王秋平等：Mn元素对过流冷却过共晶Al-22Si-2Fe-xMn合金显微组织及耐磨性的影响 ·223· 过共晶Al-Sⅰ合金具有低的热膨胀系数，优良的 化.然后将Mn剂加入熔体，充分搅拌，保温30minm.随 耐磨损性和高硬度口，已被广泛用作汽车工业中的耐 后将质量分数为98.5%的红磷压入金属液，红磷加入 磨元件.然而，由于初生Si颗粒形态不规则，如粗大的 量为0.5%（质量分数），搅拌，保温20min后加入 多边形、星形)]，导致这类合金韧性低、延展性差限制 C,Cl。除气，扒渣.最终得到Al-22Si-2Fe-xMn熔体. 了它们的应用.相关研究表明，倾斜板处理有利于过 熔体冷却至800℃后通过过流冷却工艺浇入石墨坩埚 共晶A-Si合金中初生Si细化-).在过共晶A-Si 中，冷却、机械加工后得到尺寸为Φ20mm×30mm的 合金中添加Fe能够形成含Fe的金属间化合物，可以 圆柱试样 改善其热稳定性)].但是，含Fe金属间化合物，如8- 实验采用三种Mn/Fe的合金，A。、A、A分别代表 AL,FeSi,和B-AL,FeSi在常规铸造条件下以长针状析 Mn/Fe为0、0.52.0.7的过共晶Al-Si合金，三种合金 出，割裂合金基体，大大降低其力学性能oMn在A- 成分见表1. Si-Fe-Mn合金体系中的主要作用是中和针状富Fe 表1实验中合金化学成分 相，且能够改善过共晶A-Si合金的高温稳定性能和 Table 1 Chemical compositions of the experimental alloys 耐腐蚀性-).华中科技大学吴树森课题组[]研究了 Si质量 Fe质量Mn质量AI质量 Mn添加量对超声波处理含质量分数为2%Fe的过共 试样 Mn/Fe 分数/% 分数/% 分数/% 分数/% 晶Al-Si合金中富Fe相的影响，研究结果表明随着 Ao 22 1.93 0 余量 0 Mn添加量提高至质量分数0.8%，常规铸态过共晶 A 22 1.63 0.84 余量 0.52 Al-Si合金组织中的富Fe相由长针状或者长片状转变 22 1.80 1.36 余量 0.70 为汉字状或者颗粒状.北京科技大学Cai等[]研究了 Mn,Cr元素对喷射沉积合金含Fe过共晶Al-Si合金 1.2实验方法 显微组织的影响，结果表明Mn、Cr可以使长针状富Fe 过流冷却铸造工艺采用分段式倾斜板来完成 相转变为颗粒状富Fe相.本课题组研究了Mn对 (图1).上段倾斜板材质为45钢，下段材质为石墨. 含质量分数为2%的Fe的电磁搅拌过共晶Al-Si合金 金属液流经上段钢板后坠落至下段石墨板，获得加速 富Fe相的影响，结果表明冷却速率低时，合金中的富 度，并且石墨与铝基材料润湿性极差，从而避免其在板 Fe相主要为B相，而冷却速率高时富Fe相主要以δ 上形成凝壳层.过流冷却铸造在钢制密闭箱内进行， 相存在，说明含Fe、Mn过共晶Al-Si合金对冷却速率 通入纯度为99.9%的氩气进行保护，防止金属液在流 比较敏感.黄海军等[研究了Mn对喷射沉积含Fe 动过程中氧化.经前期实验总结，上段钢质倾斜板角 过共晶Al-Si合金中Fe相的影响，其研究结果表明当 度为30°，下段石墨质倾斜板板角度为50°，每块板有 Mn/Fe质量比值为0.83或1时，合金中的富Fe相能 效长度均为300mm时，可获得形状规则细小的初生Si 以分子式-Als(Fe,Mn),Si,形式存在 颗粒. 本文采用分段式倾斜板铸造技术制备不同Mn含 量的过共晶Al-Si合金溶液，并且在不改变Fe含量的 基础上，逐步增加Mn的含量以获得不同Mn/Fe(质 量比，下文Mn/Fe均表示质量比)的凝固组织，并系 统研究Mn/Fe提高对过共晶Al-22Si-2Fe-xMn合金 疑固组织中富F相显微形貌、种类及晶体结构的影 响，为初生Si、富Fe相形态的细化与改善提供理论 和实践依据，并分析M元素添加后对合金耐磨性的 影响. 1实验过程 1.1实验合金的配比及熔炼 采用纯Al、Si-7Fe中间合金和质量分数为75%的 Mn剂配制过共晶铝硅合金，直径为1~2cm的Si-7Fe 1一石墨坩埚：2一金属溶液：3一倾斜板：4一销：5一石墨坩埚：6一 中间合金、M剂和其他添加剂均采用铝箔包裹，压入 气体保护箱 金属液.纯A1随炉升温至850℃，全部熔化后，将Si- 图1过流冷却铸造过程示意图 7Fe中间合金分批浸入铝液，搅拌至中间合金全部熔 Fig.I Schematic of inclined cooling casting王秋平等: Mn 元素对过流冷却过共晶 Al鄄鄄22Si鄄鄄2Fe鄄鄄 xMn 合金显微组织及耐磨性的影响 过共晶 Al鄄鄄 Si 合金具有低的热膨胀系数,优良的 耐磨损性和高硬度[1] ,已被广泛用作汽车工业中的耐 磨元件. 然而,由于初生 Si 颗粒形态不规则,如粗大的 多边形、星形[2] ,导致这类合金韧性低、延展性差,限制 了它们的应用. 相关研究表明,倾斜板处理有利于过 共晶 Al鄄鄄 Si 合金中初生 Si 细化[3鄄鄄4] . 在过共晶 Al鄄鄄 Si 合金中添加 Fe 能够形成含 Fe 的金属间化合物,可以 改善其热稳定性[5] . 但是,含 Fe 金属间化合物,如 啄鄄 Al 4FeSi 2和 茁鄄Al 5 FeSi 在常规铸造条件下以长针状析 出,割裂合金基体,大大降低其力学性能[6] . Mn 在 Al鄄鄄 Si鄄鄄Fe鄄鄄Mn 合金体系中的主要作用是中和针状富 Fe 相,且能够改善过共晶 Al鄄鄄 Si 合金的高温稳定性能和 耐腐蚀性[7鄄鄄11] . 华中科技大学吴树森课题组[12]研究了 Mn 添加量对超声波处理含质量分数为 2% Fe 的过共 晶 Al鄄鄄 Si 合金中富 Fe 相的影响,研究结果表明随着 Mn 添加量提高至质量分数 0郾 8% ,常规铸态过共晶 Al鄄鄄Si 合金组织中的富 Fe 相由长针状或者长片状转变 为汉字状或者颗粒状. 北京科技大学 Cai 等[13]研究了 Mn、Cr 元素对喷射沉积合金含 Fe 过共晶 Al鄄鄄 Si 合金 显微组织的影响,结果表明 Mn、Cr 可以使长针状富 Fe 相转变为颗粒状富 Fe 相. 本课题组[14] 研究了 Mn 对 含质量分数为 2% 的 Fe 的电磁搅拌过共晶 Al鄄鄄Si 合金 富 Fe 相的影响,结果表明冷却速率低时,合金中的富 Fe 相主要为 茁 相,而冷却速率高时富 Fe 相主要以 啄 相存在,说明含 Fe、Mn 过共晶 Al鄄鄄 Si 合金对冷却速率 比较敏感. 黄海军等[15] 研究了 Mn 对喷射沉积含 Fe 过共晶 Al鄄鄄 Si 合金中 Fe 相的影响,其研究结果表明当 Mn / Fe 质量比值为 0郾 83 或 1 时,合金中的富 Fe 相能 以分子式 琢鄄Al 15 (Fe, Mn)3 Si 2形式存在. 本文采用分段式倾斜板铸造技术制备不同 Mn 含 量的过共晶 Al鄄鄄 Si 合金溶液,并且在不改变 Fe 含量的 基础上,逐步增加 Mn 的含量以获得不同 Mn / Fe( 质 量比,下文 Mn / Fe 均表示质量比) 的凝固组织,并系 统研究 Mn / Fe 提高对过共晶 Al鄄鄄22Si鄄鄄2Fe鄄鄄xMn 合金 凝固组织中富 Fe 相显微形貌、种类及晶体结构的影 响,为初生 Si、富 Fe 相形态的细化与改善提供理论 和实践依据,并分析 Mn 元素添加后对合金耐磨性的 影响. 1 实验过程 1郾 1 实验合金的配比及熔炼 采用纯 Al、Si鄄鄄7Fe 中间合金和质量分数为 75% 的 Mn 剂配制过共晶铝硅合金,直径为 1 ~ 2 cm 的 Si鄄鄄7Fe 中间合金、Mn 剂和其他添加剂均采用铝箔包裹,压入 金属液. 纯 Al 随炉升温至 850 益 ,全部熔化后,将 Si鄄鄄 7Fe 中间合金分批浸入铝液,搅拌至中间合金全部熔 化. 然后将 Mn 剂加入熔体,充分搅拌,保温30 min. 随 后将质量分数为 98郾 5% 的红磷压入金属液,红磷加入 量为 0郾 5% ( 质量分数),搅拌,保温 20 min 后加入 C2Cl 6除气,扒渣. 最终得到 Al鄄鄄22Si鄄鄄2Fe鄄鄄 xMn 熔体. 熔体冷却至 800 益后通过过流冷却工艺浇入石墨坩埚 中,冷却、机械加工后得到尺寸为 准20 mm 伊 30 mm 的 圆柱试样. 实验采用三种 Mn / Fe 的合金,A0 、A1 、A2分别代表 Mn / Fe 为 0、0郾 52、0郾 7 的过共晶 Al鄄鄄 Si 合金,三种合金 成分见表 1. 表 1 实验中合金化学成分 Table 1 Chemical compositions of the experimental alloys 试样 Si 质量 分数/ % Fe 质量 分数/ % Mn 质量 分数/ % Al 质量 分数/ % Mn / Fe A0 22 1郾 93 0 余量 0 A1 22 1郾 63 0郾 84 余量 0郾 52 A2 22 1郾 80 1郾 36 余量 0郾 70 1郾 2 实验方法 过流冷却铸造工艺采用分段式倾斜板来完成 (图 1). 上段倾斜板材质为 45 钢,下段材质为石墨. 金属液流经上段钢板后坠落至下段石墨板,获得加速 度,并且石墨与铝基材料润湿性极差,从而避免其在板 上形成凝壳层. 过流冷却铸造在钢制密闭箱内进行, 通入纯度为 99郾 9% 的氩气进行保护,防止金属液在流 动过程中氧化. 经前期实验总结,上段钢质倾斜板角 度为 30毅,下段石墨质倾斜板板角度为 50毅,每块板有 效长度均为 300 mm 时,可获得形状规则细小的初生 Si 颗粒. 1—石墨坩埚;2—金属溶液;3—倾斜板;4—销;5—石墨坩埚;6— 气体保护箱 图 1 过流冷却铸造过程示意图 Fig. 1 Schematic of inclined cooling casting ·223·