偏晶合金的制备

Al-Bi-Sn-Si-Cu偏晶合金的制备
内容摘要：通过添加形核剂有效的减小了Al91Pb9合金中第二相Pb液滴尺寸。

通过薄带连铸法，控制第二相液滴运动，实现较快的凝固速度，又可以抵消Stokes沉积作用。

通过采用各种外加场干预凝固的方法，明显的影响第二项液滴在液相分离及凝固过程的演变。

关键词：合金化、平板铸造、硬度、微观组织、偏晶合金。

前言：偏晶合金又称作难混溶合金，具有优异的自润滑、超导、电化学等性能，极具有应用价值。

但典型特点是在液态下存在一个不混溶区间，在Al-Bi二元相图[1]存在一个液相不混溶区。

两共存液相L1和L2表现出与“油-水”体系不互溶的类似现象，导致合金凝固后存在严重的偏析，甚至分层。

因难于制备，该类合金的研究和应用相对滞后。

液相分离产生的第二相的尺寸通常要大于偏晶反应所产生第二相的尺寸。

因此，控制合金熔体的液相分离过程，尤其是第二相液滴在不混溶区间的演变过程一直是难混溶合金的重点难题。

所以控制铸造技术等新工艺[2]相液滴在重力作用下的下沉运动。

根据难混溶合金液相分离的特点，人们往往更期望以最快的冷却速度跨[5]过不混溶区间以减少液相分离对凝固组织的影响，为此快速凝固技术被学者们采用。

当然，控制第二相液滴在不混溶区间的形核、运动、碰撞、凝并是直接有效的方法。

实验方法：通过添加Sn、Cu、Si元素进行复合调整Al-Bi的凝固组织和性能。

其中Sn可以降低液相分离温度和温度区间，从而减少Bi相在Al基体相中的偏
析，而Cu和Si则起到相反的作用，加剧偏析，但Cu和Si能提高基体硬度和耐磨性。

实验材料：
材料分组
材料配制重量
熔炼操作过程：
1.配置涂料，并涂刷坩埚、扒渣勺、搅拌棒，涂刷后烘干。

2.按要求配料；
3.清理模具，并将模具预热到150℃备用。

4.将坩埚放入坩埚炉，将所需纯铝锭放入坩埚。

将炉子升温到750℃，然后保
温直至铝熔化；
5.铝熔化后加入中间合金并保温，待中间合金全部熔化后适当搅拌；
6.然后加入金属Bi并将炉温升温至840℃，当炉温到达840℃后，保温10分
钟后搅拌，继续保温60分钟后快速浇注。

注：熔炼和浇注时切记引入水分，水极易导致铝水爆炸，因此操作前确保工具干燥并适当预热。

试样制备过程：
1.切割——试样高度10mm~15mm，用锉刀锉平；
2.打磨——200号砂纸——400号砂纸——600号砂纸——800号砂纸；
3.细磨：W14金相砂纸——W5金相砂纸
4.抛光——抛光机抛光（要求抛光面如镜面光亮，100倍下观察无明显划
痕）。

5.侵蚀——用下述侵蚀剂按要求时间擦拭试样，侵蚀结束后立即用酒精清洗，
然后干燥。

侵蚀合格后进行金相观察。

试样侵蚀剂：（1）Keller's试剂: 1% HF + 1.5% HCl + 2.5% HNO3 + 95% 水。

侵蚀时间：10~20s。

试样观察过程：
试样硬度测试：对试样进行布氏硬度（HBS）测试，显微观察并分别记录200倍和500倍压痕直径，计算试样的布氏硬度。

A B
C D
图: Al-Bi-Sn-Si-Cu金相组织（200倍）
A B
C D
图:Al-Bi-Sn-Si-Cu金相组织（500倍）
表：Al-Bi-Sn-Si-Cu合金硬度
实验结果讨论：由于对于不同成分条件下Al基偏晶合金的凝固过程来看[3]，两相的凝固点[2]有差别，铸锭的凝固过程将分两步进行：首先是过热熔体通过动态预冷却减少了一部分过热，使熔体从高温、单一相区进入不混溶区，液相Bi开始形核，随后不断长大，最终在基体凝固时附着于基体。

过热熔体通过不混溶区的时间应该尽可能的短，这样才能保证铸锭中的Bi相无法充分长大，后者可导致严重的比重偏析，熔体预冷却间的设计正是基于这一想法.当合金浇入铸模、并快速冷却，温高熔点的Al相发生偏晶反应，凝固析出度降至偏晶点时，固态
Al 并排出多余的Bi,此时形成的二次富Bi液相被已凝固的基体包围，而不能充分长大，所以形成许多细小的Bi相颗粒[4]。

在晶界处由于凝固最后完成，因此凝固排出的Bi最终在晶界处形成许多细小的Bi粒子在此处相对富集，本实验中采用的4种不同条件进行浇注时，所获得冷却速度不同程度的抑制第二相Bi 滴的沉淀，故获得了接近均匀的凝固组织。

结语：
硅含量影响高硅铸钢的淬火组织[6]。

硅含量适中(2.6%左右)，可以得到完全的典型的无碳化物奥一贝组织；硅含量较低时，(如1.85% )。

淬火组织为贝氏体铁素体+残余奥氏体+马氏体；硅含量较高时(3.8%左右)，淬火组织中可能出现铁素体组织。

在本试验条件下，随着硅含量的增加，高硅铸钢的抗拉强度降低、硬度值几乎不变化，而冲击韧度先逐渐提高，而后又有所下降。

合金中Si,Sn 和Pb 组元在凝固组织中存在的方式各不相同.其中，Si 主要存在于基体中，而Sn 和Pb 主要存在于Bi 相中.
参考文献
[1]Sharma A，Rajan T V.Wear，1996；197:105
[2]Prinz B ,Romero A. In: Ratke L ed, Immiscible Liquild Me tals and Organics,DGM-Informationsgesellachaft,Oberursel,Germany,19 96:299
[3]McAlister A J .Bull Alloy Phase Diagramams,1984; 15(3): 247
[4]Al-Bi偏晶合金的控制铸造技术探索张宏闻、冼爱平（中国科学院金属研究所）1999.11
[5]陈祥。

等温淬火高硅铸钢的研究。

清华大学硕士学位论文。

1999.
[6]荣守范，姚玉环等.硅及等温淬火工艺对GrMnSi钢力学性能的影响。

材料科学与工艺，1993(9):70～73。