幾種含硅合金中富硅相形核與生長機制的研究.pdf

1、Al-Si合金廣泛應用于發(fā)動機活塞等動力傳遞件，為提高其使用性能，必須對其進行變質處理。目前使用最廣泛的是磷變質處理，AlP作為初晶硅的異質核心。在Al-Si合金的生產中，國內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處理問題是一項有重要意義的工作。 本文利用光學顯微鏡(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)等測試手段對Cu-50Si、Ni-38Si、Mn-30Si和近共晶Al-12Si合金中富硅相的形核和生長機制進行研究，通過探討富硅相的異質形核，制備出一種新型低熔點Cu-P-Si中間合金變質劑，提出了兩種不同于傳統(tǒng)磷變質處理的新方法。 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，必須對其進行細化處理。

3、加入一定量的Al能夠細化Cu-50Si合金中的初晶硅，其細化機制為抑制生長機制，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。同時加入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形核襯底，顯著細化其中的初晶硅，由1mm以上細化到50μm以下。將抑制生長機制與異質形核機制相結合，在Cu-50Si合金中同時加入Al和P，且Al＞P＞1(原子比)時，部分Al與P結合形成AlP，促進

4、初晶硅的異質形核，多余的Al圍在初晶硅周圍，抑制其長大。該方法可以達到更佳的細化效果，可使初晶硅細化到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38.7wt.％，從而可以制備出含磷量達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。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、研究基礎上，發(fā)明了低熔點Cu-P-Si中間合金，該中間合金對過共晶Al-Si合金有良好的變質效果。 (2)Ni-38Si、Mn-30Si合金中富硅相異質形核的研究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可以同時作為NiSi和NiSi2相的異質形核襯底，使NiSi2相由枝晶狀轉變?yōu)榧毿K狀，使合金組織致密化。A

6、lP的異質形核作用可降低合金在凝固時所需要的過冷度。 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相的異質核心，Al的加入使Mn-30Si合金的共晶組織傾向于離異生長，而同時加入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相獨立生長，其中MnSi相先析出，隨后是Mn5Si3相。 (3)Ni-38Si在Al-12Si合金中的結構遺傳在近共晶Al-12Si合金中以不同方式添加Ni和Si對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，Al-12Si合金中不會有初晶硅析出：而以Ni-38Si合金的形式加入時，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、相關半徑、團簇平均原子數(shù)和配位數(shù)均大于Ni和Si單獨加入得到的Al-12Si熔體，更容易形成有序的結構，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合金中的結構遺傳是重要原因Cu-50Si合金也有類似的作用。利用結構遺傳對ZL109合金進行變質處理，添加Ni-38Si合金的參數(shù)為：處理溫度740-760℃，加入量1-2％，保溫時間60-90 min。利用結構遺傳實現(xiàn)近共晶Al-

9、Si合金的變質處理是可行的。 (4)近共晶Al-Si合金中初晶硅的誘導形核近共晶Al-Si合金中存在誘導形核機制，誘導粒子不能直接作為初晶硅的異質核心，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，從而誘導初晶硅的析出，實現(xiàn)工業(yè)近共晶Al-Si合金的變質處理。利用edge-to-edge模型進行計算，結果表明，AlB2、TiB2、TiAl3(TiAlxSiy)和TiC與AlP之間均存在一定的位向關系

10、。AlB2、TiB2和AlP之間的位向關系有： 在近共晶Al-12Si合金中加入Mn同時進行P變質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機制。首先是AlP促使初晶硅析出，而析出的初晶硅利用孿生機制誘導富鐵相析出。 總之，本文通過對幾種含硅合金中富硅相異質形核與生長的研究，不僅對現(xiàn)有的變質劑進一步改進與拓寬，而且提出了兩種不同于傳統(tǒng)變質處理的新方法，為國際上目前盛行的合金組織微細化的研究提供了可供參考和借鑒