Ａｌ-Ｓｉ合金中当Ｓｉ>6 %～ 8%时 ,组织中出现针状共晶Ｓｉ,使合金的机械性能和加工性能变坏 ,因此必须进行变质处理。在生产中变质效果通常采用炉前试样断口观察或金相组织分析来判断。炉前断口观察虽能实现炉前熔体的实时控制 ,但变质效果完全凭人的经验 ,可靠性显得不足 ;金相组织分析可实现变质效果的准确预报 ,但分析周期长 ,很难进行炉前的实时控制。从 70年代开始 ,国内外学者采用微机控制的现代热分析系统对Ａｌ -Ｓｉ合金变质程序的判断进行一系列的研究<1～ 8> ,不少成果已用于炉前预报与控制。Ａｌ-Ｓｉ合金变质程度准确预报关键在于找出冷却曲线特征参数与凝固组织的关系 ,确定变质效果的有效参数。笔者针对Ｓｒ变质的Ａｌ- 11.7%Ｓｉ共晶合金 ,利用计算机数据采集系统所获得的冷却曲线Ｔ(ｔ) ,计算出结晶过程固相生长速率曲线Ｖ(ｔ) ,实验结果表明 ,固相生长速率最大值Ｖｍａｘ是表征合金变质效果的有效参数 ,通过计算机控制该参数可实现Ａｌ -Ｓｉ合金变质效果的准确预报。1 实验方法1 1 热分析采用牌号为Ａ199 7的工业纯铝和Ｓｉ- 1Ａ的工业纯硅 ,在石墨坩埚中熔炼每炉重 80ｇ的Ａｌ- 11 7%Ｓｉ合金 ,在 74 0℃分别加入Ａｌ - 4 %Ｓｒ中间合金进行变质处理 ,Ｓｒ的加入量Ｗ的重量百分比 (% )分别为 :0 .0 0 2 5,0 .0 0 5,0 .0 1,0 .0 15,0 .0 2 ,0 .0 3,0 .0 5,0 .0 7,0 .1,0 .15 在电阻炉内保温 2 0ｍｉｎ后 ,于 76 0～ 780℃将石墨坩埚从炉中取出 ,把Φ0 .2ｍｍ的ＮｉＣｒ-ＮｉＳｉ热电偶插入并固定于熔体中央 ,通过计算机数据采集分批进行热分析实验 ,获得不同Ｓｒ含量的冷却曲线Ｔ(ｔ) .1 2 固相生长速率计算根据金属结晶过程热平衡方程式<9> :ｄＱｄｔ =ｄＱＣｄｔ +ｄＱＬｄｔ其中 :ｄＱｄｔ—通过界面传出热量的速度 ;ｄＱＣｄｔ —因温度变化放出热量的速度 ;ｄＱＬｄｔ —结晶潜热释放的速度。可导出下式 :Ｖ(ｔ)Ｖ0=ＣＬ ａ·∫ｔｔＬ<Ｔ(ξ) -ＴＣ>ｄξ +Ｔ(ｔ) -ＴＬ(1)式中 :Ｖ(ｔ)—固相生长速率 ,即单位时间固相体积增加量。Ｖ(ｔ) =0 0 ≤ｔ≤ｔＬ(ｔＬ 为结晶开始时间 )Ｖ0 ｔ≥ｔＳ(ｔＳ 为结晶结束时间 )式中 :Ｖ0 —固相金属的体积 ;Ｃ—比热 ;Ｌ—结晶潜热 ;ａ—导温系数 ;ＴＣ—环境温度 ;Ｔ(ｔ)—冷却曲线 ,即合金在冷却结晶过程中温度Ｔ随时间ｔ的变化 ;ＴＬ—合金的液相线温度。由于Ｃ/Ｌ在结晶区间内随温度而变化 ,当ｔ =ｔｓ时 ,Ｖ(ｔｓ) =Ｖ0 ,由 (1)式可求得结晶区间内任一时刻的Ｃ/Ｌ值 :(Ｃ/Ｌ) -1=ａ·∫ｔｓｔＬ<Ｔ(ξ) -ＴＣ>ｄξ+ＴＳ -ＴＬ (2 )其中 ,ＴＳ—合金的固相线温度又因在 0 ≤ｔ≤ｔＬ 时 ,冷却曲线Ｔ(ｔ)遵循指数函数规律 ,可由下式描述 :ΔＴ(ｔ) =ΔＴ0 ·ｅｘｐ(-ａｔ) (3)其中ΔＴ(ｔ) =Ｔ(ｔ) -Ｔ0 (Ｔ0 —固相析出时的温度 ,对共晶成分合金即为共晶温度 ) ;ΔＴ0 =Ｔ(0 ) -ＴＣ 为初始时刻ｔ=0时金属与环境的温差。对于冷却曲线Ｔ(ｔ)上的每一个点 ,可写成 :∑ｎｉ=1ｌｎ<ΔＴ(ｔｉ) /ΔＴ0 >=-ａ∑ｎｉ=1ｔｉ (4 ) 由 (4 )式可确定冷却结晶过程中任一时间步长(Δｔ=0 .2 5ｓ)时的ａ值。这样可利用 (1)式通过测得的冷却曲线Ｔ(ｔ)计算出合金结晶过程中固相生长速率曲线Ｖ(ｔ) .1 3 预报变质效果的参数根据每组实验所获得的Ｖ(ｔ)曲线 ,计算出最大峰值Ｖｍａｘ,以此作为预报变质效果的参数。同时对每组实验的试样进行金相分析 (在本实验变质剂用量范围内 ,变质效果分为未变质 ,变质不足和变质正常三类 ) ,找出变质正常的Ｖｍａｘ 值范围 ,通过计算机编程来预报变质效果 ,并可及时调整变质剂用量 ,控制变质过程。2 实验结果2 1 Ｓｒ加入量对Ｔ(ｔ)曲线和Ｖ(ｔ)曲线的影响Ａｌ - 11 7%Ｓｉ合金从状态图上为共晶成分合金<10 > 。当Ｓｒ<0 .0 15%时 ,对Ａｌ-Ｓｉ合金状态图上共晶点的位置不会产生明显的影响 ,从测定的冷却曲线Ｔ(ｔ)和计算得到的固相生长速率曲线Ｖ(ｔ)上可以看出 (见图 1,图中温度Ｔ为Ｖｍａｘ时的温度 ) ,在Ｔ(ｔ)曲线上仅出现一个过冷 ,即共晶相析出的过冷 ,与此相对应在Ｖ(ｔ)曲线也只出现一个共晶固相生长速率最大值Ｖ(α + β)ｍａｘ ,同时在这种合金组织中观察到完全的共晶组织。当Ｓｒ≥ 0 .0 15%时 ,由于Ｓｒ对Ａｌ -Ｓｉ合金状态图的影响 ,使共晶点的位置明显向左下方移动 ,导致Ｔ(ｔ)和Ｖ(ｔ)曲线发生了明显的变化 (见图 2 ,图 3,图中温度Ｔ为Ｖｍａｘ时的温度 ) ,在Ｔ(ｔ)曲线上出现了两个过冷 :初生α相析出时的过冷和共晶相析出时的过冷 ;在Ｖ(ｔ)曲线上出现了两个峰值 :第一个峰值为Ｖαｍａｘ,第二个峰值为Ｖ(α+ β)ｍａｘ ,此时在合金组织中观察到不完全的共晶组织。图 1 Ｓｒ=0 .0 0 5 %时的Ｔ(ｔ)和Ｖ(ｔ)曲线图 2 Ｓｒ=0 .0 15 %时的Ｔ(ｔ)和Ｖ(ｔ)曲线图 3 Ｓｒ =0 .10 %时的Ｔ(ｔ)和Ｖ(ｔ)曲线表 1列出了Ｓｒ对合金结晶过程参数和组织影响的实验结果 ,显然α相及共晶相生长速率最大值与Ｓｒ的加入量存在如下规律 :当Ｓｒ <0 .0 15%时 ,没有初生α相析出 ,此时Ｖαｍａｘ=0 ,随着Ｓｒ加入量的增加 ,Ｖαｍａｘ和Ｖ(α + β)ｍａｘ 的值不断减小 ,当Ｓｒ≥ 0 .10 %时 ,其值又趋于增加。2 2 变质效果参数值范围的选定由表 1的实验结果看出 ,当Ｓｒ <0 .0 15%时 ,合金未能获得变质 ;当Ｓｒ =0 .0 15%时 ,合金处于变质不足和变质正常之间 ;当Ｓｒ≥ 0 .0 2 %时 ,合金变质正常。考虑到变质剂的用量 ,选择 0 .0 2 %≤Ｓｒ≤ 0 .1% ,此时合金变质正常的参数值范围为 3.10 6× 10 -3 ·ｓ-1≤Ｖαｍａｘ≤5.792× 10 -3 ·ｓ-1和 2 .875× 10 -3 ·ｓ-1≤Ｖ(α+ β)ｍａｘ ≤ 5.345× 10 -3 ·ｓ-1,只要计算机检测出这两个参数值同时满足上述条件 ,即可获得变质正常的组织。2 3 变质效果预报根据上述实验结果 ,编制出简单的计算机程序 ,就能对Ｓｒ变质的Ａｌ- 11.7%Ｓｉ共晶合金在炉前预报变质效果 ,对变质不足的熔体 ,可及时采取措施进行再变质 ,以保证出炉前的熔体质量 ,同时为其它Ａｌ -Ｓｉ合金变质效果分析提供了一种方法。表 1 Ｓｒ对Ａｌ- 11.7%Ｓｉ合金结晶过程参数和组织的影响Ｗ/ %Ｖｍａｘ/ 10 - 3·ｓ- 1 Ｔ/Ｋ峰值组织特征0 .0 0 2 5 7.0 7685 0 .3 5Ｖ(α + β)ｍａｘ 未变质0 .0 0 5 6.2 9985 1.5 5Ｖ(α + β)ｍａｘ 未变质0 .0 10 5 .440 85 2 .65Ｖ(α + β)ｍａｘ 未变质0 .0 156.2 77 85 1.3 5Ｖαｍａｘ 变质不足5 .792 849.95Ｖ(α + β)ｍａｘ 变质正常0 .0 25 .792 85 3 .0 5Ｖαｍａｘ5 .3 4 6848.95Ｖ(α + β)ｍａｘ变质正常0 .0 35 .5 8885 1.5 5Ｖαｍａｘ5 .198847.0 5Ｖ(α + β)ｍａｘ变质正常0 .0 53 .79185 6.15Ｖαｍａｘ3 .2 5 5 849.2 5Ｖ(α + β)ｍａｘ变质正常0 .0 73 .5 4885 8.0 5Ｖαｍａｘ3 .2 0 9847.95Ｖ(α + β)ｍａｘ变质正常0 .13 .10 685 5 .5 5Ｖαｍａｘ2 .875 847.2 5Ｖ(α + β)ｍａｘ变质正常0 .153 .5 2 0 85 7.3 5Ｖαｍａｘ3 .5 5 6846.45Ｖ(α + β)ｍａｘ变质正常3 结论1)初生α相和共晶相生长速率最大值是表征Ａｌ- 11.7%Ｓｉ合金变质效果的重要结晶参数 ,通过实验确定该参数值的范围 ,可预报不同变质剂用量条件下的变质组织。2 )在本实验条件范围内 ,随着Ｓｒ加入量的增加 ,合金组织变质正常的初生α相和共晶相生长速率最大值逐渐降低。3)利用本实验的计算机数采和处理系统 ,可实现炉前Ａｌ-Ｓｉ共晶成分合金变质效果的预报 ,也为其它Ａｌ-Ｓｉ合金的变质提供了一种炉前分析的方法。Al-11.7%Si合金锶变质效果的预报@李华基$重庆大学机械工程学院!重庆400044
@李革胜$重庆大学机械工程学院!重庆400044
@刘昌明$重庆大学机械工程学院!重庆400044预报/铝硅合金;;固相生长速率;;锶变质针对Sr变质Al- 11.7%Si共晶合金 ,通过实测获得冷却曲线 ,计算出结晶过程固相生长速率曲线。结果表明 ,固相生长速率最大值是表征Al -Si合金变质效果的有效参数 ,通过计算机检测该参数可实现变质效果的准确预报<1> APELIAND ,SIGWORTHGK ,WHALERK .AssessmentofGrainRefinementandModificationofAl -SiFoundryAlloysbyThermalAnalysis
.AFSTrans ,1984,92 :2 97～ 3 0 7.
<2 > BA
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