汽車活塞合金初生硅形核生長機制探討

周鵬飛

（鹽城工業職業技術學院,江蘇鹽城 224005）

汽車活塞合金初生硅形核生長機制探討

周鵬飛

（鹽城工業職業技術學院,江蘇鹽城 224005）

通過XRD、光學顯微鏡等手段研究了P變質汽車活塞用過共晶Al-20Si合金的微觀組織和相組織，對初生硅相的形核生長機理做了進一步的分析，結果表明：存在AlP異質形核不容質疑；但是還存在均勻形核的可能，這從同一試樣的組織形貌中可以分析出，但在結晶過程中哪種形核機制占主導地位尚未清楚，需要進一步研究。

汽車活塞；初生硅；變質；微觀組織

過共晶Al-Si合金具有密度小、導熱性好、熱膨脹系數小、耐磨、耐蝕、尺寸穩定性好等優點，而且熱裂傾向小，是一種理想的汽車活塞材料。但是未經變質處理的過共晶鋁硅合金中存在粗大塊狀的初晶硅和粗大長針狀的共晶硅組織，嚴重地割裂Al基體的連續性，惡化合金的綜合力學性能和切削加工性能，制約了過共晶鋁硅合金的適用范圍[1-4]。解決這個問題的關鍵是對合金進行變質細化處理，改變合金中硅相的形貌和尺寸，減小其對鋁基體性能的削弱作用，從而提高過共晶鋁硅合金的綜合性能。目前，磷是初晶硅的理想變質劑，本文針對Al-20%Si合金進行單一P變質，對初生硅的形核與生長機制做了進一步的研究探討。

1 實驗材料與方法

實驗所用原材料有：配置好的Al-20%Si、以及CuP10中間合金。

在SG2-12-13型硅碳棒型坩堝爐熔煉Al-20%Si合金；升溫800 ℃時用六氯乙烷對熔體進行精練處理，靜置15 min后扒渣。在熔煉溫度為800℃時,分別加入質量分數為4%的CuP10變質劑作用于Al-20%Si合金,把熔煉好的合金液在800 ℃時澆注到預先準備好圓筒鑄鋼模,模具預熱到200℃，模具其尺寸為φ10 mm×100 mm。澆注完畢后,分別把試樣截斷，取其中間部位，加工成φ10 mm×6 mm的圓柱。金相試樣經過預磨、粗磨、細磨和手工拋光,最后用0.5%HF水溶液進行顯微組織浸蝕,然后用MeF3型光學顯微鏡觀察金相組織，并對4%CuP10變質的試樣進行了XRD檢測，進一步分析初生硅相的形核與生長機理。

2 實驗結果與分析

2.1 變質前后Al-20Si合金硅相的形貌

圖1.a為未變質過共晶Al-20%Si合金的顯微組織，未變質過共晶Al-20%Si合金初晶硅多為粗大八面體形、板塊狀，棱角分明，分布不均勻，有偏聚，平均尺寸在100 μm左右；圖1.b是經過4%CuP10變質過的，從圖中明顯可以看出初晶硅變得非常細小，尺寸在10 μm左右，且分布比較均勻，達到了非常理想的變質效果。

圖1 未變質與變質處理的Al-20Si合金硅相的形貌

2.2 4%CuP10變質的Al-20Si合金SEM分析

從圖2的X射線衍射分析，結果表明，磷變質試樣中除含有主要合金元素Al和Si的峰值外，還在Si的位置處出現了其他的衍射峰值，經過PDF卡片對照，驗證了這些峰值對應的正是異質核心質點AlP的峰值。同時可以發現，異質核心質點AlP的峰值相對較多，這就說明了P變質過共晶鋁硅合金時能夠為初晶硅形核提供足夠的異質核心，從而明顯的細化了初晶硅組織。

圖2 4%CuP10變質的Al-20Si合金XRD分析圖

磷的變質機制普遍認為是異質核心作用。磷作為初晶硅常用的有效變質劑,在合金液中容易與鋁反應生成熔點較高(A1P的熔點在1 000 ℃以上)的A1P化合物。其晶體結構與Si相同，屬于金剛石型面心立方晶格，且晶格常數也非常接近(αAlP=0.546 nm, αSi=0.542 nm)，可作為異質形核核心，細化初晶硅相[5]。

2.3 初晶硅形核生長機制探討

從圖1.b中仔細地我們可以看出，并不是所有初晶硅相都一樣大，其大小形態各不一樣，這就產生了對形核與生長問題的進一步研究的必要。從圖3中可以看出初生硅的形核生長的簡單示意圖，圖3.a為熔體，當溫度下降時，在熔體中肯定會有形核基體產生，這是A1P肯定存在，但當溫度下降至液相線下的時候，熔體中應該也會有初晶硅析出，此時的初晶硅并不是在A1P異質上形核的，而是在熔體中直接生長出來的，為了便于后面區分，暫且叫其為一次初生硅，如圖3.b所示。在K.Fujiwara’s[6]硅原子依附生長模型中，他認為硅原子易于吸附在凹角處，同時為其他原子提供生長臺階，產生更多的孿晶凹角；根據文獻[7-8] A1P本身就比初生硅相能提供更多的孿晶凹角，因此熔體中的硅原子易于在A1P表面聚集生長，熔體中的硅原子都向A1P表面聚集形成二次初晶硅,如圖3.c，當二次初晶硅相把A1P異質形核基底全部包圍時，此時一次與二次初晶硅的生長條件一樣，熔體中游離的硅原子會向這些一次和二次初晶硅上聚集使其長大，這種生長模式還應該是連續生長。

圖3 初生硅形核生長示意圖

3 結語

(1)未變質Al-20%Si合金初晶硅粗大，P變質能有效改善初晶硅尺寸與形貌，且CuP10變質存在最佳變質點，4% CuP10變質效果最好。

(2)在P變質情況下，初生硅的形核存在均勻形核和異質形核兩種形核模式，其生長模式還是連續生長。

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[6] K.Fujiwara,K. Maeda,N.Usami,K.Nakajima,Phys.Rev. Lett.101(1-4)(2008)055503.

[7] C.L.Xu,H.Y. Wang,C.Liu, Q.C.Jiang,J.Cryst.Growth 291(2006)540-547.

[8] R.Y. Wang, W.H.Lu,L.M.Hogan,J.Cryst.Growth 207(1999)43-54.

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Discussion on the mechanism of primary silicon’s nucleation and growth process of automobile piston alloy

ZHOU PengFei
（Yancheng Vocational Institute of Industry Technology, Yancheng 224005,Jiangsu, China）

In this paper, study on microstructure and phase organization of P metamorphic Al-20 Si which used in piston of automobile by means of optical microscope and XRD, further analysis on the mechanism of primary silicon’s nucleation and growth has been don e. The results show: AlP heterogeneous nucleation has no doubt; whereas homogeneous nucleation is also exist, this can obtain from the same sample’s morphology, but in the process of crystal nucleation which mechanism dominated has not clear, needs further study.

automobile piston；primary silicon; modifi cation; microstructure

TG146.2；

A；

1006-9658（2017）04-0022-02

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.04.006

2017-01-09

稿件編號:1701-1636

周鵬飛（1988—），男，碩士研究生，主要研究方向：汽車用鋁合金金屬的開發研究工作.