关键词 铝合金 定向凝固 显微组织
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
当一种铸造合金的成分确定后，其铸造组织主要决定于凝固条件。定向凝固工艺由于能够独立地控制凝固界面前沿的温度梯度g和凝固界面的移动速度v，使得人们能非常准确地控制凝固条件。通过定量金相分析仪，则可以确定凝固组织的特征，从而描述凝固组织和凝固条件的关系。
al-si合金中的凝固组织可分为树枝晶和共晶组织。对于定向凝固得到的αal固溶体的树枝晶结构可由一次树枝晶间距e和二次分枝间距ds来表示粗细程度。根据hunt［1］和kurz［2］的试验，一次树枝晶间距与凝固速度v和凝固界面前沿的温度梯度g有下列关系：
e=k。g-1/2。v-1/4 (1)
其中，k是由试验结果决定的常数。
在二次分枝间距ds与冷却速度的关系方面已经做了许多工作，而且已取得了令人满意的结果。根据kattmis［3］的报告，两者的关系可用下式表示：
ds=b0。(m×vf)-1/3 (2)
其中，b0是与树枝晶形状有关的常数，m是决定于材料的常数。其他的试验结果显示，根据合金成分的不同其指数介于-1/2和-1/3之间。
冷却条件对树枝晶间的剩余液态-共晶成分或过共晶成分的耦合生长组织也同样有很大的影响，它们的这种关系也可以用定量金相分析得到［4，5］。
在本工作中，利用慕尼黑工业大学的定向凝固装置和定量金相分析设备，研究了冷却条件和微量元素镁对al-si11.0合金树枝晶、共晶组织的影响。
2 试验条件
圆柱状试棒在慕尼黑工业大学机械工程材料研究所的定向凝固装置上［6］凝固得到。凝固参数即凝固速度v和凝固界面前沿的温度梯度g由两根热电偶(直径0.2mm)组成的探针测量并直接输入计算机处理。
试验的原材料由瑞士的alusuisse-lonza公司提供。试样的成分如表1所示。凝固界面前沿的温度梯度g尽可能地控制在20(±2)k/mm的范围内，而凝固速度v则在2～30mm/min内变化。
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
金相试样从试棒的稳定凝固参数区域中切取。一次枝晶间距e和二次分枝间距ds分别在试样的横截面和纵截面上测量得到［7］。下列共晶区域的参数由一个半自动的定量金相分析仪上得到：共晶区域的面积(体积)分数；共晶体中si-相的面积(体积)分数；共晶区中si-粒子的几何尺寸(平均截面积大小，形状系数［10］等)；共晶si的细化度(单位面积上共晶si的数目)；共晶si平均自由间距。
3 试验结果与讨论
3.1 凝固参数对树枝晶结构的影响
定向凝固中的温度梯度g和凝固速度v对一次枝晶间距的影响如图1a所示；图1b则表示了凝固参数对二次分枝间距ds的影响。
从图1可见，一次枝晶间距e和二次分枝间距ds均随冷却速度g×v的增加而减小。这里也可以看出镁元素的作用：在较低的冷却速度时(约40k/min)，al-si11.0mg0.3和al-si11.0mg0.15合金的二次分枝间距明显大于没有含镁的al-si11.0的ds，在较高冷却速度时，则三种合金有类似的ds值(见表2)。
图1 冷却速度对树枝晶一次、二次枝晶间距的影响
fig.1 influence of cooling rate on dendritic spacing
and dendritic arm spacings
表2 不同凝固条件下的二次分枝间距ds(μm)\
table 2 dendritic arm spacibng at
various solidifing conditions
合金 二次分枝间距，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
镁元素对二次分枝间距ds的影响主要是由于加入镁后增加了合金的凝固区间(在定向凝固中即是树枝晶凝固界面与共晶凝固界面的距离)。根据文献［8］，特别在较低的冷却速度时，镁对铝硅合金的凝固区间有明显的影响(表3)，从而影响到相同冷却速度时的凝固(粗化)时间，造成二次分枝间距ds的增加。
文献［9，10］指出，加入镁后将降低si在al液中的扩展，进而引起二次分枝的减小(枝晶尖部溶质富集区δ的减小［11］)，这种影响与上面的影响刚好相反。从实验结果可见，在较低冷却速度时，镁的加入使得二次分枝间距增加了，说明对凝固区间的影响是主要的。而在高的冷却速度时，镁对ds影响就显得微不足道了。 表3 凝固速度对树枝晶和共晶凝固界面间距的影响
table 3 influence of solidification rate on distance between
dendritic and eutectic solidification front
合金 树枝晶和共晶凝固界面的间距,mm
vef=2mm/min vef=8mm/min
al-si11.0 0.39 0.74
al-si11.0mg0.30 0.67 0.96
加入镁后对一次枝晶间距e的影响虽然较小，但效果与对二次分枝的影响类似。
3.2 凝固条件和镁对al-si合金共晶成分的影响
随着冷却速度的增加，al-si合金中共晶相的体积分数显著减少(图2a)，同时共晶相中的si含量相应增加(图2b)。
图2 共晶体体积分数和si在共晶体中的
体积分数与冷却速度、含镁量的关系
fig.2 relationship between si volume fraction in
eutectic and cooling rate,maguesium content
在这里，加入镁的影响也清楚可见。加入镁0.3%合金的共晶体的体积分数在实验冷却条件下比al-si11.0合金低10.0%左右，而两种合金共晶成分之差则随冷却速度的提高而增加(图2b)。在al-si(si含量为5％～17%)二元合金中，steen等［12］以及tensi和pek［13］的试验结果表明，冷却速度对al-si共晶成分的影响极大，在高的冷却速度下，al-17.0si合金也可以得到不含初晶si全部共晶体组织。由图2b可见al-si11.0与al-si11.0mg0.3合金共晶成分的差别随冷却速度提高而增加，加入少量的镁元素减小了共晶成分随冷却速度增加而升高的趋势。
3.3 凝固条件和镁元素对al-si共晶组织的影响
凝固条件和镁含量不但影响al-si11.0合金树枝晶中间的共晶体量和共晶成分，而且对共晶组织(si在共晶体中的形态)也有明显的影响。三种合金的共晶组织随冷却速度的提高而变细了。作为定量分析的共晶si组织，由在每个试棒上切取的横截面将测定大约2000个共晶si粒子而得到“共晶si粒子平均面积a”和“共晶si细化度ε”来衡量。
共晶si粒子的大小与分布和共晶si细化度ε与冷却速度的关系如图3，4所示。图3中清楚地显示，冷却速度较低时，共晶si的面积与它们之间的平均自由间距随着冷却速度的增加而迅速减少，在冷却速度大于200k/min时，冷却条件对共晶si粒子则没有实质的影响。与之相适应，表示单位面积共晶si粒子数的共晶si细化度ε随冷却速度的提高而增大(见图4)。
图3 冷却速度和镁含量对共晶si粒子大小、分布的影响
fig.3 influence of cooling rate and mg content on size
and distribution of eutectic si particle
图3中镁的加入对共晶si的影响是显而易见的。在所有实验条件下，在al-si11.0，al-si11.0mg0.15和al-si11.0mg0.3三种合金中以加入0.3%mg合金的共晶si组织zui细，而加入0.15%mg合金的组织zui粗，没有加入镁的al-si11.0的尺寸介于前两者中间。
图4 共晶si粒子细化度与冷却速度和镁含量的关系
fig.4 relationship between eutectic si pareide fineness
and cooling rate,maguesium contect
镁对合金共晶si相的影响可以在下列分析中得到解释。当al-si11.0合金中加入0.15%mg时，如前所述，增加了合金树枝晶凝固界面与共晶凝固界面的距离，即增加了共晶凝固过程中si的粗化时间，因此得到了较粗共晶si粒子的al-si共晶组织。当镁的加入量增加至0.3%时，由于有了较多的镁原子，这时候镁降低si在al液中的扩散起主导作用，从而获得较细小的共晶si粒子。
图5给出了冷却速度和镁对共晶si形状因子的影响。从图中可以看出，在试验的所有冷却条件下，与共晶si平均尺寸及共晶si细化度ε的结果相对应，al-si11.0mg0.3合金的形状因子都是zui大的。
图5 冷却条件和镁对共晶si粒子形状因子的影响
fig.5 influence of cooling condition and magnesium
on form factor of eutectic si particles
随冷却速度的升高，共晶si的形状因子趋向于1.0，即si截面的形状接近于圆。共晶si金相组织中也能看出这种趋势。
4 结论
(1)凝固条件不仅影响al-si11.0合金的树枝晶结构，而且对树枝晶间的共晶组织也有明显的影响。加入镁元素后，合金的二次分枝间距在低冷却速度(40k/min)时增大了，而在高的冷却速度时，镁对al-si11.0合金的二次分枝间距ds则无明显影响。
(2)镁的加入对al-si合金共晶成分有明显影响。加入镁后，冷却速度对共晶成分的影响显著减小。
(3)随着冷却速度的增加，合金的共晶组织变细。当加入镁量为0.15%时，合金的共晶组织较al-si11.0粗，当加入镁量为0.3%时，则合金的共晶组织比al-si11.0细得多。