Al-Si二元相图亚共晶铸造合金中商业应用价值

Al-Si二元相图亚共晶铸造合金中商业应用价值
当合金中Si含量较低时，Fe 以 Al3Fe形式存在。当合金中Si含量较高时，Fe首先以α-Al12Fe3Si （立方系晶体结构）形式存在，当 Si更高时以 β-Al9Fe2Si （单斜晶系晶体结构）形式存在。

Al-Si相图
zui早的Al-Si二元相图是德国人Fraenkel 在1908年研究绘制。二元相图相对简单，在室温下Si在Al中和Al在Si中的溶解度都不大。因此在平衡态下，zui终凝固状态接近纯Al或纯Si。现在*的相图是 图1 由Murray 和 McAlister1 在1984年研究绘制的。 Al和Si的熔点分别是660.45 和1414 °C， 共晶反应成分：12.6 % Si重量比，共晶反应温度：
577 ± 1 °C。 Si在Al中的zui大溶解度是在共晶温度下 1.65 %重量比。

 直到二十世纪50年代前,大家都认为：共晶溶解度是11.6 wt.% Si。 1920年代，发现加入少量的Na可以改变共晶点。Na加入使得共晶点处Si的含量提高到约14 wt.%, 当熔炼时Na阻碍了先共晶Si的凝固，从而提高了强度和塑性。当然，提高凝固速度也有类似的功效，因此压铸和硬模铸造开始普及流行。晶粒细化和共晶体弥散分布都可以提高机械性能。过共晶的Al-Si合金,P元素更有效的改变共晶Si相并细化晶粒。

表1 所列为Al合金样品制备方法有些是可修改项。其变化取决于样品制备的困难程度、样品切割后的情况和所需要除去残余损伤层的情况不同而不同，例如：对于EBSD 或者纳米压痕测量的样品，可能会使用其他抛光布来取代通常目的样品制备所使用的抛光布。表2 Tech Note中所使用的各种化学侵蚀剂的配方。

首先对高纯Al样品进行检查。如图2 所示再结晶的晶粒结构“超纯” Al样品，使用Barker侵蚀剂+电解侵蚀，观察偏振光+灵敏色片。实际上，这个样品上还是有少量的杂质和可见的第二相颗粒（在显微镜下，那些点状物就是这些沉淀相颗粒）。

图 2所示， 再结晶的“超纯”Al，等轴晶粒结构样品。
Barker侵蚀剂+电解侵蚀，偏振光+灵敏色片在样品上有一些杂质颗粒存在,但是使用这样的侵蚀剂，在这样的放大倍数下，不能看见 （50x）。

图 3. Al - 1% Si - 0.45% Mg显微组织显示： （a） 0.5% HF水溶液, （b）蓝色 Si侵蚀剂; 和 （c） Weck's 彩色侵蚀剂 Al,显示在晶界处Si薄膜成分偏析和共晶组织（明场）。
图 3 所示三个图片是Al - 1% Si- 0.45% Mg 可锻Al样品，晶界处有Si薄膜和块状的共晶的α -Al - Si,通常在晶粒的边界处有三角型存在。侵蚀剂是0.5% HF水溶液显示第二相Si颗粒的边界。 “蓝色—Si侵蚀”是由于Si择优取向造成色彩。Weck's彩色侵蚀剂用于显示 Al周围被腐蚀的Si相，但是其细节不能用“黑或白”显示。

图 4 显示的是Al - 7.12% Si铸造Al合金的显微组织Si-蓝色侵蚀剂和 Weck's 彩色侵蚀剂用于侵蚀Al。 图4a 显示形状不规则的Si 小颗粒，侵蚀剂：Weck's。图 4b,显示α-Al 枝晶。在视野的中心, 我们可以见到较大的初生枝晶和许多小的二次枝晶臂，枝晶臂垂直于初生枝晶轴向。注意侵蚀显示了枝晶内部的成分偏析，在高放大倍数下更容易分辨。

图 4. Al 7.12% Si 铸造Al合金组织显示（a）共晶 Si颗粒，高放大倍数，侵蚀剂：Si-蓝色。 （b）Al枝晶 （在此放大倍数下共晶体太细 ） 侵蚀剂： Weck's （偏振光+灵敏色片）。
图 5 显示的组织其Si 含量接近,但是添加了少量的0.45% Mg。注意在这种合金中共晶颗粒的形状变得更加细长。在使用Weck's 侵蚀剂用于显示α-Al 枝晶的形状。为了显示这样的不同。所以我们必须确定在每次抛光平面都是相同的， （抛光面是平行于枝晶生长的方向，以便于能够正确的观察到枝晶臂并正确测量枝晶间距）。

图 5. 铸态Al - 7% Si - 0.45% Mg显微组织，侵蚀剂：（a） 0.5% HF水溶液, （b） 蓝色Si侵蚀剂和（c） Weck's 侵蚀剂 （明场下观察） 显示Al枝晶内部的成分偏析。
图 6 显示接近共晶成分Al - 11.7% Si铸造Al合金的两幅显微组织照片。在低放大倍数下可以观察到枝晶自然凝固状态的细微结构。在高的放大倍数下，我们可以观察到细致共晶组织，α -Al 晶粒的随机取向。图 7 显示Al - 12% Si 铸造Al合金，在共晶组织中Si的长纤维。比较图 7 和图 8  在Al - 12% Si铸造Al合金中添加了少量的Na元素，其效果是显著的细化了共晶Si和初晶的α-Al。

图 7，接近共晶成分的铸态 Al- 12% Si合金的组织，侵蚀剂： （a） 0.5% HF 和（b）蓝色 Si blue侵蚀剂。
图 6. 显示Al 11.7% S合金的两幅铸态枝晶组织， （Weck’s侵蚀剂） （a） 仅仅在低放大倍数下显示枝晶分布 50x; 在高放大倍数下 （b, 500x）,显示共晶体的结构 （蓝色Si 侵蚀剂）。Tech-

图 8. 显示 Na变质处理后，铸造Al - 12% Si合金，侵蚀剂： （a） 0.5% HF, （b） 蓝色 Si blue侵蚀剂和 （c）  Weck's 侵蚀剂
图 9 显示：铸态Al - 13% Si - 0 0.45%Mg显微组织纤维状的共晶Si。图 10 显示：铸态的Al - 19.85% Si 显微组织大块状的初晶Si。注意：侵蚀剂显示共晶体周围的初晶Si颗
粒。图11 显示：铸态Al - 25% Si - 1.4% Fe显微组织。图11a, 可以观察到长针状的β-AlFeSi相。图 12 铸态Al - 50% Si显微组织。 注意大块状易碎的初晶Si颗粒, 大多数上都有裂纹存在。
图 13 至 16显示铸态Al - 12.9% Si 压铸件样品，图 13 中的样品未处理，包含大的块状初晶Si颗粒。与图 14所显示显微组织比较, 加入0.03% Ti进行晶粒细化；图 15, 加入0.045% Sr元素与图 16,加入 0.05% Sr 和 0.05% Ti进行细化处理。注意添加Ti 元素处理后，针状组织变长。添加 0.03% Ti （图 14） 包含少量的初晶Si颗粒，而添加Sr 元素的未见到初晶Si颗粒。接近共晶成分的Al - Si 合金中添加 0.5~ 1.2% Fe （防止铸件与模具粘结）显示初生的纤维状的 β-AlFeSi （Al5FeSi）组织。这些颗粒严重影响铸件的抗冲击韧性和塑性，并导致缩孔产生。Fe含量的降低有利于减小其尺寸并增加凝固速度。

图 9. 铸态 Al - 13% Si - 0.45% Mg 合金组织，侵蚀剂： （a） 0.5% HF 和 （b） Weck's侵蚀剂。
图 10. 铸态Al - 19.85% Si 合金显微组织，侵蚀剂： （a）蓝色Si 侵蚀剂显示在Al-Si共晶体周围的的初晶Si颗粒（500x）; 和（b） Weck's侵蚀剂显示共晶体结构 200x）。
图 11.铸态的 Al 25% Si - 1.4% Fe 合金显微组织，侵蚀剂： （a） 0.5% HF水溶液;和（b） Weck's侵蚀剂，组织显示在Al – Si共晶组织周围的大块状的初晶Si颗粒。
图 12. 铸态 Al - 50% Si合金显微组织，侵蚀剂： （a）05% HF;水溶液和 （b） Weck's侵蚀剂，组织显示在Al – Si共晶组织周围的显示非常大的块状的初晶Si颗粒。
图 13.重力压铸 Al - 12.9% Si （未变质处理） 侵蚀剂：蓝色 Si侵蚀剂，注意在初晶Si和纤维状的共晶Si。

图 14.重力压铸 Al - 12.9% Si 添加 0.03% Ti 共晶Si细化（蓝色Si Blue侵蚀剂）。
图 15. 重力压铸 Al - 12.9% Si添加 0.045% Sr 变质后共晶组织 （蓝色Si侵蚀剂）。 没有观察到初晶SI颗粒。
图 16.重力压铸 Al - 12.9% Si 添加 0.05 % Sr和 0.05% Ti。注意细致的共晶组织，长针状的颗粒是AlFeSi，这种组织的出现是为了防止铸件与模具的的“粘结”，在铸造时添加了 Fe元素。

结论
Al-Si 合金在铸造合金中具有广泛的商业应用价值， 亚共晶的Al ~7% Si 合金广泛的应用于汽车制造业，接近共晶成分的合金也被广泛使用，特别是在压铸行业。过共晶的合金中包含较大的块状Si的颗粒，其具有较高的耐磨性。Al-Si二元相图是了解这些合金的基础。

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参考文献：
1. J.L. Murray and A.J. McAlister, Bull. AlloyPhase Diagrams, Vol. 5, No. 1, Feb. 1984.
2. T.B. Massalski （ed.）, Binary Alloy PhaseDiagrams, Vol. 1, ASM, Metals Park, OH, 1986,p.165.
3. US Patent No. 1,387,900, issued to A. Pacz,August 16, 1921.
4. US Patent No. 1,518,872, issued to A. Pacz,December 9, 1924.
5. US Patent No. 1,410,461, issued to J.D.Edwards, F.C. Frary and H.V. Churchill, March 21,1922.
6. J. Asensio-Lozano and B. Suárez-Peña, “Effectof the Addition of Refiners and/or modifiers onthe Microstructure of Die Cast Al-Si Alloys,”Scripta Materialia, Vol. 54, 2006, pp. 943-947.
7. B. Suárez-Peña and J. Asensio-Lozano,“Influence of Sr Modification and Ti GrainRefinement on the Morphology of Fe-richPrecipitates in Eutectic Al-Si Die Cast Alloys,”Scripta Materialia, Vol. 54, 2006, pp. 1543-1548.