铝硅合金初晶硅变质效果的检测方法

总体来说，热分析技术在研究铝硅合金变质细化效果、化学成分等方面应用比较广泛，对共晶阶段的热分析研究也比较成熟^[28]。而在过共晶或高硅铝合金的初晶阶段，由于初晶硅析出较少，平台没有明显的温升，特征值比较难识别，所以结合热分析的研究也比较少。作者等人使用自主研发的热分析仪，主要研究了Al-20Si-1.5Cu-1Ni-0.5Mn合金的初晶Si变质效果与P加入量和保温时间对高硅铝合金初晶变质效果的影响，对热分析参数和初晶Si晶粒平均尺寸之间的关系进行了分析。

实际生产过程中，并没有标准的过共晶合金变质等级图来评估高硅铝合金初晶硅的变质效果，于是我们选用了初晶Si晶粒平均大小来评估变质效果。图3-44所示为高硅铝合金未变质之前的冷却曲线和变质后的冷却曲线的示意图，ΔT_G为初晶生长温度差值：

ΔT_G=T_G1^-TG2

式中T_G1——已变质的高硅铝合金的初晶生长温度；

T_G2——未变质的相同成分高硅铝合金的初晶生长温度。

图3-43 ZL101铝合金钠盐变质后不同保温时间时合金组织

a）15min b）25min c）35min d）45min e）55min

1.冷却曲线特征与P含量及变质效果的关系^[27]

图3-45a～e所示为P加入量（质量分数，下同）分别为0、0.02%、0.05%、0.08%、0.1%的条件下，各组试验的热分析曲线，其中包括一条热分析曲线和一条微分曲线，利用软件相应算法实现对微分值的分析，得到高硅铝合金的初晶生长温度，试验中各组试验的热分析参数见表3-10。

表3-10 不同P加入量对应的合金热分析参数

图3-44 冷却曲线示意图

通过对比图3-45中的热分析曲线和分析表3-10中的数据，我们发现，随着P加入量的增加，高硅铝合金的初晶平台温度升高，初晶生长温度也不断增大，当P加入量超过0.08%时，初晶生长温度略有降低。根据相关文献[32]可知，P细化初晶Si的机理是：P在合金中与Al形成熔点在1000℃以上的AlP质点，它和Si晶型相近（为闪锌矿型点阵），晶格常数相近（Si为0.543nm，AlP为0.546nm），最小原子间距也很接近（Si为0.244nm，AlP为0.256nm），依据共格对应原则，AlP可作为Si结晶时的异质核心，可以使铝硅合金中的初晶Si细化，起到异质核心的作用，从而达到细化晶粒的变质效果。随着P加入量的增加，AlP的量也不断增多，异质核心不断增多，结晶所需的过冷度ΔT也不断降低，随着过冷度的降低，实际结晶温度不断升高，即初晶平台温度升高，初晶生长温度也随着升高。

图3-46所示为不同P加入量变质后的铝合金金相组织，从图中可以看出，未经P变质时，初晶硅粗大呈不规则状。随着P变质剂量的增加，合金组织中初晶Si由变质前粗大不规则的板片状变为块状，且棱角钝化，析出的初晶硅数量增加，晶粒变小，分布均匀；其中共晶硅形态仍是长针状，没什么变化，可见P对共晶硅没什么变质作用^[32]。ZHANG Henghua等[33]认为这是因为共晶硅在一个比较小的温度区间内进行快速结晶，大大减弱了AlP作为共晶硅结晶时的异质核心作用。(www.xing528.com)

运用晶粒大小分析软件对金相图片中的初晶Si的尺寸进行统计分析，得到不同P加入量和相应晶粒平均大小的关系，见表3-11。我们发现P加入量为0.10%时要比加入量为0.08%时的晶粒尺寸要大，这是因为P对Al-Si合金的变质存在一个最佳含磷量范围，低于此值，变质不足，高于此值，则容易产生过变质，硅相有粗化的可能^[27]。

图3-45 不同P加入量下各组试验的热分析曲线

a）未变质 b）w（P）=0.02% c）w（P）=0.05% d）w（P）=0.08% e）w（P）=0.1%

图3-46 不同的P加入量变质后的铝合金金相组织

a）w（P）=0 b）w（P）=0.02% c）w（P）=0.05% d）w（P）=0.08% e）w（P）=0.1%

表3-11 不同P加入量和Si晶粒平均大小之间的关系

通过对上述热分析参数和金相组织的分析可以发现：ΔT_G随着P加入量的增加而增大，但当P加入量超过0.08%而达到0.1%时，ΔT_G反而有些下降，Si晶粒平均大小和P加入量之间也有着类似的关系，可见ΔT_G是评判高硅铝合金初晶变质效果的一个很好的依据。当ΔT_G为35℃到45℃之间时，有较好的变质效果。

2.冷却曲线与保温时间及变质效果的关系

选取试验中的最佳P加入量0.08%，保温时间分别为15min、45min、75min、105min，浇注四个试样，分析不同保温时间下合金热分析曲线（保温15min的热分析曲线如图3-45d所示），通过对冷却曲线和微分曲线的分析，发现在15～105min这段时间内热分析参数变化不大，同时通过对合金组织中Si晶粒大小的分析，得到在不同保温时间条件下热分析参数和晶粒平均大小的关系。由表3-12可见，ΔT_G和晶粒平均大小都比较稳定，这主要是由于AlP颗粒虽然在熔体中存在一定的溶解度，但是相对来说比较稳定，不易分解和氧化烧损，而且只有在相对较高的温度条件下保温一定时间，AlP颗粒才会出现聚集的现象，AlP质点作为异质核心能保持接近6h^[32]，可见P是一种长效变质剂。

表3-12 保温时间与晶粒平均大小、ΔT_G值的关系

以上通过对不同的P变质剂加入量和保温时间下的热分析曲线和金相组织的分析表明，随着P加入量的增加（≤0.08%），初晶Si晶粒平均尺寸减小，初晶生长温度T_G及其差值ΔT_G不断增大，在变质处理后不同的保温时间下晶粒平均尺寸及ΔT_G都变化不大，即P变质不易发生衰退。初晶生长温度差值ΔT_G与晶粒平均尺寸具有很好的对应关系，ΔT_G可以作为初晶Si变质效果的评判依据。