Al-24%Si合金半固态等温搅拌时的微观组织

D0I:10.13374.i8sn100163x.1998.04.014 第20卷第4期 北京科技大学学报 Vol.20】 1998年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.l A1-24%Si合金半固态等温搅拌时的 微观组织* 王德仁 毛卫民 李树索 钟雪友 北京科技大学材料科学与工程学院.北京100083 摘要研究了A1-24%Si合金在半固态等温电磁搅拌下组织的变化规律.实验分冷却过程不搅拌和 冷却过程搅拌2种.保温温度为577℃，在此温度下，搅拌时间长达40min.结果发现.搅拌过程中 同时发生初生硅相的破碎和聚合行为，当等温搅拌时间超过20n后初生硅相粒子的尺寸变化 不大，其分布也趋于均匀；组织中出现了球状的α相， 关键词电磁搅拌；过共晶铝硅合金；显微组织 分类号TG292 过共晶铝硅合金是一种软基体上分布着硬相质点的理想耐磨材料，其常规组织为初生硅 +共晶组织，初生硅的显微硬度Hv为」000~1300，而铝的显微硬度Hv仅为60~100.初生 硅的数量、形貌、大小和分布对过共晶铝硅合金的性能起着重要作用.可是，当硅（质量分数） 超过21%时，合金中析出大量的粗大的多角形或板条状的初生硅，在硅相的尖角处引起应力 集中，使合金机械性能特别是延伸率显著降低，切削加工性能变差，而且常规的变质方法对含 硅量超过21%的过共晶铝硅合金中硅的变质作用也影响不大，所以目前这类合金在工业上 很少应用 半固态加工作为近年来开发出来的一种新的金属成形方法，它是将处于固液两相区的合 金进行强烈搅拌，使初生相成为粒状形态悬浮在剩余的液相中，这种合金具有良好的触变性， 易于加工成形四 基于上述考虑，本文试图利用电磁搅拌破碎粗大的初生硅，研究在电磁搅拌条件下，初生 硅的大小，形貌和分布的变化规律 1实验方法 实验利用电磁搅拌装置对合金液进行搅拌，利用电阻丝加热保证合金液在预定的温度下 等温搅拌.实验合金由工业纯硅和工业纯铝按其质量分数配制而成的A1-24%Si合金. 将保温坩埚放到电磁搅拌装置中，把坩埚预先加热至500℃，再将800℃的A1-24%Si合 金液浇入坩埚中，调节保温坩埚电压的大小，使金属液逐渐降温到577℃，等温度稳定后，开 始进行搅拌；当等温搅拌分别至10,20,30和40min时用玻璃管吸取试样立即进行淬火，此为 第I组实验；第Ⅱ组实验的坩埚预热温度和浇注温度与第I组相同.但一待浇入完毕即进行搅 1997-10-16收稿王德仁男，25岁.硕士 *国家月然科学基金资助课题

DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1998．04．014

Vol.20 No.4 王德仁等：Al-24%Si合金半固态等温搅拌时的微观组织 ·337· 拌，一直搅拌到半固态合金温度达到577℃，并在此温度下继续搅拌，在等温搅拌时间分别至 10,20,30和40min时用玻璃管吸取试样立即进行淬火. 2实验结果与分析 2.1第1组A-24%Si合金的组织演变 图1是A1-24%Si合金在577℃开始等温搅拌不同时间下的显微组织.从图1中可以看 出，随着搅拌时间的延长，初生硅有的被打碎，变成小的硅粒子均匀分布到周围的基体上；有 的初生硅却发生了团聚.初生硅的分布变得更加均匀，而其形状基本上保持了冷却过程中析 出时的形状，只是由于受电磁力的搅拌作用，其外貌棱角变得不那么尖锐了.初生硅的大小和 形貌发生这种变化的原因是：初生硅和金属液在电磁力的搅拌作用下，发生激烈的流动；初生 硅和初生硅、初生硅和金属液相互碰撞和摩擦，尺寸较大的或较长的硅粒子被打碎，变成较小 的硅粒子均匀分布到金属液中去，粗大的初生硅被破碎的假定可以从其组织变化得到证实， 如图2所示.在A1-24%Sⅰ合金半固态浆料中，可以观察到硅晶体的各种不同形状，初生硅破 碎后能够留下其解理面，分析认为初生硅的断裂是沿100}面和{110}面进行 260um 图1等温搅拌过程过共晶铝硅合金半固态显微组织，白色质点为α相 (a)搅拌20min;(c)搅拌40min (110)解理面 1101 (100) II0) 1i2 [100] [010] 010 [10m (110) 010 图2初生硅的破碎

·338· 北京科技大学学报 1998年第4期 初生硅与初生硅的碰撞和摩擦，一方面使它们各自的外貌变得光滑，另一方面又有可能 彼此粘合在一起，变成尺寸更大、形状更复杂的硅团.这2种相反行为同时动态发生于整个搅 拌过程之中， 从图1中还可以发现过共晶A1-24%Si合金等温搅拌组织中出现了初生α相，它在短时间 内经电磁搅拌作用被打碎成球状（如图】中的白色质点）.它的出现可能与电磁搅拌有关. 2.2第IⅡ组A-24%Si合金的组织演变 图3是A1-24%Si合金在577℃等温搅拌不同时间的显微组织.与图1相比，初生硅的外 貌更为光滑圆整，内部也更加密实，分布更加均匀.这是因为初生硅一经形核便处在电磁搅拌 作用下金属液的激烈流动中，使合金凝固动力学条件与I组的截然不同，即初生硅小平面晶 生长特性被抑制，初生硅晶核在各个方向上生长的差异相对减少，故大部分硅粒子形状趋于 光滑圆整，内部比较密实 260m 图3等温搅拌过共晶铝硅合金半固态显微组织 (a)搅拌10min;(b)搅拌20min;c)搅拌30min;(d)搅拌40min 从组织变化中可以看出，随着搅拌时间的延长，初生硅的形状变得越来越光滑圆整，但当 搅拌到20min时，初生硅的形状最为圆整，再进一步搅拌，其尺寸大小变化不大.这是因为在

Vol.20 No.4 王德仁等：A-24%Si合金半固态等温搅拌时的微观组织 ·339· 高于577℃的先期搅拌就已经使初生硅较为光滑和密实，到577℃等温搅拌时，由于固相率不 再变化，强烈的电磁搅拌也只能使金属液剧烈流动并带动硅粒子相互碰撞摩擦.初生硅的相 互碰撞摩擦，使得硅粒子破碎和光滑圆整，同时也使得硅粒子相互粘结长大，这2种相反行为 在等温搅拌20mi时达到平衡，再延长搅拌时间，初生硅的形状将不再变化. 3结论 (1)从800℃冷却到577℃过程中不对金属熔体搅拌，只在577℃下开始等温搅拌，这种搅 拌工艺对超过一定尺寸的初生硅具有碎化作用，但初生硅的形状改变不大，随着搅拌时间的 延长，初生硅的形状有所圆整 (2)金属熔体在800℃下浇注后，立即开始搅拌，并在577℃下等温搅拌，这种搅拌工艺对 初生硅形状变化有明显的作用，使初生硅变为球团状，内部变得致密，但当搅拌时间超过20 min后，尺寸变化不大. (3)强烈的电磁搅拌可以使过共晶A124%Si合金组织中出现球状的先共晶α相. 参考文献 1周国桢.铸造有色合金及其熔炼.北京：国防工业出版社，1982.12 2 Femings M C.Behavior of Metal Alloys in the Semi-Solid State.Metall Trans,1991,22A:957 Microstructrural Characteristics of Semi-Solid State Al-24%Si Alloy during Isothermal Electromagnetic Stirring Wang Deren Mao Weimin Li Shusuo Zhong Xueyou Material Science and Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT Microstructure characteristics of Al-24%Si alloy was studied at the condition of isothermal electromagnetic stirring.Experiment was divided two groups: Stiring and no stirring during cooling course.Isothermal temperature is 577c with shearing time up to 40 minutes.Results discover that primary silicon crystal fragmentation and agglomeration occurs simultaneously in the course of stirring.The size of primary silicon phase tends to a constant.Spherical phase appears in the microstructure. KEY WORD electromagnetic stirring;hypereutectic Al-Si alloy;microstructure