幾種含硅合金中富硅相形核與生長(zhǎng)機(jī)制的研究.pdf

1、Al-Si合金廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)活塞等動(dòng)力傳遞件，為提高其使用性能，必須對(duì)其進(jìn)行變質(zhì)處理。目前使用最廣泛的是磷變質(zhì)處理，AlP作為初晶硅的異質(zhì)核心。在Al-Si合金的生產(chǎn)中，國(guó)內(nèi)外采用的加磷方式主要有三種：赤磷、磷鹽和Cu-P中間合金，但存在效果不穩(wěn)定和環(huán)境污染等問題。因此解決該材料的變質(zhì)處理問題是一項(xiàng)有重要意義的工作。 本文利用光學(xué)顯微鏡(OM)、電子探針顯微分析儀(EPMA)、透射電鏡(TEM)、差示掃描量熱儀(DSC)、X射

2、線衍射儀(XRD)等測(cè)試手段對(duì)Cu-50Si、Ni-38Si、Mn-30Si和近共晶Al-12Si合金中富硅相的形核和生長(zhǎng)機(jī)制進(jìn)行研究，通過探討富硅相的異質(zhì)形核，制備出一種新型低熔點(diǎn)Cu-P-Si中間合金變質(zhì)劑，提出了兩種不同于傳統(tǒng)磷變質(zhì)處理的新方法。 本文的主要研究工作如下： (1)Cu-50Si中硅相的微細(xì)化與Cu-P-Si中間合金的研制過共晶Cu-50Si合金中的初晶相為硅相，尺寸超過1mm，必須對(duì)其進(jìn)行細(xì)化處理。

3、加入一定量的Al能夠細(xì)化Cu-50Si合金中的初晶硅，其細(xì)化機(jī)制為抑制生長(zhǎng)機(jī)制，不能固溶于初晶硅的Al被排出，包裹在初晶硅周圍，抑制初晶硅的生長(zhǎng)。同時(shí)加入Al和P可以在Cu-50Si合金中形成AlP，以此作為Cu-50Si合金中初晶硅的異質(zhì)形核襯底，顯著細(xì)化其中的初晶硅，由1mm以上細(xì)化到50μm以下。將抑制生長(zhǎng)機(jī)制與異質(zhì)形核機(jī)制相結(jié)合，在Cu-50Si合金中同時(shí)加入Al和P，且Al＞P＞1(原子比)時(shí)，部分Al與P結(jié)合形成AlP，促進(jìn)

4、初晶硅的異質(zhì)形核，多余的Al圍在初晶硅周圍，抑制其長(zhǎng)大。該方法可以達(dá)到更佳的細(xì)化效果，可使初晶硅細(xì)化到30gm以下。 在二元Cu-Si合金中加入P，可形成Cu(PSi)3初晶相，其含磷量高達(dá)38.7wt.％，從而可以制備出含磷量達(dá)30wt.％以上的三元Cu-P-Si中間合金。與Cu-P二元合金相比，它具有密度小和含磷量高等優(yōu)點(diǎn)。另外，添加微量元素可降低該合金的熔化溫度，其中Ni和Bi的加入可以使合金的熔化溫度降低60℃以上。在此

5、研究基礎(chǔ)上，發(fā)明了低熔點(diǎn)Cu-P-Si中間合金，該中間合金對(duì)過共晶Al-Si合金有良好的變質(zhì)效果。 (2)Ni-38Si、Mn-30Si合金中富硅相異質(zhì)形核的研究Ni-38Si合金由NiSi和NiSi2相組成，其中NiSi2呈枝晶狀。Al在Ni-38Si合金中主要以固溶態(tài)存在于NiSi2相中。在Ni-38Si合金中，AlP可以同時(shí)作為NiSi和NiSi2相的異質(zhì)形核襯底，使NiSi2相由枝晶狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小塊狀，使合金組織致密化。A

6、lP的異質(zhì)形核作用可降低合金在凝固時(shí)所需要的過冷度。 Mn-30Si合金由MnSi和MnsSi3相組成，具有典型的(MnSi+MnsSi3)共晶組織特征。Al和P均不固溶于MnSi和Mn5Si3相，同時(shí)加入Al和P，部分Al與P化合形成AlP，而部分Al則富集在AlP的周圍。分析表明Al和AlP均可以作為MnSi相的異質(zhì)核心，Al的加入使Mn-30Si合金的共晶組織傾向于離異生長(zhǎng)，而同時(shí)加入Al和AlP，Mn-30Si合金呈現(xiàn)出

7、典型的離異共晶組織，MnSi相和Mn5Si3相獨(dú)立生長(zhǎng)，其中MnSi相先析出，隨后是Mn5Si3相。 (3)Ni-38Si在Al-12Si合金中的結(jié)構(gòu)遺傳在近共晶Al-12Si合金中以不同方式添加Ni和Si對(duì)該合金的凝固組織有不同的影響：Ni和Si分別以純組元加入時(shí)，Al-12Si合金中不會(huì)有初晶硅析出：而以Ni-38Si合金的形式加入時(shí)，則Al-12Si合金中析出大量初晶硅，獲得過共晶組織。此外，加入Ni-38Si合金的Al-

8、12Si熔體，其粘度、相關(guān)半徑、團(tuán)簇平均原子數(shù)和配位數(shù)均大于Ni和Si單獨(dú)加入得到的Al-12Si熔體，更容易形成有序的結(jié)構(gòu)，促使近共晶成分下Al-12Si合金析出初晶硅，而Ni-38Si合金在Al-12Si合金中的結(jié)構(gòu)遺傳是重要原因Cu-50Si合金也有類似的作用。利用結(jié)構(gòu)遺傳對(duì)ZL109合金進(jìn)行變質(zhì)處理，添加Ni-38Si合金的參數(shù)為：處理溫度740-760℃，加入量1-2％，保溫時(shí)間60-90 min。利用結(jié)構(gòu)遺傳實(shí)現(xiàn)近共晶Al-

9、Si合金的變質(zhì)處理是可行的。 (4)近共晶Al-Si合金中初晶硅的誘導(dǎo)形核近共晶Al-Si合金中存在誘導(dǎo)形核機(jī)制，誘導(dǎo)粒子不能直接作為初晶硅的異質(zhì)核心，但是可以促使P在含量極低(＜10ppm)的情況以AlP的形式析出并發(fā)揮作用，從而誘導(dǎo)初晶硅的析出，實(shí)現(xiàn)工業(yè)近共晶Al-Si合金的變質(zhì)處理。利用edge-to-edge模型進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，AlB2、TiB2、TiAl3(TiAlxSiy)和TiC與AlP之間均存在一定的位向關(guān)系

10、。AlB2、TiB2和AlP之間的位向關(guān)系有： 在近共晶Al-12Si合金中加入Mn同時(shí)進(jìn)行P變質(zhì)處理可以得到四瓣花朵狀富鐵相，其形成過程中也存在著誘導(dǎo)機(jī)制。首先是AlP促使初晶硅析出，而析出的初晶硅利用孿生機(jī)制誘導(dǎo)富鐵相析出。 總之，本文通過對(duì)幾種含硅合金中富硅相異質(zhì)形核與生長(zhǎng)的研究，不僅對(duì)現(xiàn)有的變質(zhì)劑進(jìn)一步改進(jìn)與拓寬，而且提出了兩種不同于傳統(tǒng)變質(zhì)處理的新方法，為國(guó)際上目前盛行的合金組織微細(xì)化的研究提供了可供參考和借鑒