[摘要] 研究了定向凝固時(shí)冷卻條件和鎂元素對(duì)al-si11.0合金樹(shù)枝晶結(jié)構(gòu)和共晶組織的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著冷卻速度的增加，al-si11.0合金的一次枝晶和二次分枝間距都顯著減??；在較小的冷卻速度時(shí)，加入鎂元素后合金的二次分枝間距明顯增大，而在冷卻速度大于160k/min時(shí)，則沒(méi)有影響。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，加入鎂元素后，冷卻速度對(duì)共晶成分的影響顯著減小。提高冷卻速度使得合金的共晶組織變細(xì)。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，al-si11.0合金中加入0.15%鎂時(shí)，共晶組織變得較粗；而當(dāng)鎂的加入量增加到0.3%時(shí)，其共晶組織比al-si11.0合金細(xì)得多，分析了出現(xiàn)這一結(jié)果的原因。
關(guān)鍵詞 鋁合金 定向凝固 顯微組織
effect of the cooling conditions and mg content on
the microstructures of al-si11.0 alloy
xu cailu (dept.of mechanical engineering,tsinghua university,beijing)
h.m.tens r.roesch (dept.of mechanical engineering,technical university munich,germany)
［abstract］ effect of cooling conditions and mg on the dendritic,eutectic structures of al-si11.0 alloy by unidirectional solidification was investigated.the results show that with increase of the cooling rate the first dendritic spacings and second dendritic arm spacings are evidently decreased;mg addition raises the dendritic arm spacing considerably at the low cooling rate (＜160k/min),while it has no significant influence on dendritic arm spacings at high cooling rate.enhancement of the cooling rate fines the eutectic structure of al-si11.0 alloy.in all experimented cooling conditions the alloy with the addition of 0.15% mg possesses the coarsest eutectic structure,while the alloy with the 0.3% mg addition the finest structure in eutectics.
keywords aluninium unidirectional solidification microstructure
1 前言
當(dāng)一種鑄造合金的成分確定后，其鑄造組織主要決定于凝固條件。定向凝固工藝由于能夠獨(dú)立地控制凝固界面前沿的溫度梯度g和凝固界面的移動(dòng)速度v，使得人們能非常準(zhǔn)確地控制凝固條件。通過(guò)定量金相分析儀，則可以確定凝固組織的特征，從而描述凝固組織和凝固條件的關(guān)系。
al-si合金中的凝固組織可分為樹(shù)枝晶和共晶組織。對(duì)于定向凝固得到的αal固溶體的樹(shù)枝晶結(jié)構(gòu)可由一次樹(shù)枝晶間距e和二次分枝間距ds來(lái)表示粗細(xì)程度。根據(jù)hunt［1］和kurz［2］的試驗(yàn)，一次樹(shù)枝晶間距與凝固速度v和凝固界面前沿的溫度梯度g有下列關(guān)系：
e=k。g-1/2。v-1/4 (1)
其中，k是由試驗(yàn)結(jié)果決定的常數(shù)。
在二次分枝間距ds與冷卻速度的關(guān)系方面已經(jīng)做了許多工作，而且已取得了令人滿意的結(jié)果。根據(jù)kattmis［3］的報(bào)告，兩者的關(guān)系可用下式表示：
ds=b0。(m×vf)-1/3 (2)
其中，b0是與樹(shù)枝晶形狀有關(guān)的常數(shù)，m是決定于材料的常數(shù)。其他的試驗(yàn)結(jié)果顯示，根據(jù)合金成分的不同其指數(shù)介于-1/2和-1/3之間。
冷卻條件對(duì)樹(shù)枝晶間的剩余液態(tài)-共晶成分或過(guò)共晶成分的耦合生長(zhǎng)組織也同樣有很大的影響，它們的這種關(guān)系也可以用定量金相分析得到［4，5］。
在本工作中，利用慕尼黑工業(yè)大學(xué)的定向凝固裝置和定量金相分析設(shè)備，研究了冷卻條件和微量元素鎂對(duì)al-si11.0合金樹(shù)枝晶、共晶組織的影響。
2 試驗(yàn)條件
圓柱狀試棒在慕尼黑工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程材料研究所的定向凝固裝置上［6］凝固得到。凝固參數(shù)即凝固速度v和凝固界面前沿的溫度梯度g由兩根熱電偶(直徑0.2mm)組成的探針測(cè)量并直接輸入計(jì)算機(jī)處理。
試驗(yàn)的原材料由瑞士的alusuisse-lonza公司提供。試樣的成分如表1所示。凝固界面前沿的溫度梯度g盡可能地控制在20(±2)k/mm的范圍內(nèi)，而凝固速度v則在2～30mm/min內(nèi)變化。
表1 所用al-si11.0合金的成分(wt%)
table 1 composition of al-si11.0 alloy(wt%)
合金 si mg fe mn cu zn
al-si11.0 11.0 - ＜0.002 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001
al-si11.0mg0.15 11.0 0.15 ＜0.002 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001
al-si11.0mg0.30 11.0 0.29 ＜0.002 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001
金相試樣從試棒的穩(wěn)定凝固參數(shù)區(qū)域中切取。一次枝晶間距e和二次分枝間距ds分別在試樣的橫截面和縱截面上測(cè)量得到［7］。下列共晶區(qū)域的參數(shù)由一個(gè)半自動(dòng)的定量金相分析儀上得到：共晶區(qū)域的面積(體積)分?jǐn)?shù)；共晶體中si-相的面積(體積)分?jǐn)?shù)；共晶區(qū)中si-粒子的幾何尺寸(平均截面積大小，形狀系數(shù)［10］等)；共晶si的細(xì)化度(單位面積上共晶si的數(shù)目)；共晶si平均自由間距。
3 試驗(yàn)結(jié)果與討論
3.1 凝固參數(shù)對(duì)樹(shù)枝晶結(jié)構(gòu)的影響
定向凝固中的溫度梯度g和凝固速度v對(duì)一次枝晶間距的影響如圖1a所示；圖1b則表示了凝固參數(shù)對(duì)二次分枝間距ds的影響。
從圖1可見(jiàn)，一次枝晶間距e和二次分枝間距ds均隨冷卻速度g×v的增加而減小。這里也可以看出鎂元素的作用：在較低的冷卻速度時(shí)(約40k/min)，al-si11.0mg0.3和al-si11.0mg0.15合金的二次分枝間距明顯大于沒(méi)有含鎂的al-si11.0的ds，在較高冷卻速度時(shí)，則三種合金有類似的ds值(見(jiàn)表2)。
圖1 冷卻速度對(duì)樹(shù)枝晶一次、二次枝晶間距的影響
fig.1 influence of cooling rate on dendritic spacing
and dendritic arm spacings
表2 不同凝固條件下的二次分枝間距ds(μm)\
table 2 dendritic arm spacibng at
various solidifing conditions
合金 二次分枝間距，μm
vef=2mm/min vef=8mm/min vef=30mm/min
al-si11.0 28.47 20.38 12.30
al-si11.0mg0.15 35.22 22.34 13.71
al-si11.0mg0.30 41.29 21.50 12.27
鎂元素對(duì)二次分枝間距ds的影響主要是由于加入鎂后增加了合金的凝固區(qū)間(在定向凝固中即是樹(shù)枝晶凝固界面與共晶凝固界面的距離)。根據(jù)文獻(xiàn)［8］，特別在較低的冷卻速度時(shí)，鎂對(duì)鋁硅合金的凝固區(qū)間有明顯的影響(表3)，從而影響到相同冷卻速度時(shí)的凝固(粗化)時(shí)間，造成二次分枝間距ds的增加。
文獻(xiàn)［9，10］指出，加入鎂后將降低si在al液中的擴(kuò)展，進(jìn)而引起二次分枝的減小(枝晶尖部溶質(zhì)富集區(qū)δ的減?。?1］)，這種影響與上面的影響剛好相反。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，在較低冷卻速度時(shí)，鎂的加入使得二次分枝間距增加了，說(shuō)明對(duì)凝固區(qū)間的影響是主要的。而在高的冷卻速度時(shí)，鎂對(duì)ds影響就顯得微不足道了。 表3 凝固速度對(duì)樹(shù)枝晶和共晶凝固界面間距的影響
table 3 influence of solidification rate on distance between
dendritic and eutectic solidification front
合金 樹(shù)枝晶和共晶凝固界面的間距,mm
vef=2mm/min vef=8mm/min
al-si11.0 0.39 0.74
al-si11.0mg0.30 0.67 0.96
加入鎂后對(duì)一次枝晶間距e的影響雖然較小，但效果與對(duì)二次分枝的影響類似。
3.2 凝固條件和鎂對(duì)al-si合金共晶成分的影響
隨著冷卻速度的增加，al-si合金中共晶相的體積分?jǐn)?shù)顯著減少(圖2a)，同時(shí)共晶相中的si含量相應(yīng)增加(圖2b)。
圖2 共晶體體積分?jǐn)?shù)和si在共晶體中的
體積分?jǐn)?shù)與冷卻速度、含鎂量的關(guān)系
fig.2 relationship between si volume fraction in
eutectic and cooling rate,maguesium content
在這里，加入鎂的影響也清楚可見(jiàn)。加入鎂0.3%合金的共晶體的體積分?jǐn)?shù)在實(shí)驗(yàn)冷卻條件下比al-si11.0合金低10.0%左右，而兩種合金共晶成分之差則隨冷卻速度的提高而增加(圖2b)。在al-si(si含量為5％～17%)二元合金中，steen等［12］以及tensi和pek［13］的試驗(yàn)結(jié)果表明，冷卻速度對(duì)al-si共晶成分的影響極大，在高的冷卻速度下，al-17.0si合金也可以得到不含初晶si全部共晶體組織。由圖2b可見(jiàn)al-si11.0與al-si11.0mg0.3合金共晶成分的差別隨冷卻速度提高而增加，加入少量的鎂元素減小了共晶成分隨冷卻速度增加而升高的趨勢(shì)。
3.3 凝固條件和鎂元素對(duì)al-si共晶組織的影響
凝固條件和鎂含量不但影響al-si11.0合金樹(shù)枝晶中間的共晶體量和共晶成分，而且對(duì)共晶組織(si在共晶體中的形態(tài))也有明顯的影響。三種合金的共晶組織隨冷卻速度的提高而變細(xì)了。作為定量分析的共晶si組織，由在每個(gè)試棒上切取的橫截面將測(cè)定大約2000個(gè)共晶si粒子而得到“共晶si粒子平均面積a”和“共晶si細(xì)化度ε”來(lái)衡量。
共晶si粒子的大小與分布和共晶si細(xì)化度ε與冷卻速度的關(guān)系如圖3，4所示。圖3中清楚地顯示，冷卻速度較低時(shí)，共晶si的面積與它們之間的平均自由間距隨著冷卻速度的增加而迅速減少，在冷卻速度大于200k/min時(shí)，冷卻條件對(duì)共晶si粒子則沒(méi)有實(shí)質(zhì)的影響。與之相適應(yīng)，表示單位面積共晶si粒子數(shù)的共晶si細(xì)化度ε隨冷卻速度的提高而增大(見(jiàn)圖4)。
圖3 冷卻速度和鎂含量對(duì)共晶si粒子大小、分布的影響
fig.3 influence of cooling rate and mg content on size
and distribution of eutectic si particle
圖3中鎂的加入對(duì)共晶si的影響是顯而易見(jiàn)的。在所有實(shí)驗(yàn)條件下，在al-si11.0，al-si11.0mg0.15和al-si11.0mg0.3三種合金中以加入0.3%mg合金的共晶si組織zui細(xì)，而加入0.15%mg合金的組織zui粗，沒(méi)有加入鎂的al-si11.0的尺寸介于前兩者中間。
圖4 共晶si粒子細(xì)化度與冷卻速度和鎂含量的關(guān)系
fig.4 relationship between eutectic si pareide fineness
and cooling rate,maguesium contect
鎂對(duì)合金共晶si相的影響可以在下列分析中得到解釋。當(dāng)al-si11.0合金中加入0.15%mg時(shí)，如前所述，增加了合金樹(shù)枝晶凝固界面與共晶凝固界面的距離，即增加了共晶凝固過(guò)程中si的粗化時(shí)間，因此得到了較粗共晶si粒子的al-si共晶組織。當(dāng)鎂的加入量增加至0.3%時(shí)，由于有了較多的鎂原子，這時(shí)候鎂降低si在al液中的擴(kuò)散起主導(dǎo)作用，從而獲得較細(xì)小的共晶si粒子。
圖5給出了冷卻速度和鎂對(duì)共晶si形狀因子的影響。從圖中可以看出，在試驗(yàn)的所有冷卻條件下，與共晶si平均尺寸及共晶si細(xì)化度ε的結(jié)果相對(duì)應(yīng)，al-si11.0mg0.3合金的形狀因子都是zui大的。
圖5 冷卻條件和鎂對(duì)共晶si粒子形狀因子的影響
fig.5 influence of cooling condition and magnesium
on form factor of eutectic si particles
隨冷卻速度的升高，共晶si的形狀因子趨向于1.0，即si截面的形狀接近于圓。共晶si金相組織中也能看出這種趨勢(shì)。
4 結(jié)論
(1)凝固條件不僅影響al-si11.0合金的樹(shù)枝晶結(jié)構(gòu)，而且對(duì)樹(shù)枝晶間的共晶組織也有明顯的影響。加入鎂元素后，合金的二次分枝間距在低冷卻速度(40k/min)時(shí)增大了，而在高的冷卻速度時(shí)，鎂對(duì)al-si11.0合金的二次分枝間距ds則無(wú)明顯影響。
(2)鎂的加入對(duì)al-si合金共晶成分有明顯影響。加入鎂后，冷卻速度對(duì)共晶成分的影響顯著減小。
(3)隨著冷卻速度的增加，合金的共晶組織變細(xì)。當(dāng)加入鎂量為0.15%時(shí)，合金的共晶組織較al-si11.0粗，當(dāng)加入鎂量為0.3%時(shí)，則合金的共晶組織比al-si11.0細(xì)得多。