文章编号：1004-0609(2007)05-0688-05

硅相形态及含量对Al-Si合金线膨胀系数的影响

武玉英¹，刘相法¹，戴  勇²，姜炳刚³，边秀房¹

(1. 山东大学 材料液态结构及其遗传性教育部重点实验室，济南 250061；

2. 济钢集团山东冶金设备制造公司，济南 250101；

3. 山东大学 材料科学与工程学院，济南 250061)

摘  要：利用金相显微镜、DIL402C高温膨胀仪等对Al-Si合金的线膨胀进行了研究。结果表明：对于Al-Si合金，硅含量越高，其线膨胀系数越小，随温度变化幅度减小；随着温度升高，磷变质比锶变质的线膨胀系数变化幅度小，合金更加稳定；此外，T6热处理也显著降低Al-Si合金的线膨胀系数。通过对合金线膨胀系数和微观组织的对比观察发现：硅相的形态和体积分数对Al-Si合金的线膨胀系数产生重要影响。初晶硅体积分数的增加和初晶硅的析出能够显著降低Al-Si合金的线膨胀系数，共晶硅的形态对合金线膨胀系数也有一定的影响，共晶硅为短棒状、颗粒状时(尤其经热处理后)，合金的线膨胀系数也显著降低。

关键词：Al-Si合金；线膨胀系数；热处理；变质处理

中图分类号：TG 146.2　　     文献标识码：A

Influence of morphology and content of silicon phase on

CTE of Al-Si alloys

WU Yu-ying¹, LIU Xiang-fa¹, DAI Yong², JIANG Bing-gang³, BIAN Xiu-fang¹

(1. Key Laboratory of Materials Liquid Structure and Heredity, Ministry of Education, Shandong University,

Ji’nan 250061, China;

2. Jigang Group Shandong Metallurgy Equipment Manufacture Corporation, Ji’nan 250061, China;

3. School of Materials Science and Engineering, Shandong University, Ji’nan 250061, China)

Abstract: The linear coefficient of thermal expansion (CTE) of Al-Si alloys was studied by using Hi-scope video microscope and DIL 402C high temperature dilatometer. The results reveal that the CTE of Al-Si alloys decreases with increasing Si level. Compared with Sr modification, the Al-Si alloy modified with P has a lower CTE and is more stabilized. Moreover, T6 heat treatment can also decrease the CTE of Al-Si alloys，and improve the stability during heating-up. According to the contrasts above and combined with microstructure observation, it is found that Si phase has important influence on CTE of Al-Si alloys. The increase of volume fraction and precipitation of primary Si both can decrease the CTE. Also, eutectic Si exerts certain influence on the CTE of Al-Si alloys, i.e. the CTE decreases when eutectic Si exhibits morphology of short-bar shape and small particles, especially after heat treatment.

Key words: Al-Si alloys; stability; CTE; heat treatment; modification

目前活塞生产行业仍主要采用共晶和过共晶Al-Si合金，但现有的研究都致力于改善传统的Al-Si合金的综合性能。这些措施主要如下^[1]：1) 变质处　理^[2-5]；2) 合金化和热处理^[6-7]；3) 减少合金中的有害杂质；4) 改进铸造方法^[8-9]。其中前两种方法是铝合金生产行业研究的重点，也是改善合金综合性能的有效方法。

然而，发动机活塞的工作温度大约在250~350 ℃之间，因此其在这一温度段的力学性能和体积稳定性十分重要^[10-11]。固体的膨胀比气体和液体小得多，直接测定固体的体积膨胀比较困难。但根据固体(非晶体或多晶体)在温度升高时形状不变可以推知，固体在各方向上膨胀规律相同。因此可以用固体在一个方向上的线膨胀规律来表现它的体膨胀。通常定义固体在温度每升高1 ℃时，在某一方向上的长度增量?L/Δt与室温下(严格意义上是0 ℃时)同方向上的长度L₀之比，叫做固体的线胀系数α^[12]，即

工业上可以采用很多不同工艺来降低Al-Si合金的线膨胀及各种性能，但从理论角度来对其进行分析、讨论的文献较少。因此对Al-Si合金的线膨胀系数从理论方面去分析研究是十分必要的，这不仅给生产，也为进一步提高Al-Si合金的力学性能提供理论依据。本文作者采用德国进口的DIL 402C 高温膨胀仪来对Al-Si合金的线膨胀系数进行测定和分析研究，初步探讨其内在规律。

1  实验

在中频感应炉中制备Al-Si合金，原料为工业纯铝和工业纯硅，制备含硅量分别为12.6%、20%和24%(质量分数)的Al-Si合金。将配制好的3 kg左右  的Al-Si合金装入中电阻炉石墨坩埚，加热至780 ℃进行熔炼变质。为保证合金成分的准确，尽量控制沸腾和减少喷溅，然后通入六氯乙烷进行精炼处理，在保温一定时间后，将合金液体直接浇入铸铁铸型中得到合金铸锭，完成不同Si含量的Al-Si合金的变质处理。

在5 kW电阻炉内，采用石墨粘土坩埚将共晶Al-Si合金在780 ℃熔化，分别加入1%的Al-P中间合金和1%Al-Sr中间合金，保温45 min后浇入金属(铁)型试样。

对所得的铸锭进行T6处理，在热处理炉中，将铸锭加热到510 ℃，保温6 h^[13]采用510 ℃淬火(水淬)，200 ℃时效14 h。

为了进行比较，所有试样都取自铸锭的心部，采用KH-2200型高倍视频显微镜(Hi-scope video microscope)进行微区成分分析及微观组织观察，并利用DIL 402C 高温膨胀仪对试样的线膨胀进行测量，其中不同硅含量的Al-Si合金的测量速度为5 ℃/min，其他测试速度则定为10 ℃/min。

2  结果与分析

2.1  不同硅含量Al-Si合金的线膨胀系数

图1所示为Si含量分别为12.6%、20%和24%的Al-Si合金微观组织。该组Al-Si合金均经过磷变质处理工艺。在图1中，因为经过磷变质处理，共晶Al-Si合金中出现一定量的初晶硅，而过共晶Al-Si合金中粗大的初晶硅也被细化为细小圆整的初晶硅。经过磷变质处理后，初晶硅尺寸相近，形态相似。故本实验中随着硅含量的增加，合金中初晶硅的体积分数明显增多，初晶硅形态并没有改变。图2所示是对不同硅含量的Al-Si合金线膨胀系数的测定。由图2可见，硅含量越高，合金的线膨胀系数曲线越低，峰值越小且趋于平缓。由图1和2可以得出硅含量对Al-Si合金线膨胀系数的影响规律：Al-Si合金经变质处理后，随着含硅量的增加及初晶硅体积分数的增多，Al-Si合金的线膨胀系数逐渐减小，合金的稳定性越好。

图1  变质处理和热处理条件下不同硅含量Al-Si合金的微观组织

Fig.1  Microstructures of Al-Si alloys after modification and heat treatment: (a) Al-12.6Si; (b) Al-20Si; (c) Al-24Si

图2  不同硅含量Al-Si合金的线膨胀系数

Fig.2  Curves of CTE for Al-Si alloys with different Si contents

2.2  磷变质、锶变质对Al-Si合金线膨胀系数的影响

众所周知，变质处理是Al-Si合金应用中必需的工艺^[14-15]。 锶变质是对Al-Si合金中共晶硅而言，如图3(a)，经锶变质后，Al-Si合金中的共晶硅变得均匀细小，但是合金组织中并没有初晶硅的析出。磷变质主要是促进共晶Al-Si合金中初晶硅的析出，同时也可以细化过共晶Al-Si合金中的初晶硅。图3所示为共晶Al-Si合金经锶变质和磷变质后，然后经热处理得到的微观组织图。由图3(b)可以看到，Al-Si合金经磷变质后，组织中出现了细小均匀分散的初晶硅，共晶硅也变为长条状。两种不同的变质处理后所测得的线膨胀系数曲线如图4所示。由图4可见，与锶变质后所测得的线膨胀系数相比，磷变质处理后所测得线膨胀系数曲线比较平缓，在加热过程中变化不大；而锶变质的线膨胀系数曲线在300~400 ℃之间有较大的变化，且其线膨胀系数明显大于磷变质的。由此可知：与锶变质相比，磷变质使Al-Si合金在室温到450 ℃之间有更好的稳定性。结合其微观组织对比可知：初晶硅的析出对合金线膨胀系数的降低有促进作用。

图3  不同变质处理共晶Al-Si合金的微观组织

Fig.3  Microstructures of eutectic Al-Si alloys by different modification methods: (a) Sr modification; (b) P modification

图4  不同变质处理后Al-Si合金的线膨胀曲线

Fig.4  Curves of CTE for Al-Si alloys by different modification treatments

2.3  热处理对Al-Si合金线膨胀系数的影响

热处理工艺对材料的性能有着重要的影响，热处理可以改善材料的力学、物理和化学性能，使材料具备设计要求的性能。实验中对磷变质及锶变质共晶Al-Si合金在热处理前后及变质前后的组织及线膨胀系数进行测定。由图5可知，热处理对磷变质Al-Si合金中初晶硅影响很小，但使其共晶硅由长条片状变为短棒及球状，尺寸明显变小，形态趋向球化。而对于锶变质Al-Si合金，热处理使其共晶硅明显球化。

图5  磷变质、锶变质共晶Al-Si合金热处理前后微观组织

Fig.5  Microstructures of Al-12.6Si alloys with P and Sr modification: (a) P modification before heat treatment; (b) P modification after heat treatment; (c) Sr modification before heat treatment; (d) Sr modification after heat treatment

图6所示为共晶Al-Si合金及经变质处理后的共晶Al-Si合金热处理前后线膨胀系数曲线。由图6可知，热处理对共晶Al-Si合金线膨胀系数有很大的影响，显著提高Al-Si合金的体积稳定性。Al-Si合金及磷变质、锶变质共晶Al-Si合金在热处理之前，合金的线膨胀系数在200~400 ℃之间变化很大，先急剧增大然后再急剧下降。但合金经热处理之后，其线膨胀系数在200~400 ℃之间变化很小，且比热处理前低。类似规律也出现在锶变质Al-Si合金热处理前后，如图6(b)所示。由此可以得出：热处理对Al-Si合金线膨胀系数有着显著的影响，降低合金的线膨胀系数，提高合金的稳定性。从图5中还可以看出，热处理之后的组织中共晶硅由原来的层片状变成细小的棒状或颗粒状，分布也比热处理之前更加紧密；热处理之后的共晶体对于基体的割裂已经大大减小，使得组织间的排列紧密，受热膨胀时不容易产生断裂等缺陷，可以降低材料的热膨胀系数。

图6  Al-Si合金热处理前后的线膨胀系数曲线

Fig.6  Curves of CTE for Al-Si alloys: (a) Before and after P modification; (b) Before and after Sr modification

3  结论

1) 随着硅含量的增加，Al-Si合金线膨胀系数减小，其升温过程中的稳定性越好。

2) 与锶变质Al-Si合金相比，磷变质Al-Si合金的线膨胀系数更小，升温过程中稳定性更好。

3) 热处理不仅显著提高Al-Si合金的稳定性，而且显著提高磷和锶变质处理的稳定性。

4) 硅相的形态和体积分数对Al-Si合金的线膨胀系数有着重要影响。初晶硅体积分数的增加和初晶硅的析出能够显著降低Al-Si合金的线膨胀系数，共晶硅的形态对合金线膨胀系数也有一定的影响，共晶硅为短棒状、颗粒状时(尤其经热处理后)，合金的线膨胀系数也显著降低。

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基金项目：国家自然科学基金资助项目(50171037); 山东省自然科学基金资助项目(Z2004F03)

收稿日期：2006-02-12；修订日期：2007-02-20

通讯作者：武玉英，博士研究生；电话：0531-88395414; E-mail: wyy532001@163.com

(编辑　龙怀中)