摘要：采用纯铜质蛇形通道复合Sr变质制备了Al-27Si-4.5Cu-0.6Mg合金的半固态浆料，并进行了流变压铸，研究了在不同Sr加入量时，T6处理对流变压铸试样的性能和组织的影响。结果表明，在复合工艺制备下，充分细化了初生Si和有效变质了共晶Si，再经T6处理后可以得到圆整的颗粒状共晶Si和棱角被钝化的初生Si，并且热处理前的变质效果越好，T6处理后得到的共晶Si形貌越圆整细小；T6处理进一步提高了复合处理制备的Al-27Si-4.5Cu-0.6Mg合金半固态流变压铸试样的抗拉强度，热处理前后的最高抗拉强度都出现在Sr含量为0.02%的条件下。

过共晶Al-Si合金具有优异的耐磨损和耐腐蚀性能、较低的密度、较高的热稳定性和优异的力学性能。其主要用于制造汽车或摩托车等发动机的活塞、缸套、带轮、传动装置等零件。但当Si含量较高时，过共晶Al-Si合金组织中会出现粗大的多角块状、板条状及五星瓣状不规则的初生Si，共晶Si也生长成为长针片状，这种状态严重割裂了合金基体，受力条件下易于在初生Si边缘产生应力集中，导致微裂纹产生，恶化合金的力学性能。因此，为了提高过共晶Al-Si合金的性能，必须同时充分细化初生Si和有效变质共晶Si。

为了充分细化初生Si和有效变质共晶Si，传统的方法是往过共晶Al-Si合金中加入适量的P或S来细化初生Si，加入适量的Na、Sr、Sb等来变质共晶Si，但当同时加入P或S和Na、Sr、Sb时，会发生化学反应，既降低了初生Si的细化作用，也会削弱共晶Si的变质效果。纯铜质蛇形通道浇注制备半固态合金浆料是近些年提出的一种方法，可以制备出质量良好的半固态合金浆料。本课题设想利用纯铜质蛇形通道来充分细化初生Si，再提前往合金中加入Sr来化学变质共晶Si，以同时实现初生硅的充分细化与共晶硅的有效变质，并且纯铜质蛇形通道制备的半固态过共晶Al-Si合金浆料可实现流变压铸，可有效减轻试样的卷气。T6处理可以进一步改善过共晶Al-Si合金流变压铸试样的力学性能。因此本课题采用水冷纯铜质蛇形通道和Sr复合工艺制备半固态Al-27Si-4.5Cu-0.6Mg合金浆料，再对流变压铸试样进行T6处理，考察了流变压铸试样的抗拉强度、组织的变化，旨在为其应用提供参考。

1、试验方案

试验合金为较高纯度的Al-27Si合金，其化学成分见表1。Sr以Al-10Sr中间合金的形式加入。

表1 Al-27Si铝合金的化学成分 %

采用电阻炉加热Al-27Si-4.5Cu-0.6Mg合金，熔化温度控制在850 ℃。当合金熔化后，保温2 h，再加入Al-10Sr中间合金，随后保温30 min。Sr的加入量分别为0、0.01%、0.02%、0.03%。合金保温后，再向熔体中通入10 min的Ar进行除气，随后将熔体温度降至830 ℃附近时，进行扒渣并准备浇入蛇形通道内。在浇注之前，蛇形通道提前通入冷却水。将830 ℃的Al-27Si-4.5Cu-0.6Mg合金液浇入纯铜质蛇形通道，半固态浆料流入提前预热至200 ℃的陶瓷浇勺中，立即将其倒入压铸机的压室内并进行流变压铸。纯铜质蛇形通道制备半固态Al-27Si-4.5Cu-0.6Mg过程见图1。采用4XC倒置光学显微镜（OM），拍摄金相照片，并计算初生Si和共晶Si等效圆直径D：

式中，Ai为初生Si面积；N为统计的初生Si颗粒总数。

流变压铸采用YYC180B型卧式冷室压铸机，压射比压为90 MPa，压射压头速率为0.5 m/s,保压时间为9 s，同时制备4支标准拉伸试样和料柱，见图2。

T6处理工艺：固溶温度为490 ℃，保温6 h，水淬；时效温度为180℃，时效时间为6 h。

图1 蛇形通道制备半固态Al-27%Si-4.5Cu-0.6Mg铝合金的示意图
1．K型热电偶  2.浇口杯  3.蛇形弯道  4.导流管  5.熔化坩埚  6.陶瓷浇勺

图2 流变压铸试样

2、试验结果及分析

2.1 T6处理对流变压铸试样组织的影响

图3为纯铜质蛇形通道复合浇注制备的T6处理前后的半固态Al-27Si-4.5Cu-0.6Mg合金的流变压铸试样组织。其中，白色颗粒为初生α-Al相，灰色块状为初生Si，灰色针片状为共晶Si，黑色枝晶状为Al2Cu。未添加Sr时，合金组织中的共晶Si呈长针片状，且主要分布于基体的枝晶间。长针片状共晶Si的平均长度可达7.85μm(见图4)，这严重割裂了合金基体。此外，因为激冷作用，在组织中也存在少量变质的纤维状共晶Si。粗大的枝晶状Al2Cu与长针片状的共晶Si存在搭接现象,见图3a。当Sr加入量为0.01%时，针片状的共晶Si发生明显的细化，部分共晶Si被变质为纤维状，其中剩余的长针片状共晶Si平均长度减小到了4.64μm(见图4)，且随着Sr的加入α-Al枝晶长度变小，见图3c。当Sr加入量为0.02%时，长针片状的共晶Si得到进一步变质，共晶硅平均长度减小到了2.85μm，并且共晶Si的分布更加均匀，见图3e。当Sr加入量为0.03%时，长针片状的共晶Si基本消失，共晶Si长度仅为1.07μm左右。因此，当Sr的添加量为0.03%时，可有效变质共晶Si，使其由长针片状变质为纤维状。α-Al枝晶转变为蔷薇状，并且发现部分共晶Si与初生Si颗粒有连接的情况，在初生Si周围共晶Si以纤维状存在，然而Al2Cu依然以枝晶方式存在，见图3g。

图3 不同Sr加入量下T6处理前后半固态Al-27%Si-4.5Cu-0.6Mg合金流变压铸组织
（a）w（Sr）=0；（b）T6处理后 w（Sr）=0；（c）w（Sr）=0.01%；（d）T6处理后w（Sr）=0.01%
（e）w（Sr）=0.02%；（f）T6处理后w（Sr）=0.02%；（g）w（Sr）=0.03%；（h）T6处理后w（Sr）=0.03%

经过T6处理，Al-27Si-4.5Cu-0.6Mg合金的流变压铸试样中的共晶Si转变为颗粒状，只是共晶Si大小与是否变质有关，枝晶状的Al2Cu基本消失。从图4可以看出，T6处理后不同Sr加入量的共晶Si等效圆直径不同，经过Sr变质处理，共晶Si等效圆直径减小。当不添加Sr时，共晶Si的等效圆直径为5.2μm；当Sr加入量为0.01%时，共晶Si的等效圆直径大幅度减小到3.7μm；当Sr加入量为0.02%时，共晶Si的等效圆直径进一步减小到3.2μm；当Sr加入量为0.03%时，最终共晶Si的等效圆直径为2.9μm。

图4 T6处理前后不同Sr加入量的共晶Si尺寸

图5为未添加Sr的Al-27Si-4.5Cu-0.6Mg合金的凝固组织。可以看出，未经纯铜质蛇形通道处理，Al-27Si-4.5Cu-0.6Mg合金组织中的初生硅呈粗大的块状，严重割裂了合金基体，削弱了合金的力学性能，见图5a。经纯铜质蛇形通道处理，Al-27%Si-4.5Cu-0.6Mg合金组织中的初生硅颗粒明显被细化，见图5b。从图3可以看出，T6处理对半固态Al-27Si-4.5Cu-0.6Mg合金流变压铸试样组织中初生硅的影响较小。T6处理前，初生Si呈多角块状形式存在；T6处理后，初生Si有一定程度的钝化，但大小没有变化。

图5 未添加Sr的Al-27%Si合金的凝固组织
（a）未经纯铜质蛇形通道处理  （b）经纯铜质蛇形通道处理

经纯铜质蛇形通道处理Al-27Si-4.5Cu-0.6Mg合金，其初生Si受到通道内壁的激冷作用而发生充分的细化，这种物理细化作用对Sr化学变质共晶Si不会产生什么影响，所以通过纯铜质蛇形通道复合Sr处理可以充分细化初生Si的同时又可以有效变质共晶Si。Sr是典型的“吸附”类变质元素，Sr原子吸附在共晶Si的生长表面上，毒化了Si的生长位置，诱发了更多的孪晶生长，这为共晶Si提供了更多的生长方向[7]，使共晶Si的生长特性从各向异性转变为各向同性，于是共晶Si的生长状态发生改变，最终由长针片状转变为纤维状，产生了有效变质。随着Sr的加入，α-Al枝晶最终转变为蔷薇状，由于α-Al枝晶的消失增加了初生Si与最后凝固液相的接触机会，又因初生Si与共晶Si本质上具有相同的晶体结构，进而使得更多的共晶Si可以依附于初生Si形核长大。这表明Sr对共晶Si的变质是对共晶 Si和α-Al相共同作用的结果。

2.2 T6处理对流变压铸试样抗拉强度的影响

T6处理对Al-27Si-4.5Cu-0.6Mg合金流变压铸试样组织有较大的影响。Cu、Mg等溶质原子在固溶时，扩散进入α-Al基体，形成过饱和固溶体，并在时效过程中弥散析出强化相，这有利于合金力学性能的提高。T6处理时，共晶Si发生颈缩和颗粒化，变为较圆整的颗粒状共晶Si，增强了其与基体的结合力，减轻了受力时应力集中和裂纹萌生的可能，有利于其抗拉强度的稳定或提高。T6处理时，初生Si的棱角被钝化，也改善了其与基体的结合情况，有利于其抗拉强度的稳定或提高。

图6为纯铜质蛇形通道复合Sr处理制备的半固态Al-27Si-4.5Cu-0.6Mg合金的流变压铸试样的抗拉强度。可以看出，T6处理后，不同Sr加入量下的合金，其抗拉强度都得到了进一步的提高，其中当Sr加入量为0.02%时，合金的抗拉强度达到254.7 MPa。当未添加Sr时，T6处理前的抗拉强度为161.5 MPa，T6处理后的抗拉强度为205.3 MPa。当Sr含量为0.01%时，T6处理前的抗拉强度为175.1 MPa ，T6处理后的抗拉强度为227.8 MPa。当Sr含量增加到0.03%时，T6处理前的抗拉强度为200.2 MPa，T6处理后的抗拉强度为225.3 MPa。图7为T6处理前后Sr含量为0和0.03%时，半固态Al-27Si-4.5Cu-0.6Mg合金的流变压铸试样的拉伸断口形貌。拉伸试样中的断口由脆断面及韧窝组成。平整的初生Si呈脆断面，其脆断面周围出现韧窝形的α-Al相断面，这表明合金的断裂是韧性和脆性共存的混合断裂方式。在加入Sr变质剂并经过T6处理，都使断口中的韧窝增多，但未改善初生硅的脆断平面。

图6 T6处理前后不同Sr加入量的抗拉强度

图7 流变压铸试样的拉伸断口形貌
（a）w（Sr）=0.00%；（b）T6处理后 w（Sr）=0.00%；
（c）w（Sr）=0.03%；（d）T6处理后w（Sr）=0.03%

随着Sr的加入，半固态Al-27Si-4.5Cu-0.6Mg合金中的针片状共晶Si变质为纤维状，再经T6处理后，共晶硅进一步圆整，初生Si棱角也被钝化，Al2Cu也弥散分布于基体中，这些都改善了共晶Si和初生Si与基体的结合力，使得流变压铸Al-27Si-4.5Cu-0.6Mg合金试样的抗拉强度得到进一步提高。

3、结论

（1）采用水冷纯铜质蛇形通道浇注工艺和长效变质剂Sr复合细化工艺制备半固态Al-27Si-4.5Cu-0.6Mg合金流变压铸试样，能够充分细化初生Si的同时有效变质共晶Si。

（2）经T6处理后，半固态Al-27Si-4.5Cu-0.6Mg合金的流变压铸试样，可以得到颗粒状的共晶Si和棱角钝化的初生Si，而且T6处理前的变质效果越好，T6处理后得到的共晶Si形貌越圆整细小，当Sr的加入量为0.03%时，等效圆直径最小为2.9μm。

（3）T6处理可以进一步提高Al-27Si-4.5Cu-0.6Mg合金半固态流变压铸试样的抗拉强度，如当Sr含量为0.02%时，T6处理前后合金的抗拉强度都达到最高，分别是228.8 MPa和254.7 MPa。

作者：

颜丙栋 毛卫民 闫鹏宇
北京科技大学材料科学与工程学院

本文来自:《特种铸造及有色合金》杂志2022年第42卷第3期