过共晶ＡＩ—Ｓｔ合金的常规凝固组织是由初生Ｓｔ和（。－ＡＩ＋Ｓｉ）共晶体组成，初生 Ｓｔ一般呈粗大的板片状、多角形块状或五瓣星状．随着Ｓｔ含量的提高，板片状所占的比例也越来 越高，初生Ｓｔ变得十分粗大，这显著地降低了过共晶ＡＩ－－Ｓｉ合金的力学性能和切削加工性 能．因此，改善初生Ｓｔ的形貌、减小初生Ｓｔ的尺寸，是提高过共晶ＡＩ－－Ｓｉ合金力学性能和改善其切削加工性能的重要途径．细化初生Ｓｔ的方法有变质处理［１］与快速凝固［２］．但变质处理只在较低的Ｓｔ含量范围内有效，而快速凝固的成本较高近年来，一些学者将半固态加工技术应用到过共晶 ＡＩ－－Ｓｉ合金中，如文献［３， ４］采用机械搅拌细化和改善初生 Ｓｔ的尺寸和形貌，李树索等人问尝试利用电磁搅拌技术改善和减小了过共晶ＡＩ－－Ｓｉ合金初生 Ｓｔ的形貌和尺寸，但发现初生Ｓｔ在坯料表面有偏析现象．与初生Ｓｔ的大小一样，初生Ｓｔ的 分布对过共晶ＡＩ—Ｓｔ合金的性能也有重要影响．本文系统研究了电磁搅拌下过共晶ＡＩ－－Ｓｉ合金初生Ｓｔ的偏析规律．１实验方法用 ＺＬ１０４（其质量分数（％）为： Ｓｔ ９．９， Ｍｇ ０．２８； Ｍｌｌ０．２５）和结晶硅配制 ＡＩ－１８％Ｓｔ， ＡＩ－－２１％Ｓｔ， ＡＩ－－２４％Ｓｔ，ＡＩ－－２７％Ｓｔ， ＡＩ－－３０％Ｓｔ ｆｏ ＡＩ－４０％Ｓｔ均为质量分数）实验合金．将实验合金在增涡电阻炉内熔化，当合金液过热到１００ ｔ时，将其浇入电磁搅拌器中的石墨铸型内立即搅拌至搅不动为止，再将石墨铸型淬入水中，以固定合金熔体高温时的组织，并测定距过共晶ＡＩ－－Ｓｉ合金坯料上下各２０ ｍｍ处的初生 Ｓｔ的偏析层厚度，取其平均值作为初生Ｓｔ的偏析层厚度． 在电磁搅拌实验中，探讨了不同搅拌功率、不同搅拌时间和不同冷却速度对过共晶ＡＩ－－Ｓｉ合金 初生Ｓｔ在坯料表面偏析厚度的影响规律．为了进行对比分析，浇注一个ＡＩ－－２４％Ｓｔ合金的石墨型试样．电磁搅拌实验中过共晶ＡＩ—Ｓｔ坯料的尺寸为直径６０ ｍｉｎｘ１７０ ｍｍ．从坯料中切取 １０ ｍｍ厚的圆片，再从这一圆片上切取一扇形试样作为金相组织观察试样，组织观察在 ＮｅｏＰｈｏｔｏ ２１型光学显微镜下进行．２实验结果及讨论２．１搅拌功率对初生Ｓｔ偏析的影响 在石墨型铸造条件下，过共晶 ＡＩ—２４％Ｓｔ实验合金的显微组织由初生Ｓｔ和共晶体组成，绝大部分初生Ｓｔ呈粗大的板片状 ，少量初生Ｓｔ呈多角块状且分布均匀，如图ｌａ所示．若在过共晶ＡＩ—Ｓｔ合金凝固过程中对 其施加强烈的电磁搅拌，坯料内部初生Ｓｔ明显细化，且大部初生Ｓｔ的尖角已圆钝呈球团状或块状，只有个别初生Ｓｔ呈短片状（图ｆｏ）．但在初生 Ｓｔ细化和球团化的同时，合金坯料表面出现初生 Ｓｔ的偏析层，层内 Ｓｔ含量高达 ８０％以上，偏析层的厚度可达毫米级，如图ＩＣ所示（图中左侧为偏析层表层，右侧为其内层）．在初生Ｓｔ的偏析层中，最外层的初生Ｓｔ较细小，如图ＩＣ中Ａ处，而内层的初生 Ｓｔ粗大得多，比坯料内部的初生 Ｓｔ还要大，如图 ＩＣ中Ｂ处．初生Ｓｔ偏析层与组织均匀的坯料内部收缩性不同，它们之间易出现裂纹，如图ｉｄ所示． 实验表明；电磁搅拌功率和Ｓｔ含量对初生Ｓｔ偏析层厚度有明显的影响，如图２所示．在搅拌功率一定时，Ｓｔ含量越高，初生Ｓｔ偏析层的厚度越大，在搅拌功率较低时，这一趋势更明显．如当Ｓｔ含量为 ４０％时，偏析层的厚度可达 １０ ｍｍ．在搅拌功率为零或很低时，熔体没有或几乎没有被搅动，所以没有产生初生Ｓｔ偏析层；而一 旦出现明显的搅拌，坯料便会出现较厚的初生Ｓｔ偏析层，但随着搅拌功率的增加初生出偏析层又逐渐减薄．２．２搅拌时间对初生Ｓｔ偏析的影响搅拌时间是指合金熔体在电磁力作用下处于固一液两相区的实际搅拌时间．本实验考察了搅拌时间对ＡＩ－－２４％Ｓｔ合金初生 Ｓｔ偏析的影响（图幻．从图可见，初生Ｓｔ偏析层在搅拌初期很短时间内即已形成；搅拌时间进一 步延长，初生Ｓｔ偏析层的厚度基本不变．其它成分的过共晶ＡＩ—Ｓｔ合金亦有类似规律．２．３冷却速度对初生Ｓｔ偏析的影响过共晶ＡＩ－－Ｓｉ合金熔体在凝固时的冷却速度对初生Ｓｔ偏析层的厚度也有明显影响， ＡＩ－－２４％Ｓｔ合金初生 Ｓｔ偏析层厚度与冷却速度的关系如下：当冷却速度为０．０８３，０．１７， ０．３３， ０．７４和 １．４３ ｔ／Ｓ时，富 Ｓｔ层的厚度分别为： ０， ０， ０．５， １．７和 ２．６ ｍｍ．随着冷却速度的增加，初生Ｓｔ偏析层厚度不断增加；随着冷却速度的降低，初生Ｓｔ偏析层厚度不断减小甚至消失．但当合金的Ｓｔ含量达到 ４０％以上时，即使降低合金熔体凝固时的冷却速度，坯料的初生Ｓｔ偏析层也无法完全消除．２．４初生Ｓｔ偏析层产生的机理分析 由本工作的实验结果可知，在过共晶ＡＩ－－Ｓｉ合金的凝固过程中，如果不对合金熔体进行电磁搅 拌，就不会产生初生Ｓｔ表面偏析，只是初生Ｓｔ的尺寸较粗大且形貌呈板片状．只要对凝固过程 中的过共晶ＡＩ－－Ｓｉ合金熔体进行电磁搅拌，在坯料表面就会产生厚度不同的初生Ｓｔ偏析层 搅拌功率越大，初生Ｓｔ偏析层厚度越小；当合金熔体的冷却速度较低时，初生Ｓｔ偏析层就会减 薄或消失；一旦初生Ｓｔ偏析层形成，即使延长搅拌时间，初生Ｓｔ偏析层的厚度变化不大．这些结果都说明初生Ｓｔ偏析层与电磁搅拌和传热的凝固动力学条件有关．在常规非电磁搅拌条件下，浇入石墨铸型的过共晶ＡＩ－－Ｓｉ合金熔体在铸型表面受到激冷作用， 析出细小的初生Ｓｔ；而铸型内部的熔体尚处在液态之中随着熔体内部向外逐渐传热，熔体内部也 逐次进入凝固，析出初生Ｓｔ．由于凝固过程中的自然对流很微弱，初生Ｓｔ不会出现明显的内外
偏析．当进行电磁搅拌时，熔体凝固的热力学条件不会产生大的变化，但动力学条件发生了很大的 变化．与常规非电磁搅拌凝固一样，合金熔体在铸型表面会析出一薄层细小的初生Ｓｔ，但由于激 烈的电磁搅拌使合金熔体产生了两个区域，即最外层的很薄的层流附面层和内部的大范围的紊流流 动区．在搅拌下，熔体产生了快速水平旋转（本实验为水平电磁搅拌），熔体上端产生很深的液穴 ，同时熔体先沿着四周的固一液界面向上流动，再沿着自由表面向熔体内部流动．熔体的这种流动作用产生了两个基本现象：一是均匀了熔体的温度场，使熔体各处几乎同时进入凝固［６１，析出初生Ｓｔ；二是将内部各处析出的初生Ｓｔ不断带入固一液界面处的层流附面层，也不断将初生Ｓｔ从固 一液界面处的层流附面层带回熔体内部．正是这两个基本作用引起过共晶ＡＩ－－Ｓｉ合金坯料表面产生初生Ｓｔ的偏析层．如果搅拌功率增大，熔体的运动速度增大，Ｒｅｙｎｏｌｄ数Ｒｅ变大，减小二固一液界面处的层流附面层的厚度，减弱了初生Ｓｔ在坯料表面的粘着偏析；如果 降低冷却速度，则减小了铸型表面处的温度梯度，提高了表面附面层处熔体的温度，降低了熔体的 表观粘度，提高了ｎｅｙｎｏｌｄ数ｓｃ，减小或消除了固一液界面处的层流附面层，减弱或消除 了初生Ｓｔ在坯料表面的粘着偏析；一旦形成了初生Ｓｔ的偏析层，该偏析层的导热系数较低，传 热速度迅速下降，提高了表面附面层处熔体的温度，降低了熔体的表观粘度，提高了Ｒｅｙｎｏｌ ｄ数Ｒｅ；初生Ｓｔ的粘着偏析将基本停止，而且由于初生Ｓｔ之间的结合力较大，尚未发现电磁搅拌能将粘着偏析的初生Ｓｔ再剥离下来．综合上述实验结果和分析，初生Ｓｔ偏析层形成的物理模型如下： （１）当过共晶 ＡＩ－－Ｓｉ合金液浇入铸型后，在铸型表面立即出现一激冷层，形成细小的初生Ｓｔ，如图ＩＣ中 Ａ处；同时，在电磁搅拌作用下，合金熔体内部的温度迅速降至液相线温度以下，熔体内部析出一定数量和一定尺寸的初生Ｓｔ颗粒，如图４ａ所示（２）在搅拌初期，铸型表面存在一个层流附面层，由于铸型激冷，铸型内表面处合金熔体温度梯度 很大、流动速度较低，内部初生Ｓｔ颗粒在熔体流动的作用下被带到铸型的表面，一部分被吸附并 停留在层流附面层内，与已在此处固定不动的初生Ｓｔ合并长大，如此反复便形成初生Ｓｔ的偏析层，如图４ｂ所示．（３）当初生Ｓｔ偏析层形成以后，此处的温度梯度大为降低，附面层内熔体的粘度下降，使熔体的Ｒｅｙｎｏｌｄ数达到临界值Ｒｅ。，附面层内熔体的流动由层流变为紊流，初生 Ｓｔ颗粒在表面吸附的条件不再成立，初生 Ｓｔ偏析层的厚度不再变化，如图４Ｃ所示． （４）加大电磁搅拌功率，会增强合金熔体的流动和减弱层流附面层，最终减小初生Ｓｔ偏析层的厚 度；降低合金熔体冷却速度，会降低层流附面层处熔体的温度梯度，提高了表面附面层处熔体的温 度，降低了熔体的表观粘度，提高了Ｒｅｙｎｏｌｄ数Ｒｅ，减小或消除初生Ｓｔ偏析层；初生Ｓ ｔ偏析层一旦形成，固一液界面处的温度梯度大为降低，消除了初生Ｓｔ表面吸附的条件，即使延长搅拌时间，初生Ｓｔ偏析层的厚度也不再发生大的变化．３结论（１）在本实验条件下，电磁搅拌弓；起过共晶ＡＩ－－Ｓｉ合金中初生Ｓｔ的显著细化和圆整化，但同时会引起坯料表面出现初生Ｓｔ偏析层． （２）提高电磁搅拌功率及降低合金熔体冷却速度，”都会减小或消除初生Ｓｔ偏析层． （３）在电磁搅拌条件下，坯料表面产生初生Ｓｔ偏析层的主要原因是：固一液界面处的温度梯度过 大和存在一个层流附面层采取消除或减弱这些原因的措施均可以减小或消除电磁搅拌过共晶ＡＩ— Ｓｔ合金中的初生Ｓｔ偏析层．电磁搅拌对过共晶Al-Si合金初生Si分布的影响@毛卫民$北京科技大学铸造研究所!北京100083
@李树索$北京科技大学铸造研究所!北京100083北京航空材料研究院,北京100095
@赵爱民$北京科技大学铸造研究所!北京100083
@崔成林$北京科技大学铸造研究所!北京100083
@钟雪友$北京科技大学铸造
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