离心铸造Al－24%Si合金自生梯度复合材料

杨 新

（海军装备部综合计划部，北京 100841）

共晶或亚共晶铝硅合金通过变质后组成相分布均匀、弥散，晶粒细化，材料的朔性和韧度大幅度提高，在工业上得到了广泛应用。然而过共晶铝硅合金因组织中存在粗大的初晶硅，力学性能较差，限制了其应用范围。如果能将过共晶铝硅合金中粗大的初晶硅分布于材料的内层或外层，而将具有高朔性和韧度a相分布于外层或内层，这种过共晶铝硅合金梯度功能材料其内层或外层具有耐磨、耐蚀、耐热等优点，外层或内层具有良好的朔性和韧度，有望开展过共晶铝硅合金新的应用领域。用离心铸造的方法生产梯度功能材料，具有设备简单、生产率高、成本低、合成的梯度功能材料稳定以及能够制备满足生产实际需要的高致密度、大尺度的梯度功能材料等优点，为过共晶Al－Si合金梯度复合材料的制备提供了手段［1，2］。在这方面王渠东［3］、于思荣［4］等作了大量的工作，文献［2］通过改变离心铸造热模的温度，控制凝固顺序，分别对Al－20wt%Si和Al－30wt%Si合金进行了研究。文献［4］对Al－20wt%Si合金在加速场中固液两相流的再分布进行了探究，发现初晶Si的含量由内至外逐渐减少，呈梯度分布，内侧的初晶Si比较粗大，且有的呈长条状，由内到外初晶Si逐渐减少，且颗粒变少。目前对含Si量在20wt%～30wt%范围内的过共晶Al－Si合金自生梯度复合材料的研究还很少见诸报道。本文通过改变离心铸造的转速，研究了Al－24wt%Si合金在不同加速场中初晶Si的梯度行为，获得了初晶Si由外向内或由内向外富集的过共晶Al－Si合金自生梯度复合材料。分析了复合材料的形式过程，考察了复合材料的组织和硬度。

1 实验方法

本研究采取卧式离心铸造机，转速分别为600rpm、1000rpm、1400rpm，所得铸件尺寸为外径140mm，内径为70mm、长50mm。用工业纯铝和工业纯硅配置Al－24wt%Si合金，在中频感应电炉中熔化，金属液过热温度为80～120℃，模温为280～300℃。按图1所示部位切取试样，对其截面分内、中、外层进行金相观察，腐蚀剂为1%HF水溶液。用定量金相显微镜和S－570扫描电子显微镜观察金相组织并对初生Si的分布情况作定量描述，用HV－120型微氏硬度计在等半径经多点（20点）测量硬度，并取平均值，以研究硬度分布情况。

图1 实验时取样示意图

2 实验结果与分析

2.1 复合材料的金相组织

图2 Al－24wt%Si复合材料的金相组织 ×100

图2是离心铸造Al－24%Si合金自生梯度复合材料的金相组织。转速为600rpm时，中层和外层有较多粗大针状初晶Si富集，内层只有少量多角块状初晶Si；转速为1000rpm时，内层和外层都有较多多角块状初晶Si富集，且内层多于外层，在内层还有少量粗大板片状初晶Si，中层初晶Si较少且呈细粒状；转速为1400rpm时，外层初晶Si较少并呈细粒状，中层和内层有较多多角块初晶Si，在内层还有少量粗大板块状初晶Si富集，内层多角块状初晶Si尺寸大于外层。图3为初晶Si沿径向方向分布情况，在转速600rpm时，初晶Si沿由内向外的方向呈梯度富集；在转速为1400rpm时，初晶Si沿由外向内的方向呈梯度富集，在转速为1000rpm时，初晶Si不呈梯度分布。随转速的增加，外层和中层多角块状初晶Si由粗大针状向细粒状转变。

3 转速对Al－24wt%Si复合材料初晶Si分布的影响

2.2 复合材料的形成

过共晶Al－Si合金离心铸造初晶Si的分布与离心力和凝固过程有关，本研究由于模温较低，其凝固过程主要为从外向内的顺序凝固。在转速较低时，由于初晶Si在固液两相区的密度与金属液的密度相差很小，按斯托克斯评估的初晶Si在金属液中的沉降速度极小，初晶Si的偏析很小，另外，在转速较低时，铸型的温度梯度小，铸件凝固时间较长，晶粒粗大，因此在转速600rpm时，先析出的初晶Si主要富集在外层和内层，且外层较多，并呈粗大针状，初晶Si沿内向的外梯度富集。在转速较高时，初晶Si在金属液中的沉降速度极大，铸型的温度梯度大，铸件凝固时间较短，因此在转速为1400rpm时，初晶Si主要富集在内层和中层，且内层较多，初晶Si呈由外向内梯度富集。在转速1000rpm时，初晶Si在金属液中的沉降速度和铸型的温度梯度均为一般，因此内层和外层都有较多多角块状初晶Si富集，在内层还有少量粗大板块状初晶Si，初晶Si不呈梯度分布。少量粗大板片状初晶Si出现，可能是部分初晶Si没有来得及破碎的结果。

2.3 复合材料的硬度

复合材料的硬度测试结果如图4所示。在转速为600rpm时，从内层到外层，硬度呈明显增加的梯度分布。在转速为1400rpm时，从内层到外层硬度呈明显减少的梯度分布；由于铸型的极冷作用，在铸件的外表面，硬度稍有提高。在转速为1000rpm时，硬度不呈梯度分布。可见复合材料硬度的变化取决于初晶Si的分布，当初晶Si呈梯度分布时，复合材料的硬度也呈梯度分布。

图4 复合材料的硬度

3 结 语

（1）改变离心铸造的转速，获得了初晶Si由外向内或由内向外富集的Al－24wt%Si合金自生梯度复合材料。

（2）离心铸造Al－24wt%Si合金复合材料的硬度取决于初晶Si数量，当初晶Si呈梯度分布时，复合材料的硬度也呈梯度分布。

1 L.Lajoye and M.Suery.Modeling of Particle Segregation during CertrigugAl Casting of Amatrix Composites［J］.ASM InternationAl，MetAl Park，OH，1988：15

2 Yasuyoshi FUKUI.FundamentAl Investigation of Function Gradient MateriAls Manufacturing System.Using CentrifugAl Force［J］.JSME InternationAl JournAl，SeriesⅢ1991，34（1）：44

3 王渠东等.离心铸造过共晶Al－Si合金自生表面复合材料［J］.复合材料学报，1998，15（3）：7

4 王思荣等.加速场中过共晶Al－Si合晶固液两相流体的在分布［C］.长春，98吉林省青年学术研讨会，1998