 50μ4m 50m 图2合金显微组织.(a)常规铸造A:(b)过流冷却铸造A;(c)常规铸造A1:(d)过流冷却铸造A1;()常规铸造A2:()过流冷 却铸造A2 Fig.2 Microstructures of alloys:(a)as-cast Ao;(b)inclined cooling casting Ao:(e)as-cast A:(d)inclined cooling casting A;(e)as-cast A2;(f)inclined cooling casting A
工程科学学报,第 39 卷,第 2 期 试样经粗磨、精磨、抛光后使用体积分数为 0郾 5% 的 HF 溶液腐蚀,采用光学显微镜(Leico)、扫描电子显 微镜(Quanta 200)、能谱(EDS)分析系统(XL30ESEM鄄鄄 TMP,Philips Co)、透射电子显微镜( Tecnai G2 F30 S鄄鄄 TWIN)和 X 射线衍射仪(D/ max鄄鄄3B,Ricoh Co)对微观 组织进行分析;合金固鄄鄄 液相线采用同步热分析仪 (NETZSCH STA 499F3) 测量;采用 HR鄄鄄 150A 型洛氏 硬度计测试合金 HRB 硬度,耐磨实验设备为 MMU鄄鄄5G 型屏显式材料端面摩擦磨损试验机. 2 实验结果与分析 图 2 合金显微组织. (a) 常规铸造 A0 ; (b) 过流冷却铸造 A0 ; (c) 常规铸造 A1 ; (d) 过流冷却铸造 A1 ; (e) 常规铸造 A2 ; (f) 过流冷 却铸造 A2 Fig. 2 Microstructures of alloys: (a) as鄄cast A0 ; (b) inclined cooling casting A0 ; (c) as鄄cast A1 ; (d) inclined cooling casting A1 ; (e) as鄄cast A2 ; (f) inclined cooling casting A2 2郾 1 分段式倾斜板对合金微观组织的影响 图 2(a)、(c)和(e)为三种合金熔液直接浇入室温 石墨坩埚中的凝固微观组织,图 2(b)、(d)与(f)为其分 别经过流冷却后浇入室温石墨坩埚中的凝固组织. A0 (Mn / Fe 为 0)合金常规铸造组织主要由灰色初 生 Si 颗粒,黑色长针状金属间化合物与共晶组织组 成,如图 2( a) 所示. 初生 Si 平均直径约为(45 依 10) 滋m,呈块状或不规则多边形. 针状金属间化合物长度 约为 100 滋m,片状共晶 Si 均匀分布在 琢鄄Al 内. 经分段 式倾斜板处理后的组织(见图 2( b)),初生 Si 平均直 径降低为(30 依 10) 滋m,主要以板块状和不规则颗粒 状存在,且单位面积内初生 Si 晶粒和黑色针状化合物 数量增多,黑色针状化合物长度约为 70 滋m. 与图( a) 不同,图(b)中显示,合金经过流冷却后共晶组织得到 一定细化,变为短小纤维状. A1 (Mn / Fe 为 0郾 52)合金常规铸造组织如图 2( c) 所示,初生 Si 平均直径约为(50 依 10) 滋m,与图 2( a) ·224·
王秋平等：Mn元素对过流冷却过共品Al-22Si-2Fe-xMn合金显微组织及耐磨性的影响 ·225· 相比，黑色长针状化合物数量减少，长度约为70um. 属间化合物细化.通过以上三种合金的两种铸造 此时，凝固组织中出现深灰色骨骼状和块状化合物，骨 条件凝固组织对比，可以观察到分段式倾斜板对初 骼状化合物整体长度达到200μum,宽度40μm.经过流 生Si、金属间化合物与共晶组织形貌进行了一定的 冷却后，初生S、针状金属间化合物均得到一定程度细 改善与细化. 化.且深灰色粗大骨骼状化合物以平均直径约为302.2M/Re对过流冷却铸造过共晶A-22Si-2Fe合 um的块状形式依附在初生Si上析出. 金显微组织影响 图2(e)、()分别为A,(Mn/Fe为0.7)合金常规2.2.1A,合金显微组织 铸造组织与过流冷却凝固组织，两种铸造条件凝固组 如图3(a)所示，过流冷却铸造A。(Mn/Fe为0) 织对比可以发现，经过流冷却后初生Si得到细化，平 合金组织由α-Al,灰色初生Si颗粒，针状金属间化合 均直径降低至约30μm.同时发现，两种铸造条件的凝 物和共晶Si组成.初生Si平均直径约30um,针状金 固组织中均未发现针状化合物，常规铸造合金凝固组 属间化合物平均长度约为70μm.a-Al分布在初生Si 织内深灰色化合物呈枝晶或不规则块状存在，大部分 与共晶Si组织之间.根据A1-Fe-Si三元相图[6]，含 依附在初生Sⅰ上，而经过流冷却处理后，深灰色化合 铁质量分数为2%的过共晶A1-Si合金在平衡凝固过 物呈规则多边形块状存在 程中首先析出初生Si相，随后析出8-AL,FeSi,相.8- 由于Si原子扩散系数比较大，生长具有各向异 AL,FeSi,相会在610℃下进行包晶反应：L+8-Al FeSi2→ 性，只有在大的过冷度下，使其快速凝固产生大量 Si+B-AL,FeSi.据其他研究人员针对Al-25Si-5Fe合金凝 晶核，才能抑制初生Sⅰ在择优方向上生长，使组织 固过程分析)，富Fe相8-AL,FeSi,相有可能作为初生 更加细化.倾斜板的激冷作用抑制了初生Sⅰ生长， 相先于Si颗粒析出，但随着Fe含量的降低，δ-Al,FeSi2 导致过流冷却铸造的初生S直径明显比常规铸造 相析出温度也随之降低.由A,合金X射线衍射图（见 的初生S直径小.同时，倾斜板对金属液施加剪切 图3(b))判断，A。合金包含a-Al、初生Si、8-Al,FeSi,和 力使熔液溶质均匀化，促进长针状与粗大骨骼状金 B-AL,FeSi相.对针状金属间化合物进行能谱分析，根 7000 (b 40-A1 6000 ●Si ◆Al.FeSi 5000 o Al FeSi, 3000 2000 1000 o c 100um 20 30 40 50 60 20/) (200 富Fe相 B=064] -5.001/Cm 图3过流冷却铸造A,合金组织.(a)显微组织；(b)X射线衍射图谱：（©）透射电镜明场像与其选区衍射 Fig.3 Microstructures of Ao alloy through inclined cooling casting:(a)optical microscopy;(b)XRD graph;(c)TEM bright field images and its SAED
王秋平等: Mn 元素对过流冷却过共晶 Al鄄鄄22Si鄄鄄2Fe鄄鄄 xMn 合金显微组织及耐磨性的影响 相比,黑色长针状化合物数量减少,长度约为 70 滋m. 此时,凝固组织中出现深灰色骨骼状和块状化合物,骨 骼状化合物整体长度达到200 滋m,宽度40 滋m. 经过流 冷却后,初生 Si、针状金属间化合物均得到一定程度细 化. 且深灰色粗大骨骼状化合物以平均直径约为 30 滋m 的块状形式依附在初生 Si 上析出. 图 2(e)、(f)分别为 A2 (Mn / Fe 为 0郾 7)合金常规 铸造组织与过流冷却凝固组织,两种铸造条件凝固组 织对比可以发现,经过流冷却后初生 Si 得到细化,平 均直径降低至约 30 滋m. 同时发现,两种铸造条件的凝 固组织中均未发现针状化合物,常规铸造合金凝固组 织内深灰色化合物呈枝晶或不规则块状存在,大部分 依附在初生 Si 上,而经过流冷却处理后,深灰色化合 物呈规则多边形块状存在. 图 3 过流冷却铸造 A0合金组织 郾 (a) 显微组织;(b) X 射线衍射图谱;(c) 透射电镜明场像与其选区衍射 Fig. 3 Microstructures of A0 alloy through inclined cooling casting: (a) optical microscopy; (b) XRD graph; (c) TEM bright field images and its SAED 由于 Si 原子扩散系数比较大,生长具有各向异 性,只有在大的过冷度下,使其快速凝固产生大量 晶核,才能抑制初生 Si 在择优方向上生长,使组织 更加细化. 倾斜板的激冷作用抑制了初生 Si 生长, 导致过流冷却铸造的初生 Si 直径明显比常规铸造 的初生 Si 直径小. 同时,倾斜板对金属液施加剪切 力使熔液溶质均匀化,促进长针状与粗大骨骼状金 属间化合物细化. 通过以上三种合金的两种铸造 条件凝固组织对比,可以观察到分段式倾斜板对初 生 Si、金属间化合物与共晶组织形貌进行了一定的 改善与细化. 2郾 2 Mn / Fe 对过流冷却铸造过共晶 Al鄄鄄22Si鄄鄄2Fe 合 金显微组织影响 2郾 2郾 1 A0合金显微组织 如图 3( a) 所示,过流冷却铸造 A0 (Mn / Fe 为 0) 合金组织由 琢鄄Al,灰色初生 Si 颗粒,针状金属间化合 物和共晶 Si 组成. 初生 Si 平均直径约 30 滋m,针状金 属间化合物平均长度约为 70 滋m. 琢鄄Al 分布在初生 Si 与共晶 Si 组织之间. 根据 Al鄄鄄 Fe鄄鄄 Si 三元相图[16] ,含 铁质量分数为 2% 的过共晶 Al鄄鄄 Si 合金在平衡凝固过 程中首先析出初生 Si 相,随后析出 啄鄄Al 4 FeSi 2 相. 啄鄄 Al 4FeSi 2相会在 610 益下进行包晶反应:L + 啄鄄Al 4 FeSi 2寅 Si + 茁鄄Al 5FeSi. 据其他研究人员针对Al鄄鄄25Si鄄鄄5Fe 合金凝 固过程分析[17] ,富 Fe 相 啄鄄Al 4FeSi 2相有可能作为初生 相先于 Si 颗粒析出,但随着 Fe 含量的降低,啄鄄Al 4FeSi 2 相析出温度也随之降低. 由 A0合金 X 射线衍射图(见 图 3(b))判断,A0合金包含 琢鄄Al、初生 Si、啄鄄Al 4FeSi 2和 茁鄄Al 5FeSi 相. 对针状金属间化合物进行能谱分析,根 ·225·
·226· 工程科学学报，第39卷，第2期 据其所含元素原子百分比得到针状化合物分子式为 2.2.2A和A,合金显微组织 L2 FeSi2n,与8-AL,FeSi,相分子式相接近.图3(c) 提高Mn/Fe值对过流冷却铸造过共晶Al-Si合金 为富F相的透射电镜明场像及该相选区衍射花样，分 微观组织影响可以从图4中看出.图4(a)为过流冷却 析表明，该相为四方结构，其晶格常数a=0.60641nm, 铸造A,(Mn/Fe为0.52)合金的背散射电子图像，微观 c=0.95258nm.根据相关研究[s],在较低冷速下，亚 组织中长针状为富Fe相，黑色块状相为初生Si,依附在 稳态8-AL,FeSi,相通过包晶反应转变成稳定的B- 初生Sⅰ颗粒上的枝晶状和不规则块状为金属间化合 Al FeSi相，然而倾斜板与高纯石墨坩埚对金属液的强 物.当合金Mn/Fe提高到0.70（见图4(b))时，针状富 冷作用抑制了此反应，因此δ-Al,FSi2相作为主要富 F相消失，枝晶状和块状金属间化合物增多，并且出现 Fe相存在于过流冷却铸造A,合金中 一些分布均匀的细小汉字状或鱼骨状金属间化合物. 20 200 图4过流冷却铸造A(a)与A2(b)合金背散射电子显微组织 Fig.4 BSE microscopies of inclined cooling casting A(a)and A2(b)alloys 对上述A、A合金试样进行X射线衍射分析 。 Als(Fe,Mn),Si,相，有少量8-AL(Fe,Mn)Si,相存 (见图5)，结果表明，A,合金组成相为-Al、B-Si、 在，但其含量较低.根据Huang等[研究，析出的8- B-A山(Fe,Mn)Si和a-Als(Fe,Mn),Si2相（见图5 AL,(Fe,Mn)Si,相会与液相反应生成a-Als(Fe, (a)).A,合金X射线衍射图谱（见图5(b))与A相 Mn),Si,相，并且8-AL,(Fe,Mn)Si,相与液相在610℃ 比，没有明显的B-AL,(Fe,Mn)Si相衍射峰显示，只 下反应生成B-AL(Fe,Mn)Si.剩余的液相在共晶温 有一个δ-Al(Fe,Mn)Si,相衍射峰被找到（见图5 度开始进行四元共晶反应，生成Si、a-A1和α- (b)),表明A,合金中大部分金属间化合物为α Als(Fe,Mn)aSiz. 8000 (a) ▲C-Al ▲a-Al 7000 ●Si 6000, ●Si ◆B 5000 06 6000 08 △a-Al s(Fe,MnSi AAl (Fe.Mn)Si, 500 4000 4000 3000 3000 2000 2000 1000 1000 30 40 50 60 152025303540 455055 60 29) 20/) 图5过流冷却铸造A1(a)与A2(b)合金X射线衍射图谱 Fig.5 XRD graphs of inclined cooling cast A(a)and A2 (b)alloys 由图6(b)可以观察到，在A,合金中有依附于初 Al2a(Fe,Mn),Si2和Al6s(Fe,Mn)3SiL5,二者分 生Si上的多边形块状金属间化合物（标记“D”),细小 子式接近Als(Fe,Mn),Si,相，A,合金微观组织中针 汉字状或鱼骨状化合物（标记“E”).见图6(a),A,合 状富Fe相摩尔分数为Al25(Fe,Mn)Si2sn接近8- 金微观组织中出现针状金属间化合物（标记“F”).表 Al,(Fe,Mn)Si,相. 2为三种化合物能谱分析结果.多边形块状与细小汉 图7(a)为过流冷却铸造A合金8-Al,(Fe,Mn)Si, 字状金属间化合物摩尔分数化为分子式分别为 相透射电镜图像及该相选区衍射图样，分析显示，该相
工程科学学报,第 39 卷,第 2 期 据其所含元素原子百分比得到针状化合物分子式为 Al 3郾 80FeSi 2郾 47 ,与 啄鄄Al 4 FeSi 2 相分子式相接近. 图 3( c) 为富 Fe 相的透射电镜明场像及该相选区衍射花样,分 析表明,该相为四方结构,其晶格常数 a = 0郾 60641 nm, c = 0郾 95258 nm. 根据相关研究[18] ,在较低冷速下,亚 稳态 啄鄄Al 4 FeSi 2 相 通 过 包 晶 反 应 转 变 成 稳 定 的 茁鄄 Al 5FeSi 相,然而倾斜板与高纯石墨坩埚对金属液的强 冷作用抑制了此反应,因此 啄鄄Al 4 FeSi 2 相作为主要富 Fe 相存在于过流冷却铸造 A0合金中. 2郾 2郾 2 A1和 A2合金显微组织 提高 Mn / Fe 值对过流冷却铸造过共晶 Al鄄鄄Si 合金 微观组织影响可以从图4 中看出. 图4(a)为过流冷却 铸造 A1 (Mn / Fe 为0郾 52)合金的背散射电子图像,微观 组织中长针状为富 Fe 相,黑色块状相为初生 Si,依附在 初生 Si 颗粒上的枝晶状和不规则块状为金属间化合 物. 当合金 Mn / Fe 提高到 0郾 70(见图 4(b))时,针状富 Fe 相消失,枝晶状和块状金属间化合物增多,并且出现 一些分布均匀的细小汉字状或鱼骨状金属间化合物. 图 4 过流冷却铸造 A1 (a) 与 A2 (b)合金背散射电子显微组织 Fig. 4 BSE microscopies of inclined cooling casting A1 (a) and A2 (b) alloys 对上述 A1 、A2 合金试样进行 X 射线衍射分析 (见图 5 ) ,结 果 表 明,A1 合 金 组 成 相 为 琢鄄Al、 茁鄄Si、 茁鄄Al 5 ( Fe, Mn) Si和 琢鄄Al 15 ( Fe, Mn) 3 Si 2 相 ( 见 图 5 ( a) ) . A2合金 X 射线衍射图谱(见图 5( b) )与 A1相 比,没有明显的 茁鄄Al 5 ( Fe, Mn) Si 相衍射峰显示,只 有一个 啄鄄Al 4 ( Fe, Mn) Si 2 相衍射峰被找到( 见图 5 ( b) ) ,表 明 A2 合 金 中 大 部 分 金 属 间 化 合 物 为 琢鄄 Al 15 ( Fe, Mn) 3 Si 2相,有少量 啄鄄Al 4 ( Fe, Mn) Si 2 相存 在,但其含量较低. 根据 Huang 等[19] 研究,析出的 啄鄄 Al 4 ( Fe, Mn) Si 2 相 会 与 液 相 反 应 生 成 琢鄄Al 15 ( Fe, Mn) 3 Si 2相,并且 啄鄄Al 4 ( Fe, Mn) Si 2相与液相在 610 益 下反应生成 茁鄄Al 5 ( Fe, Mn) Si. 剩余的液相在共晶温 度开 始 进 行 四 元 共 晶 反 应, 生 成 Si、 琢鄄Al 和 琢鄄 Al 15 ( Fe, Mn) 3 Si 2 . 图 5 过流冷却铸造 A1 (a) 与 A2 (b) 合金 X 射线衍射图谱 Fig. 5 XRD graphs of inclined cooling cast A1 (a) and A2 (b) alloys 由图 6(b) 可以观察到,在 A2 合金中有依附于初 生 Si 上的多边形块状金属间化合物(标记“D冶),细小 汉字状或鱼骨状化合物(标记“E冶). 见图 6( a),A1合 金微观组织中出现针状金属间化合物(标记“F冶). 表 2 为三种化合物能谱分析结果. 多边形块状与细小汉 字状 金 属 间 化 合 物 摩 尔 分 数 化 为 分 子 式 分 别 为 Al 12郾 63 (Fe, Mn)3 Si 2郾 33和 Al 16郾 65 ( Fe, Mn)3 Si 1郾 85 ,二者分 子式接近 Al 15 ( Fe, Mn)3 Si 2 相,A1 合金微观组织中针 状富 Fe 相摩尔分数为 Al 3郾 55 ( Fe, Mn) Si 2郾 57 接近 啄鄄 Al 4 (Fe, Mn)Si 2相. 图 7(a)为过流冷却铸造 A1合金 啄鄄Al 4 (Fe,Mn)Si 2 相透射电镜图像及该相选区衍射图样,分析显示,该相 ·226·