高能超声波处理高硅铝硅合金的组织和力学性能

有色金属（冶炼部分）２０１１年７期

?３５?

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７－７５４５．２０１１．０７．００８

高能超声波处理高硅铝硅合金的组织和力学性能

程兆虎，程和法，黄笑梅，杨

俊，于

浩

（合肥工业大学材料科学与工程学院，合肥２３０００９）

摘要：采用高能超声波对Ａｌ一２０％ｓｉ合金进行熔体处理。研究超声波处理对Ａｌ一２０％Ｓｉ合金微观组织形貌及其力学性能的影响。结果表明，在６６０℃温度下，对ＡＩ－２０％Ｓｉ合金熔体进行高能超声波处理，可以使铝硅合金的初晶硅形貌由粗大的板片状逐渐变成细小的球状颗粒，圆整度高，分布均匀，并且使其抗

拉强度和延伸率提高。通过对合金拉伸断口形貌的观察，发现在经过超声处理的Ａ１－２０％Ｓｉ合金断口上有较多的撕裂带和韧窝，表现为脆性断裂和韧性断裂的混合型断口。

关键词：金属材料；ＡＩ－２０％Ｓｉ合金；超声波处理；微观组织；力学性能；断裂机制中图分类号：ＴＧ２９２

文献标识码：Ａ

文章编号：１００７－７５４５（２０１１）０７－００３５—０４

Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

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ｆｒａ

ｃｔｕｒｅ

ｍｅｃｈａｎｉｓｍ

过共晶铝硅合金以其低热膨胀性、良好的耐磨性和流动性，广泛应用于航空、航天及汽车制造等领域【ｌ。２］。当Ｓｉ≥１８％时（质量分数），过共晶铝硅合金中硅相明显粗化，初晶硅的硬度高，很脆，使合金的切削加工性能变坏，这是推广应用过共晶铝硅合金的主要障碍Ｌ３］。因此，促进初晶硅的细化和均匀分布对过共晶铝硅合金的应用具有重要的意义。目前，所采用对过共晶铝硅合金中初晶硅细化的方法

基金项目：安徽省自然科学基金资助项目（０９０４１４１９７）

主要是用磷和稀土元素等进行变质处理Ｈ］。同时，还有通过快速凝固［５］和电磁搅拌技术【６。ｏ方法改变初晶硅的生长条件和生长方式，达到细化且分布均匀的初晶硅，从而有效地提高过共晶铝硅合金的性能，使此类材料具有更优良的性能。

超声波处理是一种新型的熔体处理方法和技术，通过向熔体导入超声波处理，液体金属受到周期性交变声场的作用，产生空化效应和声流效应，两者

作者简介：程兆虎（１９８７－），男。安徽怀宁县人，硕士，主要从事高硅铝硅合金制备ｔｊ组织和性能等方面的研究。

联系人：程和法（１９６２一），男，安徽安庆市人，教授，蹲上，主要从事铸造合金成分组织和性能等方面的研究。

３６?打乜金属（冶炼部分）２０１１年７期拈Ｉｑ作用能够硅苷地救阵音量蔫｝同自【纵＋雏ｉ化品粒．摊的仆川｛｜要屉通垃≮‘化和声流敏膻所产生的。超挺岛台盒化学Ｊ】！ｉ分的均匀什¨＿ｌｔ还能清除熔体中，ｏ渡处州上￡袱中肜成太砖曲空化池．宅化泡在赳过的。Ｌ体和杂质“１“Ａｌ妯彳㈠音金为对象．研究定删值的／ｈ括Ｆ发卟崩泄片产乍冲山波．冲山渡超声波对其凝嗣组织和力＃性能帕影响。将ＥＩ瑾结一％Ｋ大的晶牡跛急剧的冲击波打碎．使品ｌ试验方法牡樽刮ｒ细化．ｆ目时．品札分带电史圳均匀。当低功

琦薹时．衄卢救处理埘台台的钾品砰所起到有效的破

所川合盘材料址ｌ’，ｌｋＡＩ２０蹦Ｓｉ台金。将＾Ｊ碎和缔Ｉ化忭川比轻小随若超声波输出功率的增大．２０％ｓ台盘放＾到订譬Ｈ『瞒－｛ｚ．柱坩埚电阡【炉内加韧品硅涩渐越ｒ酬整，Ｋ寸峨艟的减小．同时单位而热到坝定的温度井雠泓Ｉｒ＿ＩＩＬｉｎ．将预热到６００℃的积内的韧－Ｕ硅数目打ｒ一定的增加。由此可见超声超声波廿＾朴ｊ画人刮々脯蝌体诫州阻Ｆ２０ｍｍ的波们功牢的大小时台台的组织彤貌有很大的影响．付赶进行趣声波址胜。增大其输ｍ功率冉利于台金品粒艘谇成细小球化的

超声波处娜牲竹址｝Ｉｌ衄声渡发’器、超声波换初品硅，

能器、变幅什腱坤＾扦ｇ【成．扎最凡输出功率为

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Ｈ：『ｄ功毕（３００，｜＝Ｉ＿＿１川¨】２００Ｗ）Ｆ对熔体进行高

能超声处理４０ｓ熔怍处理泓垭为６６０℃．熔体经过

赶卢处理后讧即浇征人拉忡试棒金墉模，ｐ．获得抗

拉试棒武样饵纰浇浊个＊Ｉ同的醋样。

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氟酸水溶液樯蚀．存盘扪拉微髓下啦察和分析水同

条件下获得试样的微观ｇｉ毁．山学性能试聆在图Ｉ未经超声波处理的Ａｌ＿２０％ｓｉ

ＣＭＴ５１０５儿能材料“骑Ｌ进行测褂斌样的抗拉台金的微魂组织

强度和延伸牢．取个试样的学均仉＃为试样的抗Ｆ嚼ＩＭ蛔强ｎ怔岍甜ｈ弹ｔＲ蛔饥＾Ｌ２０％ｓｉ拉强度。杜仲断ＩＩ川ＩＪＸＡ２８１０Ａ删扣描电镜观察ａｌｌｏｙｗｉｔｈｏｕｔｕｌｔｒ枷ｎｉｃｔｍａｌｍｅｎｔ

断ＩＩ形貌计分析断¨特征２．２起声波处理台金的力学性能

２试验结果和分析丧１为Ａｌ２０蚝Ｓｉ台金在趔声处理和术进｛ｉ超２１超声波处理后台金的微观组织＇“址婵帆条件下浇沣试样的山。＃性能时＆山此ｕｊ

面常情况ｒ址”－％斟肚合盘的。＆镦纽织由副“存ｍ．台金来世什削卢处理的铸志试样抗拉强度品硅和兆．日体Ｈｌ成网１皿证心幔浇汴条件ｒ的未和延仲丰分别为Ｉ８ｕＭｎ和ｆｊ２９“未羟超声姓Ｊ电羟超声处删的Ａｌ２０■ｓｉ微观维织。ＩⅡ见．绝太部的＾ｌ２（ｊ％ｓ１舟台纰ｇ川－出现太时的培片状共晶ｓＩ分扔品硅呈＊ｌ太们板块收阿２如牛¨输出功率越和多角肜＿韭块状的翩Ｉ舢Ｅ剌北崮１．在应力作用声波处理Ｆ凝州所褂ＡＩ２（Ｉ“Ｓｉ弁宅帕微脱绁粤｝。ｒ．在Ｈ柑的尖＿ｉ；；ｉ和按ｍ处引起应力集巾．合盒容当赳声波输出聃牢ｈ∽ｏｗ时，如吲２ｆａ）所玳．由封滑“札的边界址严啊割裂幕体．使台金变脆．使材于衄声渡的功车较小小足眦对ｒｎ：凝Ｉｑ的合金产料，Ｊ竽什能和延仲率根差，

啦较为娃并的扰动忤川．ＭｌⅢ纠一ｍ砧Ｈ寸变化比较Ⅲ袅Ｉ…“ｌＷｌｒ＾再Ⅲ．台食经过高能超声处理小．韧品硅依然打“此较大块片状晌ＪＥ崽存托．Ｊ￡嘲ｍｎ的铸怒试佯的抗拉强墟得到提，％．１日时随着超祭垭较差。随拧超卢被功半的增…卉仑ＨＩ绑巾衲出渡址川功年的加强“抗扎蛆噬和蜓仲牢均增大品畦得到细化＋“ｉ超声艘的输｝１１功书增…到１２００Ｗ１趟，’被处删功丰逃剑ｌ２００Ｗ时合盒的机批强度

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ｈ披对☆盒熔２．恤锵滑移距离缩短

有色金属（渐烁部分）２０１１印７期

２．３超声ｉ直处理台金的断裂特征｛＾）Ｌ＊日一’＃”ｗｎ“ｍ＊ｉ】．｛ｈ’目Ｊ‘‘Ｍ”Ｗ“＃№＊【ｉ

目３为合金翘声被处理前后批仲试样新ＩＩＪＢ筑图３拉伸试样断口形貌ＳＥＭ照片，从嘲３（ａ）町以看…．试拌断ＩｉＬ‘Ｕ现Ｆｉｇ３流河状花纹和相、０数培的韧－铀硅断【Ｉｌ＿ＪＬ乎为斛理ｓｕｒｈ…ｏｆＳＥＭｉｍａｇｔ５ｔ”ｆｒａｃｌｕｒＰＤｌｅｓ性断裂。ｆ“ｆ束超声处理的试件“解州悱断裂为｛－ｍｉ．趟Ｊ‘－处肆。耵卉台断【』ｆ．的韧品辞尺十叭娃小导作川艘试棒抗拉强度和越仲串骨比较低，棚时】术蹙质台证№ｆ【Ｉ

ｒｌ?前较多的撕裂带扣韧窝．解理

?３８?有色金属（冶炼部分）２０１１年７期

性断区减少，具有明显的韧性断裂特征。所以，合金［２］孙淑红，张家涛，彭著刚，等．变质处理及成分对过共材料的断口形貌为混合璎断口，表现为脆性断裂和晶铝硅合金耐磨性的影响［Ｊ］．云南冶金，２００４，３３（６）：韧性断裂。很明显，经过超声处理后，由于初晶硅和３６－３８．

共晶硅尺寸变小，尖角钝化，对基体的割裂作用降［３］陆文华。李隆盛。黄良余．铸造合金及其熔炼［Ｍ］．北低，裂纹扩展遇到的阻力增大，在外力作用下能够承京：机械工业出版社，２００２：２６２７２６３．

［４］ＪｏｏｎｙｅｏｎＣｈａｎｇ，ＩｎｇｅＭｏｏｎ，ＣｈｏｎｇｓｏｏｌＣｈｏｉ．Ｒｅｆｉｎｅ—

受较大的应力才能发生断裂，而且有一部分裂纹在ｍｅｎｔｏｆｃａｓｔｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｈｙｐｅｒｅｕｔｅｃｔｉｃＡＩ—Ｓｉａｌｌｏｙｓ铝基体穿过时绕过了初晶硅，使铝基体的塑性得以ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅａｄｄｉｔｉｏｎｏｆｒａｔｅｅａｒｔｈｍｅｔａｌｓ［Ｊ－１．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ发挥，从而使合金的抗拉强度和延伸率得以提高。ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ，１９９８，３３（２０）：５０１５－５０２３．

３结论［５］ＨｏｇｇＳＣ，ＡｔｋｉｎｓｏｎＨＶ，ＫａｐｒａｎｏｓＰ．Ｓｅｍｉ—ｓｏｌｉｄｒａｐ—

ｉｄｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｔｅｓｔｉｎｇｏｆｓｐｒａｙ－ｆｏｒｍｅｄｈｙｐｅｒｅｕｔｅｃｔｉｃＡＩ—

（１）利用高能超声波对过共晶Ａｌ一２０％Ｓｉ合金Ｓｉａｌｌｏｙｓ［Ｊ］．ＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ，

进行处理，可以显著细化合金中的初晶硅，使其分布２００４，３５：８９９—９ｌＯ．

均匀。随着超声波输出功率的提高其声化和空化效［６］毛卫民，李树素，赵爱民，等．电磁搅拌对Ａｌ一２４％ｓｉ合应均加强，合金的初晶硅形貌逐渐细化并球化。金凝固组织的影响［Ｊ］．中国有色金属学报，２００１，１１

（５）：８１９－８２３．

（２）超声处理呵以显著提高Ａ１－２０％Ｓｉ合金的［７］赵树国，袁晓光，于海朋．电磁搅拌对过共晶ＡＬ—ｓｉ合

抗拉强度和延伸率。经过１２００Ｗ超声处理４０ｓ，金组织的影响Ｉ－Ｊ－］．辽宁工程技术大学学报，２００５，２４抗拉强度由１８０ＭＰａ提高到２５１ＭＰａ，上升了（６）：９１３－９１５．

３９％，合金的延伸率由０．２９％提高到０．４４％，提高［８］戴光星，程和法，黄笑梅，等．ＡＩＳｉ７Ｍｇ合金等温处理了４８％。中组织形态的演变［Ｊ］．特种铸造及有色合金，２００６，２６

（３）对试样拉伸断口观察表明，超声处理后可以（４）：２２０—２２２．

在断口上有较多的撕裂带和韧窝，表现为脆性断裂［９］冯伟骏，谭家隆，李喜盂，等．功率超声对Ｐｂ－Ｓｎ合金和韧性断裂的混合刑断裂特征，而未超声处理的凝固行为的影响［Ｊ］．铸造，２００４，５３（５）：３７６—３７８．

Ａ１－２０％Ｓｉ合金断口基本上表现为脆性断裂。Ｆｌｏ］李军文，桃野正．超声波对铝合金铸锭组织的影响

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