过共晶铝硅合金铸锭初晶硅偏析原因分析
铝硅合金压铸常见问题分析
B. 用户在压铸生产过程中, 每一坩锅铝液需在浇到一定剩余量时清理锅底沉淀物及清理坩锅, 不允许在浇注过程中不断加入浇冒口、废铸件、飞边铝屑,使锅底沉淀物越积越多,最后形成呈浆糊状铝液。
C. 与生、熟原料配比比例有密切关系。
3
现象
铝液沉底物多, 呈浆糊状
原因
沉淀物已反复沉积,铝液内沉淀料太多,沉淀物合金成份发生混乱,Fe、Mn成份常超过2%以上，锰(Mn)与铁(Fe)形成(Fe.Mn)AL6 化合物。
原因
A.用户在合金精炼时除气不彻底, 模具排气溢流槽分布须合理；
B.压铸时填充速度过快。
18
现象
铸件断面有大量孔隙, 有时有大空洞,学术名称为“缩孔”
原因
A.铝合金锭熔炼温度偏高；
B.比压太低；
C.溢流槽容量太小, 溢口偏薄；
D.铸件壁厚不均匀, 有热节；
E.冒口太小;
F.压铸时铝液容量不充足。
19
C.铸造斜度放得太小；
D.顶杆位置布置不当；
E.清除浇口方法不当等。
22
现象
铸件有硬点,有时是黑色颗粒,有时是发亮晶体,精加工时打刀
原因
与沉淀物有密切联系, 解决方法参照题2、题3
23
现象
铸件喷砂处理时表面会翘皮
原因
A.铸件硬度与喷砂机拋头转速不匹配,转速太急、太猛；
B.铸件内部有气孔、缩松, 铸件体各处软硬不一致。
7
现象
铸造时, 活塞成品靠近冒口处有大量孔隙发生
原因
此乃铸造工艺、模具设计不当造成。对于活塞铸造工艺，早已形成一套完整的设计(JINGREN 法), 即鹅颈式浇口系统。根据活塞直径大小、壁厚, 按一侧或两侧,设单个或两个冒口(侧冒口)。有的生产厂家为节约铝液,只设计小浇口及小冒口, 从而形成冒口过小, 补缩不良, 产生孔隙。
？上大《ActaMater》搞清楚了！铝硅合金晶粒难以细化的根源
上大《ActaMater》搞清楚了！铝硅合金晶粒难以细化的根源导读：细晶强化可同时提高合金强度和塑性，铸铝行业通过添加细化剂来提高铸件的品质和性能已成为常规工序。
然而，传统Al-5Ti-B细化剂易被硅元素毒化，使铸造Al-Si合金难以被有效细化，这是铸铝行业的老难题。
本文采用多尺度（Å~mm）的表征及计算手段，详细研究了Al-10Si/Al-5Ti-B铸锭中形核质点与铝基体间的界面特征，考察了凝固过程中细化相组成的演变规律，提出了与传统认识不同的新机理，即硅毒化的根源是溶质Si向TiB2颗粒表层的偏聚，并非硅化物的析出与包覆。
这为解决Al-Si合金细化难的工程问题奠定了理论基础。
Al-Si系合金是种类最多、使用量最大的一类铸造铝合金，被广泛用于制造汽车车身薄壁件、发动机部件、传动系统部件、复杂外形的散热器、油路管道等。
然而，若不做任何处理，Al-Si合金中粗大的α-Al树枝晶及大量脆性Al-Si共晶组织会极大削弱合金的强度与塑性。
通过添加含有形核质点的细化剂合金来调控凝固过程中α-Al的形核与长大，细化凝固组织来提高材料强度和塑性，已成为铸铝工业中的常规工序。
然而，Al-Si系合金至今仍是一类较难被细化的铝合金。
当Si浓度大于5 wt.%时，传统Al-Ti-B细化剂的细晶效能被显著削弱，该现象为硅毒化效应（Si poisoning effect）。
60多年来，人们始终未能弄清硅毒化效应的发生根源和机理，极大制约了新型抗毒化铝硅合金细晶剂的开发，限制了铸造铝硅合金强度和塑性的进一步提升。
上海大学李谦教授团队与通用汽车中国研究院胡斌博士、燕山大学聂安民教授合作，采用球差透射电镜表征Al-10Si/Al-5Ti-B铸锭中形核质点（TiB2）和α-Al间界面的原子结构与元素分布，首次发现了Si原子在TiB2/α-Al界面的偏聚现象。
结合相图热力学计算（CALPHAD）、第一性原理计算，详细评估了形核界面处硅化物形成的可能性，并深入考察了Si偏聚对形核基底原子有序性及α-Al外延形核难易程度的影响。
过共晶Al-Si合金中球团状初生Si的形成机理
过共晶Al-Si合金中球团状初生Si的形成机理
董光明;廖恒成;孙国雄
【期刊名称】《特种铸造及有色合金》
【年(卷),期】2009(0)5
【摘要】根据杂质原子诱发共生的成对孪晶理论,变质剂原子在Si晶体内诱发的共生成对孪晶大大降低了初生Si生长时的各向异性,使得变质后的过共晶Al-Si合金中的初生Si最终生长为球团状。
Na原子吸附在共生成对孪晶间的晶格紊乱区——亚晶界,形成了初生Si内部的富Na带。
亚晶界对初生Si强度的消弱、富Na带对亚晶界强度的进一步降低、以及α(Al)、Si二相间热膨胀系数的差异造成的热应力是初生Si开裂的原因。
球团状初生Si内部的裂纹是在合金凝固结束后的固态收缩阶段形成的。
【总页数】3页(P412-414)
【关键词】过共晶Al-Si合金;球团状初生Si;共生成对孪晶
【作者】董光明;廖恒成;孙国雄
【作者单位】中国矿业大学机电工程学院;东南大学材料科学与工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TG146.21
【相关文献】
1.Mg含量对过共晶Al-Si合金中初生Mg2Si相的影响 [J], 黄治黎;王开;张志明;李波;薛寒松;杨大壮
2.铸态亚共晶Al-Si合金中初生硅的生长机制 [J], 王守仁;马茹;王英姿;王勇;杨丽颖
3.Al-Si过共晶合金中初生硅的溶解动力学 [J], 张蓉;曹秋芳;庞述先;刘林
4.Mg含量对过共晶Al-Si合金中初生Mg_2Si相的影响 [J], 黄治黎;王开;张志明;李波;薛寒松;杨大壮;
5.铸态亚共晶Al-Si合金中初生硅的生长机制（英文） [J], 王守仁;马茹;王英姿;王勇;杨丽颖
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铝合金铸锭主要缺陷特征、形成原因及防止、补救方法
铝合金铸锭主要缺陷特征、形成原因及防止、补救方法1、化学成份不合格▲缺陷特征及发现方法最终分析结果主要合金元素或杂质含量超标●形成原因1、配料中宜烧损元素取值不合适或计算有误；2、中间合金不符合标准；3、清炉、洗炉不彻底残留有上炉的铝合金及杂质；4、不同合金料相混；5、加镁后停留时间过长，并且无覆盖剂保护、使合金液氧化烧损严重；6、没有彻底搅拌，成分不均匀，导致取样不能反应出真实情况；7、炉前分析不正确。
★防止办法及补救措施1、在配料中，易烧损元素取技术标准上限或经验烧损值的上限，并经过仔细校对，；2、选用符合标准的成分分析值准确的中间合金配料；3、转炉前彻底清炉、洗炉，清洗浇包及工具；4、检查和鉴定炉前分析仪表是否有故障，如有故障，应送有关计量部门或出产厂家或其他维修站修复鉴定；5、严禁加镁后停留时间超过十分钟，并用保护性覆盖剂；6、按分析化验取样技术要求规定取样，取样前要充分搅拌合金液；7、严禁使用混装的废料和不明成份的炉料。
2、气孔▲缺陷特征及发现方法铸锭表面或内部出现的大或小的孔洞，形状比较规则；有分散的和比较集中的两类；在对铸锭作外观检查或机械加工后可发现。
●形成原因1、炉料带水气，使熔炉内水蒸气浓度增加；2、熔炉大、中修后未烘干或烘干不透；3、合金液没有覆盖保护或过热；4、熔炉、浇包工具等未烘干；5、浇注时合金液流动不连续平稳、产生涡流，卷入了气体；6、合金液精去气不充分；7、煤、煤气及油中的含水量超标。
★防止办法及补救措施1、严禁把带有水气的炉料装入炉中，装炉前要在400度左右温度下烘烤2H；2、严格按工艺对大修、中修后的炉子进行烘烤；3、熔化前按工艺要求对熔炉、浇注工具、熔剂等进行烘烧，然后才可使用；4、选用合适的精炼方法和效果好的精炼剂充分精炼合金液，精炼后加覆盖剂保护。
如果精炼后静置时间超过6H，则要进行二次精炼方可浇注或使用；5、控制浇注时液流连续均匀地浇注，未注完锭模不要中断；6、使用含水量符合要求的煤或煤气、油等燃料熔化合金液。
降低Al-Si-Mg铸造铝合金Si偏析的措施
中 图 分 类 号 ： （１６ ２ Ｔ ｝４ ． １ 文献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ ７ ５ ５ ２ ０ ）２—０ ４ １０ —７ ４ （０ ６ ０ ０ ５～０ ３
Ｍ ｅ ｓ ｒ ｍ ｅ ｏ Ｒｅ ｕ ｅ Ｓ ｅ ｒ ｇ ｔｏ ｎ ＡＩＳ － ｇ Ｃａ ｔｎ ｌ ｙ ａ ｕ ｅ ｎｔｔ ｄ ｃ ｉＳ ｇ ｅ ａ ｉ ｎ ｉ － ｉ Ｍ ｓ ｉ ｇ Ａｌｏ －
ｍｅｓ ｒｍｅ ｔ ｔ ｅ ｕ ｅＳ ｅ ｒｇ ｔ ｎ ｉ 一 ｉＭ ｇ ｃｓｉｇ ａｌｙａｅｐ ｅｅ ｔｄ． ａｕ ｅ ｎ ｓ ｏｒ ｄ ｃ ｉ ｇ ｅ ａｉ ｎＡ１ — ａ ｔ ｌ ｒ ｒｓ ｎ ｅ ｓ ｏ Ｓ ｎ ｏ
Ｋｅ ｗｏ ｄ ｙ ｒ ｓ：Ａ １Ｓ — ｇ ａｌｙ； ｉｓ ｇｒ ｇ ｔｏ Ｅｌｃ ｒ Ｉ ａ ｎｅ ｉ ｔｒ ｉ ｇ； ａ ｅ —ｏｏｉ ｇ ｃ ｓ 一 ｉＭ ｌ ｏ Ｓ ｅ ｅ ａ ｉ ｎ； ｅ ｔ ｏｎ ｇ ｔｃ ｓｉｒｎ Ｗ ｔｒｃ ｌ ａ ｔ ｎ
２ 电磁 搅 拌 对 Ｓ 偏 析 的 影 响 ｉ
常规 工艺采 用 人工搅 拌 ， 当熔 炉容 量不大 （ ２ ＜１
ｔ时 ， ） 缺点 不太 明显 ， 熔炉 容 量较 大（ －２ｔ时 ， 但 ／ ＞ １ ） 人 工 搅拌 的 缺 点就 显 现 出 来 ： １ 人 工搅 拌 劳 动 强 度 （） 大 ， 为因 素 直 接 影 响 搅 拌 效 果 ， 出现 搅 拌 不 均 人 会
合金铸造过程偏析分析
1．解释下列名词：合金，组元，相，相图；固溶体，金属间化合物，机械混合物；枝晶偏析，比重偏析；固溶强化，弥散强化。
答：合金：通过熔炼，烧结或其它方法，将一种金属元素同一种或几种其它元素结合在一起所形成的具有金属特性的新物质，称为合金。
组元：组成合金的最基本的、独立的物质称为组元。
相：在金属或合金中，凡成分相同、结构相同并与其它部分有界面分开的均匀组成部分，均称之为相。
相图：用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解称为相图。
固溶体：合金的组元之间以不同的比例混合，混合后形成的固相的晶格结构与组成合金的某一组元的相同，这种相称为固溶体。
金属间化合物：合金的组元间发生相互作用形成的一种具有金属性质的新相，称为金属间化合物。
它的晶体结构不同于任一组元，用分子式来表示其组成。
机械混合物：合金的组织由不同的相以不同的比例机械的混合在一起，称机械混合物。
枝晶偏析：实际生产中，合金冷却速度快，原子扩散不充分，使得先结晶出来的固溶体合金含高熔点组元较多，后结晶含低熔点组元较多，这种在晶粒内化学成分不均匀的现象称为枝晶偏析。
比重偏析：比重偏析是由组成相与溶液之间的密度差别所引起的。
如果先共晶相与溶液之间的密度差别较大，则在缓慢冷却条件下凝固时，先共晶相便会在液体中上浮或下沉，从而导致结晶后铸件上下部分的化学成分不一致，产生比重偏析。
固溶强化：通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。
弥散强化：合金中以固溶体为主再有适量的金属间化合物弥散分布，会提高合金的强度、硬度及耐磨性，这种强化方式为弥散强化。
2．指出下列名词的主要区别：1）置换固溶体与间隙固溶体；答：置换固溶体：溶质原子代替溶剂晶格结点上的一部分原子而组成的固溶体称置换固溶体。
间隙固溶体：溶质原子填充在溶剂晶格的间隙中形成的固溶体，即间隙固溶体。
2）相组成物与组织组成物；相组成物：合金的基本组成相。
组织组成物：合金显微组织中的独立组成部分。
铝合金偏析
铝合金偏析铝合金偏析是指在铝合金中，铝中的成分分布不均匀现象。
铝合金是一种重要的结构材料，具有轻、强、耐蚀、导热性好等优点，广泛应用于航空航天、汽车制造、建筑等领域。
然而，铝合金的偏析现象对其性能和应用带来了严重的影响。
铝合金偏析可分为成分偏析和析出相偏析两种情况。
成分偏析是指合金中某些元素在凝固过程中的分布不均匀，导致合金中的成分含量出现变化。
析出相偏析是指在合金中形成的析出相在凝固过程中分布不均匀，造成合金组织的不均匀性。
成分偏析主要涉及合金中的铜、锌等元素。
在铝合金中，这些元素的偏析现象会导致合金中的晶粒和晶界的成分差异。
具体来说，凝固过程中，铜、锌等元素由于各种原因（比如固溶度、表面张力等）倾向于富集在晶粒边界，使晶粒边界的成分含量高于晶粒内部。
这种成分偏析严重影响了铝合金的综合性能。
首先是力学性能方面，晶粒边界富裕的铜、锌会降低合金的延展性和韧性，使其易于出现脆断现象；其次，成分偏析还会导致晶界腐蚀和晶界腐蚀裂纹的产生，并加剧合金的腐蚀敏感性。
析出相偏析主要涉及合金中形成的各种化合物或表面沉淀物。
在凝固过程中，某些金属元素对应的析出相在合金中的分布会出现不均匀的现象。
例如，在含硅铝合金中，硅存在于合金中的形式是硅铝化合物。
这种硅铝化合物大多以颗粒状或板状的形式分布在铝合金中，而且在凝固过程中这些硅铝化合物往往倾向于集中在一些特定位置，导致该区域的硅含量大大超过平均值。
这种硅含量的偏高会影响铝合金的力学性能和耐腐蚀性能。
此外，其他一些金属元素也可能在固溶度不同的情况下形成不均匀的析出相，进而对铝合金的性能产生影响。
铝合金偏析的产生原因涉及多个方面。
首先是凝固速度的不同。
凝固速度快的区域，由于晶体生长速度较快，成分偏析程度较低。
而凝固速度慢的区域，相对来说晶体生长速度较慢，成分偏析程度较高。
其次，合金中各元素的固溶度差异也是造成成分偏析的重要原因。
合金中比较难溶解的元素往往在凝固过程中首先析出，并富集在晶粒边界上。
《挤压铸造条件下过共晶Al-Si合金凝固组织及性能调控研究》
《挤压铸造条件下过共晶Al-Si合金凝固组织及性能调控研究》一、引言挤压铸造作为一种重要的金属成形工艺，对于合金材料的性能提升具有重要意义。
在过共晶Al-Si合金中，由于硅相与铝基体的共晶反应，其凝固组织与性能调控显得尤为关键。
本文以挤压铸造条件下的过共晶Al-Si合金为研究对象，探讨其凝固组织的形成过程及其性能的调控方法。
二、材料与方法1. 材料准备实验选用的Al-Si合金为过共晶成分，主要原料包括纯铝、纯硅及其他合金元素。
按照一定比例混合后，进行熔炼和精炼处理，以获得纯净的合金液。
2. 挤压铸造工艺挤压铸造过程中，采用模具对合金液施加一定的压力，使其在模具内快速凝固。
实验中，通过调整压力、温度等参数，探究不同工艺条件对合金凝固组织及性能的影响。
3. 性能测试与组织观察采用金相显微镜、扫描电子显微镜等设备对合金的凝固组织进行观察。
同时，通过硬度计、拉伸试验机等设备对合金的力学性能进行测试。
三、实验结果与分析1. 凝固组织观察在挤压铸造条件下，过共晶Al-Si合金的凝固组织主要由初生硅相、共晶硅相及铝基体组成。
随着压力的增加，初生硅相的尺寸逐渐减小，共晶硅相的分布更加均匀。
此外，合金中还可能存在一定量的杂质相和孔洞等缺陷。
2. 性能调控方法（1）合金成分调控：通过调整Al-Si合金中的Si含量及其他合金元素的比例，可以改变凝固组织的形态和性能。
例如，增加Si含量可以提高合金的硬度，但过多会导致脆性增加。
（2）挤压铸造工艺优化：调整挤压铸造过程中的压力、温度等参数，可以影响合金的凝固过程和性能。
适当的压力可以促进合金的致密化，提高力学性能；而温度则影响合金的流动性及凝固速率。
（3）热处理工艺：对挤压铸造后的合金进行适当的热处理，如退火、淬火等，可以消除内应力、改善组织结构、提高性能。
四、结论本文研究了挤压铸造条件下过共晶Al-Si合金的凝固组织及性能调控方法。
实验结果表明，通过调整合金成分、优化挤压铸造工艺及采用热处理工艺，可以有效地改善合金的凝固组织及性能。
铝合金压铸件的缺陷分析
▪ 因为这样的生产工艺极为复杂，目前 在国内的一些压铸企业中已有较多的采用 了自动化，无论是人工操作还是自动操作， 在生产中都有可能出现一些影响产品品质 的问题，下面将压铸件的一些常见的缺陷 问题向大家描述：希望在以后的工作中对 各位有所帮助
3.提高压射速度，同时加 大内浇口截面积
而狭长，有时交接 边缘光滑，在外力 作用下有发展的可
3.选择合金不当，流动性差 4.浇道位置不当或流道过长
4.改善排气，填充条件 5.正确选择合金，提高合
能
5.填充速度低
金流动性
6.压射比压低
常见外观缺陷分析-拉伤
缺陷名 称
特征及检查方法
产生的原因
防止方法
4.模具强度不够造成变形 束时间系统，可实现无飞
5.镶块、滑块磨损与分型面 边压铸
不平齐
常见外观缺陷：变色、斑点
缺陷名 称
特征及检查方法
产生的原因
防止方法
变色、 斑点
外观检查：铸件表 面上呈现出不同于 基本金属颜色的斑
1.不合适的脱模剂 2.脱模具用量过多 3.含有石墨的润滑剂中的石
1.更换优质脱模剂 2.严格喷涂量及喷涂操作
产生的原因
防止方法
1.铸件在凝固过程中，因产生收 1.降低浇注温度，减少收
缩而得不到金属液的补尝而造成 缩量
孔穴
解剖后检查或探 2.浇注温度过高，模具温度场分
伤检查：孔洞形 布不合理
缩孔、状不规则、不光 缩松 滑、表面呈暗色
（大而集中为缩
孔，小而分散为
3.压射比压低
过共晶铝硅合金的生产及其应用
过共晶铝硅合金的生产及其应用
蔡宗德;张连芳;孙建荣
【期刊名称】《特种铸造及有色合金》
【年(卷),期】1990()4
【摘要】论述了过共晶铝硅含金的成分,性能及其应用,为设计者选用、铸造者生产及该合金的推广应用提供一定的依据。
【总页数】4页(P37-39)
【关键词】活塞合金;应用;生产
【作者】蔡宗德;张连芳;孙建荣
【作者单位】合肥工业大学
【正文语种】中文
【中图分类】TG292
【相关文献】
1.过共晶铝硅合金中初晶硅复合异质形核的研究 [J], 王海生;张英;易丹青;刘会群;王斌
2.亚共晶铝硅铜镁铸造合金共晶硅相在固溶处理过程中形貌变化的定量金相分析[J], 李荣德;于海朋
3.过共晶铝硅合金铸锭初晶硅偏析原因分析 [J], 李彦霞;蔡菊;张兴华;
4.过共晶铝硅合金铸锭初晶硅偏析原因分析 [J], 李彦霞;蔡菊;张兴华
5.过共晶铝硅合金中铝硅共晶相取向关系 [J], 曾斌;刘奇元
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
铸造共晶铝硅合金中析出相对断裂行为的影响
［12 ］ 中析出 ， 析出方式主要有以富铁相为核心析出和 ［13 ］ 以（ Al + Al2 Cu ） 共晶形式析出两种 ． 相比而言，
［2 ］
在坩埚底部铺撒一层熔剂， 熔剂上方堆放预热 -7. 5 -10A 型电阻 将坩埚放入 SG2 到 200 ℃ 的铝块， 炉中进行合金熔炼， 熔炼温度控制在 800 ℃ ． 当铝 块开始熔化时， 用钟罩将中间合金依次压入； 等合金 -P 变质处理； 降温到 760 ℃ 熔化完全后对熔体进行 Al后用干燥的氩气对熔体进行精炼除气； 精炼后静置 10 ～ 15 min， 等待炉温降到 710 ～ 720 ℃ 时清除浮渣， 将熔体快速平稳地浇入预热到 165 ～ 175 ℃ 的金属 模具中． 1. 3 组织性能观测 浇 铸 的 拉 伸 试 样 尺 寸 按 照 GB / T228 —2002 （ ISO6892 ： 1998 ） 要求进行设计， 标距直径 10. 0 mm， 平行长度 d0 = 50. 0 mm. 拉伸试样从铸件中直接切 表面不再进行任何加工处理． 试样在 510 ± 5 ℃ 下， 固溶 6 h 后室温水淬， 然后在 160 ± 5 ℃ 时效 8 h. 用 -3000 型布氏硬度测量仪测量合金硬度； 压头 XHB 直径为 5. 0 mm， 施加载荷为 750 N， 在 CMT4105 拉伸 试验机上进行拉伸性能测试， 加载速率为 1. 0 mm· －1 min ， 截取拉伸试样断口部位进行显微组织观察． 试样 经 机 械 研 磨 抛 光 后 用 Keller 溶 液 （ 1% HF + 1. 5% HCl + 2. 5% HNO3 + 95% H2 O， 质量分数 ） 侵 蚀． 用 ZEISS SUPRA55 扫描电镜和 Leica 光学显微 镜观 察 拉 伸 断 口、 析 出 相 的 形 貌 及 分 布； 用 JEM2100 透射电镜（ TEM） 对析出相进行结构分析．
Cu_对Al-50%Si_合金法提纯太阳能级多晶硅过程中初晶硅Al_含量影响研究
第52卷第9期2023年9月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS Vol.52㊀No.9September,2023Cu 对Al-50%Si 合金法提纯太阳能级多晶硅过程中初晶硅Al 含量影响研究陈文雨,刘家旭,刘嘉霖,陈嘉慧,张银涛,唐㊀洪,赵紫薇,高忙忙(宁夏大学材料与新能源学院,宁夏光伏材料重点实验室,银川㊀750021)摘要:Al-Si 合金法提纯具有生产成本低㊁除杂效率高㊁副产物单一等特点,是一种极具潜力的太阳能级多晶硅原料的制备方法㊂在该工艺路线中,Al 作为溶剂不可避免地会对Si 产生污染,如何降低初晶硅中Al 的含量是亟需解决的问题之一㊂本文通过向Al-50%Si 合金中加入Cu,分析Cu 对合金溶液热力学性能的影响,结合Cu 的存在方式,探讨Cu 对Al 污染的抑制作用㊂结果表明:在Al-50%Si 合金中添加10%(质量分数)Cu 后,合金中Al 的活度系数降低至0.7148;初晶硅中Al 的含量从250.960mg /kg 降低到181.637mg /kg,比未添加Cu 时减少了27.62%,同时,Cu 在初晶硅中的残留仅为12.6mg /kg,低于Cu 在Si 中的固溶度㊂可见,在Al-Si 合金中引入Cu 并未对初晶硅造成二次污染㊂因此,采用Al-Si-Cu 三元合金体系进行提纯制备太阳能级多晶硅能够有效抑制Al 对初晶硅的污染㊂关键词:Al-Si 合金;Cu;Al 含量;活度系数;Al 2Cu;初晶硅中图分类号:O782;TQ127.2㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1000-985X (2023)09-1660-08Effect of Cu on the Al Content of Primary Silicon During the Purification of Solar-Grade Polysilicon by Al-50%Si Alloy MethodCHEN Wenyu ,LIU Jiaxu ,LIU Jialin ,CHEN Jiahui ,ZHANG Yintao ,TANG Hong ,ZHAO Ziwei ,GAO Mangmang(Key Laboratory of Ningxia of Photovoltaic Materials,School of Materials and New Energy,Ningxia University,Yinchuan 750021,China)Abstract :Al-Si alloy purification method is an up-and-coming method for the preparation of solar-grade polysilicon raw materials because of its low production cost,high removal efficiency and single by-product.In this process,Al as a solvent will inevitably contaminate Si,and how to reduce the content of Al in primary silicon is one of the urgent problems to be solved.In this paper,a small amount of Cu was added to Al-50%Si alloy,the effect of Cu on the thermomechanical properties of the alloy solution was analyzed,and the inhibitory effect of Cu on Al contamination in combination with the existing form of Cu was explored.The results show that the activity coefficient of Al in the alloy reduces to 0.7148with 10%(mass fraction)Cu addition.The content of Al in the primary silicon reduces from 250.960mg /kg to 181.637mg /kg,which is 27.62%less than that without the addition of Cu.Meanwhile,the residual Cu in primary silicon is only 12.6mg /kg,which is lower than the solid solution of Cu in Si.The introduction of Cu into the Al-Si alloy does not cause secondary contamination of the primary silicon.Therefore,using Al-Si-Cu ternary alloy system for purification to prepare solar-grade polysilicon can effectively suppress Al contamination of primary silicon.Key words :Al-Si alloy;Cu;Al content;activity coefficient;Al 2Cu;primary silicon㊀㊀收稿日期:2023-03-19㊀㊀基金项目:国家自然科学基金(52164047);宁夏自然科学基金(2021AAC03064);中国科学院 西部之光 人才培养计划(XAB2022YW10)㊀㊀作者简介:陈文雨(1997 ),男,江西省人,硕士研究生㊂E-mail:chenwenyu2021@ ㊀㊀通信作者:高忙忙,博士,研究员㊂E-mail:gaomm@0㊀引㊀㊀言近年来,随着光伏产业迅猛发展,对于太阳能级高纯多晶硅原料(6N ~7N)的需求持续增加㊂目前,太㊀第9期陈文雨等:Cu 对Al-50%Si 合金法提纯太阳能级多晶硅过程中初晶硅Al 含量影响研究1661㊀阳能级多晶硅的主流生产方法为改良西门子法和流化床法[1],然而高能耗和高环保成本导致高纯多晶硅原料成本居高不下㊂因此,急需开发一种成本低廉的高纯多晶硅制备方法㊂溶剂合金精炼法[2-3]由于具有低成本㊁绿色环保的特点,得到了研究者的广泛关注㊂该技术利用杂质原子在固相硅和熔体之间的分凝行为对工业硅进行提纯㊂在合金法提纯工艺中,要求溶剂具有低熔点㊁低分凝系数㊁与杂质亲和力强的特点,目前已开发出多种合金提纯体系,如:Si-Cu [4-5]㊁Si-Ni [6]㊁Si-Fe [7]㊁Si-Ca [8]㊁Si-Sn [9]㊁Al-Si [10-11]等㊂其中,由Obinata 等[12]提出的Al-Si 合金是研究最为广泛㊁技术最为成熟的合金提纯体系㊂在该合金提纯过程中,不生成复杂的中间相,并且仅产生一种副产物(铝硅合金),可作为航天航空和汽车产业的原材料,因此,提纯工艺相对简单,并已实现了小规模的商业化生产㊂在提纯效果方面,Morita 等[13]研究发现,Al-Si 体系中绝大多数杂质分凝系数都会降低一个或几个数量级,并且杂质的分凝系数随着温度的降低而减小,具有较好的杂质去除效果㊂与Si-Cu 及其他合金法相比,Al-Si 合金法具有更低的提纯温度,初晶硅中的杂质含量更低㊂然而,通过Al-Si 合金提纯制备的多晶硅中P㊁B 和Al 的含量并未达到太阳能级多晶硅的要求,需要进一步去除㊂目前在P 和B 杂质的去除方面已有大量研究,提出了多种提高P 和B 杂质去除效果的合金体系,如Al-Si-Ti [14]㊁Al-Si-V [15]㊁Al-Si-Hf [16]㊁Al-Si-Ca [17]㊁Al-Si-Sr [18]等㊂但作为溶剂的Al,在初晶硅晶粒生长过程中会以夹杂[19-20]㊁化合物[21]和固溶体[22]的形式对硅晶粒造成污染,导致提纯后初晶硅中Al 的含量过高㊂因此,如何降低提纯后硅中的Al 含量,也是Al-Si 合金提纯技术亟需解决的问题之一㊂Yoshikawa 和Morita [23]提出在加热过程中用电磁力将提纯的多晶硅从Al-Si 熔体中分离出来㊂这种方法增强了合金凝固过程中熔体的对流,使析出的初晶硅富集在铸锭的下部,而富Al 层和共晶硅富集在铸锭的上部,实现了初晶硅从熔体中的分离,减少了初晶硅中的Al 夹杂㊂Lv 等[24]提出利用超重力将多晶硅从Al-Si 熔体中分离出来,但超重力法分离的设备较复杂,通过此方法无法进行大规模的生产㊂此外,Nishi 等[25]利用定向凝固与电阻加热,Li 等[26]使用改良的Czochralski 方法都能够有效减少初晶硅中的Al 夹杂㊂这些方法多以降低Al 的夹杂来减少初晶硅中的Al 含量㊂但由于Al 在Si 中的固溶度较大(1326K,约260mg /kg [27]),通过这些方法提纯的初晶硅中Al 含量依然很高,无法从本质上降低初晶硅中的Al 含量㊂Olesinski 等[28]研究表明,Al 与Cu 之间有很强的亲和力,Cu 可以减小Al 在Al-Si 合金熔体中的活度系数[29],因此,在Al-Si 体系中引入Cu 形成Al-Si-Cu 三元合金提纯体系,有可能从本征上降低Al 在初晶硅的固溶度,从而抑制Al 对初晶硅的 污染 ㊂本文在前期研究基础之上,在Al-50%Si(质量分数)合金体系[30]中引入不同含量的Cu 形成三元合金㊂首先,通过热力学计算分析Cu 对Al-Si 合金中Al 活度系数的影响;其次,分析不同三元合金成分提纯后的形貌和初晶硅中Al㊁Cu 杂质的含量;最后,归纳出Cu 在抑制Al-Si 合金提纯过程中Al 污染的作用㊂1㊀实㊀㊀验将工业硅(纯度99.9%)㊁铝粉(纯度99.8%)和铜粉(纯度99%)按照AlʒSiʒCu =50-x ʒ50ʒx (其中x =0㊁5㊁10,本文简化为Al-50Si㊁Al-50Si-5Cu 和Al-50Si-10Cu)的成分比例配成40g 的Al-Si-x %Cu(质量分数)的混合物㊂将混合原料装入刚玉坩埚后,放入高温真空管式炉(GSL-1600X,合肥科晶)加热至1450ħ保温3h,图1㊀合金凝固过程示意图Fig.1㊀Diagram of alloy solidification process 使合金充分熔化,加热熔化过程在Ar-4%H 2的气氛保护下进行,升温速率为6ħ/min㊂以4ħ/min 的冷却速率降温至900ħ保温2h,进行孕育处理以增加初晶硅的形核率[31]㊂接下来再以3ħ/min 的冷却速率降温至600ħ保温2h,使初晶硅充分析出㊂最后试样随炉冷却至室温㊂加热冷却曲线如图1所示㊂获得的不同成分合金铸锭首先用金刚石线切割机(STX-603,沈阳科晶)切割成两半㊂一半合金铸锭用于形貌分析:首先将试样进行研磨㊁抛光处理,用浓度为1%的氢氧化钠溶液进行腐蚀后,采用金相显微镜(ZMM-500,上海宙山精密光学)进行形貌分析;其次,1662㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷采用配有能谱仪的扫描电子显微镜(SEM-EDS)分析铸锭的显微形貌和元素分布㊂另一半合金铸锭采用颚式破碎机(MSK-SFM-ALO,合肥科晶)进行破碎,用于酸洗提纯㊂酸洗工艺为:首先用2mol /L 的HCl 溶液浸泡5h,接下来用2mol /L 的HNO 3溶液浸泡5h,然后用王水浸泡6h,最后用10%HF +20%CH 3COOH 的混酸溶液浸泡3h㊂在酸洗工艺中,将第一步酸洗后的硅进行筛分,以分离初晶硅和共晶硅㊂为了进一步精确表征初晶硅的含量,本文将初晶硅的尺寸定义为大于300μm 以上㊂在上述酸洗过程中,将经过HCl 溶液酸洗后获得的初晶硅用玛瑙钵研磨成细粉后再通过后续的酸洗处理,以充分去除初晶硅晶粒中的Al 夹杂㊂将经过酸洗得到的初晶硅消解后,定容成50mL 澄清透明的溶液,用于电感耦合等离子体发色光谱仪(ICP-OES)测定初晶硅中的杂质含量㊂2㊀结㊀㊀果2.1㊀Cu 对Al-Si 合金热力学参数的影响为了分析Cu 与Al-Si 合金的相互作用关系,采用热力学计算分析Cu 对合金溶液活度系数的影响㊂为了简化合金溶液热力学性质与合金组成的关系,将Al-Si 二元合金溶液看作规则溶液㊂利用Redlich-Kister 型规则溶液模型,可得到Al-Si 二元合金体系的过量吉布斯自由能[32]㊂对于Al-Si-Cu 三元规则溶液模型,体系的过量吉布斯自由能可表示为Al-Si㊁Cu-Si㊁Al-Cu 三部分的相互作用之和,即ΔG ex =ðj i =0Ωi Si-Al (X Al -X Si )iX Si X Al +ðj i =0Ωi Al-Cu (X Cu -X Al )i X Cu X Al +ðj i =0Ωi Cu-Si (X Si -X Cu )i X Si X Cu (1)式中:ΔG ex 为体系的过量吉布斯自由能,Ωi Si-Al ㊁Ωi Cu-Si ㊁Ωi Al-Cu 分别为Al-Si㊁Cu-Si㊁Al-Cu 二元合金的i 阶热力学特性参数,X Al ㊁X Si ㊁X Cu 分别为组分Al㊁Si㊁Cu 的摩尔分数㊂体系中Al 元素的过量吉布斯自由能可以表示为G ex Al =RT ln γAl =ΔG ex -X Si ∂(ΔG ex )∂X Si []-X Cu ∂(ΔG ex )∂X Cu [](2)式中:R 为理想气体常数,T 为热力学温度,γAl 为元素Al 在合金溶液中的活度系数㊂利用偏摩尔集合公式,体系的过量吉布斯自由能又可表示为ΔG ex =ðX B ∂(ΔG ex )∂X B [](3)式中:B =Al㊁Si㊁Cu㊂由式(1)㊁(2)㊁(3)可以得到合金溶液中Al 的活度系数γAl 的计算公式为γAl =exp {[ðj i =0Ωi Al-Cu (X Cu -X Al )i X Cu X Al -ðj i =0Ωi Al-Cu i (X Cu -X Al )i -1X Cu X 2Al +ðj i =0Ωi Si-Al (X Al -X Si )i X Si X Al +ðj j =0Ωi Si-Al i (X Al -X Si )i -1X Si X 2Al ]/RT }(4)由于三元合金体系中,Cu 的含量相对较少,因此在进行计算时,忽略Cu 对体系熔点的影响,所有组分均在Al-50Si 合金熔点(1326K)处进行计算㊂将二元合金溶液Al-Cu [33]㊁Si-Al [34]㊁Si-Cu [35]的热力学特性参数,以及组元的摩尔分数带入公式(4),得到Cu 含量为0%㊁5%㊁10%的γAl ,如表1所示㊂表1㊀Al 活度系数随Cu 含量的变化情况Table 1㊀Variation of Al activity coefficient with Cu contentSample 0%Cu 5%Cu 10%Cu γAl 0.74450.72840.7148从表中可以看出,在Al-Si-Cu 三元合金熔体中,随着Cu 含量从0%增加到10%,熔体的γAl 从0.7445逐渐降低到0.7148,表明Cu 的加入可以有效降低Al-Si-Cu 三元合金熔体的γAl ㊂这一结果与Yoshikawa 等[29]研究的结果一致,可以推断出随着Al-Si-Cu 合金熔体中Al 活度系数的减小,Al 在Si 中的固溶度降低㊂因此,引入Cu 可以降低从本质上初晶硅中的Al 含量㊂㊀第9期陈文雨等:Cu 对Al-50%Si 合金法提纯太阳能级多晶硅过程中初晶硅Al 含量影响研究1663㊀2.2㊀Cu 对不同合金显微形貌和杂质含量的影响图2(a)~(c)分别为Al-50Si 合金㊁Al-50Si-5Cu 合金㊁Al-50Si-10Cu 合金铸锭的金相图㊂从图2(a)中可以看出,在Al-50Si 合金铸锭凝固后,形成了板条状的初晶硅与细针状的共晶硅,这是典型的过共晶合金凝固组织形貌㊂在合金中加入Cu 后,显微组织中出现了呈红色和褐色的第三相(见图2(b)与2(c)),经推断,该相可能为富Cu 相㊂随合金中Cu 含量的增多,富Cu 相的含量有增加的趋势㊂图2㊀Al-Si-Cu 合金的金相图Fig.2㊀Metallographs of Al-Si-Cualloys 图3㊀含Cu 相的显微形貌(a)㊁(b)和EDS 图(c)Fig.3㊀Microstructure (a),(b)and EDS (c)of Cu-containing phase 为了进一步对富Cu 相进行表征,采用SEM-EDS对该相的元素组成进行分析㊂图3(a)为成分为Al-50Si-10Cu 合金中富Cu 相组织显微形貌㊂从图中可以看出,富Cu 相呈不规则的块状形貌,并且均匀分布在Al-Si 共晶基体中,其尺寸约在10~50μm,结合图2(c)可以得出,富Cu 相具有聚集生长的特征㊂图3(b)为富Cu 相放大后的显微形貌(所选区域如图3(a)中所示),可以看到,部分富Cu 相具有枝晶生长的特征㊂进一步对其成分进行EDS 分析(见图3(c)),可以看到在富Cu 相中主要存在Al 和Cu 两种元素,Si元素的含量非常少,可能是由于检测误差㊂由能谱分析结果可知,Al 原子与Cu 原子的占比分别为62.04%和37.09%,可以得出Al 和Cu 的原子比为1.67,接近Al 2Cu 的原子比㊂因此,推断在合金中加入Cu 后生成了Al 2Cu 化合物㊂为了进一步分析Al 2Cu 相的凝固行为,本文用JmatPro 软件分析了Al-50Si-10Cu 三元合金的凝固过程(见图4(a))㊂从图中可以看出,在合金凝固过程中,初晶硅在1376K 处开始析出,共晶硅在温度降至Al-Si 合金共晶点818K 时开始析出㊂当温度降至798K 时,Al 2Cu 相开始形成,结合合金铸锭的加热冷却曲线可知,Al 2Cu 相是在合金炉冷阶段形成的,如图1虚线框所示㊂由于Al 2Cu 相的生长温度(798K)低于Al-Si 合金的共晶温度(818K),因此,当Al 2Cu 相形成时,初晶硅相的生长已经完成,这表明Al 2Cu 相没有参与初晶1664㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷硅的生长过程,不会以化合物的形式对初晶硅带来Al 污染或Cu 污染㊂图4(b)为Al-Cu 二元合金相图[36],从图中可以看到,当Cu 含量低于10%时,Al-Cu 合金的共晶温度约为815K,并且形成的Al-Cu 金属间化合物是Al 2Cu,与JmatPro 模拟的Al-50Si-10Cu 三元合金凝固相图的结果一致㊂图4㊀Al-50Si-10Cu 合金的凝固模拟相图(a)和Al-Cu 二元合金相图(b)[36]Fig.4㊀Simulated phase diagram of solidification of Al-50Si-10Cu alloy (a)and phase diagram of Al-Cu binary alloy (b)[36]图5(a)为不同成分Al-Si 合金提纯后初晶硅中Al 的含量(图中阴影部分(阴影表示的是一个区域,不是一个值,把固溶度标在图上)表示初晶硅中Al 的含量低于Al 在Si 中的固溶度(约为260mg /kg,1326K [27]))㊂从图中可以看出,在未添加Cu 的合金(即Al-50Si)提纯后初晶硅中Al 的含量为250.960mg /kg,这一结果与Al 在固体Si 中的固溶度相当,表明采用本文中所述的提纯和酸洗工艺获得的初晶硅中没有出现明显的Al 夹杂㊂在合金中加入Cu 后,初晶硅中Al 的含量进一步下降,当Cu 的添加量为10%时,初晶硅中Al 的含量降低到181.637mg /kg,这一结果远低于Al 在初晶硅中的固溶度,表明在Al-Si 合金中加入Cu 形成Al-Si-Cu 三元合金,能够从本征上降低初晶硅中Al 的含量㊂同时还可以看到,采用本文中的提纯和酸洗工艺制备的初晶硅中Al 的含量均远低于文献所报道的Al 的含量[10,37-38]㊂图5(b)为不同合金成分铸锭提纯后初晶硅的Cu 含量㊂从图中可以看出:在未加入Cu 时,提纯后初晶硅中Cu 的含量仅为0.8656mg /kg;在合金中加入Cu 后,初晶硅Cu 的含量急剧增加,当加入10%Cu 时,提纯后初晶硅中Cu 的含量增加为12.6328mg /kg,这一结果低于Cu 在Si 中的固溶度(18mg /kg,1326K)[39]㊂可见,Cu 的加入增加了提纯后初晶硅中Cu 的含量㊂Cu 具有较小的分凝系数,在后续采用定向凝固过程中较易去除,不会造成明显的 二次污染㊂图5㊀初晶硅中的Al 含量(a)和Cu 含量(b)Fig.5㊀Al content (a)and Cu content (b)in primary silicon 3㊀讨㊀㊀论对于Al-Si 合金提纯体系,降低初晶硅中Al 的含量是急需解决的关键问题之一㊂研究表明,较高的Al㊀第9期陈文雨等:Cu对Al-50%Si合金法提纯太阳能级多晶硅过程中初晶硅Al含量影响研究1665㊀含量主要来源以下两个方面:一是Al在Si中的固溶度较大(260mg/kg,1326K[27]),在合金凝固过程中固溶在Si中的Al原子较多㊂二是与初晶硅晶粒的生长方式有关㊂一般来说,Al-Si过共晶合金凝固过程中,优先析出的初晶硅以孪晶凹角(TPRE)和层状机制进行生长[40-41],初晶硅晶粒在[001]方向上呈现平行生长的孪晶形态,在两个孪晶晶粒之间较易形成富Al层,从而引起Al原子夹杂(见图6),这一部分富Al层在酸洗过程中不易被完全除去,导致初晶硅中Al的含量远高于Al在Si中的固溶度㊂因此,采用传统的提纯工艺获得的初晶硅中Al的含量较高,如图5(a)中所示㊂为了降低初晶硅中的Al含量,本文针对初晶硅中Al的两个主要来源,一方面采用优化的酸洗工艺,即在第一步酸洗后将获得的初晶硅进行细化处理(如1实验部分中所示),使孪生初晶硅晶粒间的富Al层充分暴露,从而在后续的酸洗过程中加以去除,降低由Al夹杂引起的Al污染㊂另一方面,为了从本征上降低Al在Si中的固溶度,通过在Al-Si合金中加入Cu,降低合金的活度系数,从而降低Al在Si中的固溶度㊂从图5(a)中可以看出,在合金中加入Cu后,初晶硅中的Al含量下降至260mg/kg以下㊂这一结果表明,在合金中加入Cu后,有效降低了Al在Si中的固溶度,这是抑制初晶硅Al污染的一条行之有效的思路㊂图6㊀Al-50Si-10Cu合金铸锭的元素分布Fig.6㊀Elemental distribution of Al-50Si-10Cu alloy ingots本文的研究结果表明,在合金中加入Cu后会生成Al2Cu相,该相为金属间化合物,若在凝固过程中被初晶硅晶粒 包裹 ,则会对初晶硅带来金属杂质的污染㊂从合金的凝固过程分析可知,Al2Cu相的生成温度低于初晶硅晶粒的形成温度,因此,不会出现该金属间化合物的污染,初晶硅中Cu杂质的含量也有力地证明了这一结论,即在合金中加入Cu后未对初晶硅带来Cu杂质的 二次污染 ㊂同时,在实验中未发现Si-Cu相关化合物的生成,即采用Al-Si-Cu三元合金体系提纯时,没有出现Si原子的额外消耗,也就是说不会影响初晶硅的收率,这一结论更加有利于Al-Si-Cu三元合金体系的实用化㊂通过以上分析可知:在Al-Si合金中加入Cu能够有效降低Al在Si中的固溶度,从而从本征上抑制Al 对初晶硅的污染;同时,采用优化的酸洗工艺,可以去除由初晶硅晶粒生长方式造成的Al夹杂㊂因此,采用Al-Si-Cu三元合金提纯体系和优化的酸洗工艺是抑制初晶硅中Al污染的有效途径㊂4㊀结㊀㊀论本文采用Al-Si-Cu三元合金提纯体系,计算了合金的热力学参数,分析了合金的凝固过程及初晶硅的杂质含量,获得以下结论:1)Cu的加入可以降低Al在合金熔体中的活度系数,Al的活度系数从0.7445降低至0.7148,从而减小了Al在Si中的固溶度,从本质上降低了初晶硅中的Al含量㊂2)Al-Si-Cu合金凝固过程中,生成了Al2Cu金属间化合物,该化合物的形成温度为798K,低于Al-Si合金的共晶温度,未参与初晶硅晶粒的生长过程㊂3)采用Al-50Si-10Cu合金提纯后,初晶硅中Al的含量为181.6mg/kg,远低于Al在Si中的固溶度;同时,Cu的含量仅为12.6mg/kg,未对初晶硅造成 二次污染 ㊂4)采用Al-Si-Cu三元合金提纯体系和优化的酸洗工艺是抑制初晶硅中Al污染的一条行之有效的思路㊂1666㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷参考文献[1]㊀RAMÍREZ-MÁRQUEZ C,OTERO M V,VÁZQUEZ-CASTILLO J A,et al.Process design and intensification for the production of solar gradesilicon[J].Journal of Cleaner Production,2018,170:1579-1593.[2]㊀YOSHIKAWA T,MORITA K.An evolving method for solar-grade silicon production:solvent refining[J].JOM,2012,64(8):946-951.[3]㊀LUO D W,LIU N,LU Y P,et al.Removal of boron from 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压铸条件下过共晶铝硅合金P变质的必要性
( 编辑: 袁振国)
Heat Transfer Characteristics of Mould for Composites during Liquid solid Extruding Qi Lehua1 Zhou Jiming1Wang Zhenjun1 Yang Fang1 Zhang Yuebing2( 1, Northeastern Polytechnical Univer sity, Xi! an, China; 2, Harbin Institute of Technology ,Harbin, Chi na) 2005,25( 11) 673~ 676 Abstract The mould temperature field during liquid solid extrusion was researched by theoretical analysis combining with experimental testing. The curves of mould axial and radial temperature - time were obtained. The change of mould temperatures and its effects on the formation process were analyzed. The simulated results was well in agreement with experimental ones, showing the effectiveness of the model and providing a theoretical basis for optimizing mould design and practical application of composites in liquid solid extruding cast ing. Key Words: Mould Temperature Field, Liquid solid Extrusion Casting, FEM
铸态亚共晶Al-Si合金中初生Si的生长机制
铸态亚共晶Al-Si合金中初生Si的生长机制摘要：采用光学显微镜和背散色衍射仪对亚共晶铝硅合金进行观察。
结果显示初生硅颗粒出现在亚共晶合金中。
因此，也研究了熔融的亚共晶铝硅合金中先析出的初生硅的形核和生长机制。
观察发现Si原子很容易分离形成Si-Si簇，它源于初生硅的形成，在共晶和过共晶Al-Si合金中同样存在。
此外，由化学势和溶质的原子堆积或显微偏析在初生Si 的形成中，起到重要的作用，溶质再分配的方程式源于Jakson-Chalmers等式。
一旦Si的溶质浓度超过共晶成分，初晶硅就在液固界面形成了。
1.介绍铝硅合金由于其低的热膨胀系数、高的耐磨性和较好的铸造性能，广泛的应用于航天和汽车的结构中。
根据铝硅合金中硅的成分，可分为亚共晶、共晶、过共晶合金。
每一类相应的硅成分为少于百分之十，11%～13，和大于14%。
根据Al-Si合金的二元相图，共晶反应发生在共晶温度。
两种固相（共晶Si和α-Al）在Si含量为12.6%的共晶成分点，发生L Si E+α(Al) ，同时从液相析出。
过共晶Al-Si合金首先析出初生硅，然后再发生共晶反应。
过共晶反应通常伴随相的转变L L+Si p （Si E+α(Al)）+Si p 。
其中Si p是初生硅。
根据Al-Si合金的二元相图，初生硅颗粒只从过共晶Al-Si合金中析出。
很多的初生硅颗粒，然而是在过共晶合金中观察到。
其一系列的相反应源于亚共晶铝硅合金LL+Si p L+（Si E+α(Al)）（Si E+α(Al)）+α(Al) +Si p 。
初生硅平面面特征边缘锋利、较厚。
初生硅尺寸不同，形貌趋向于晶面﹛111﹜。
尽管许多的文献采用晶体生长理论来分析和预测初生硅，但是很少获得亚共晶Al-Si合金的形核和生长特征。
现在的研究讨论了初生硅在亚共晶合金中产生的原因。
同时也提出了初生硅的形核和生长机制。
2.实验快速凝固的实验如下：首先，铝硅合金锭放在感应炉中熔化；炉的温度设置在715℃，保持这个温度2分钟，使合金均匀熔化。
铝合金压铸产品铸造缺陷产生原因及处理办法
铝合金压铸产品铸造缺陷产生原因及处理办法感谢网友yewanlogn提供资料1 表面铸造缺陷1.1 拉伤(1)特征：①沿开模方向铸件表面呈线条状的拉伤痕迹，有一定深度，严重时为整面拉伤；②金属液与模具表面粘和，导致铸件表面缺料。
(2)产生原因：①模具型腔表面有损伤；②出模方向无斜度或斜度过小；③顶出不平衡；④模具松动：⑤浇铸温度过高或过低，模具温度过高导致合金液粘附；⑥脱模剂使用效果不好：⑦铝合金成分含铁量低于O．8％；⑧冷却时间过长或过短。
(3)处理方法：①修理模具表面损伤；②修正斜度，提高模具表面光洁度；③调整顶杆，使顶出力平衡；④紧固模具；⑤控制合理的浇铸温度和模具温度1 80-250。
；⑥更换脱模剂：⑦调整铝合金含铁量；⑧调整冷却时间；⑨修改内浇口，改变铝液方向。
‘，1．2 气泡(1)特征：铸件表面有米粒大小的隆起表皮下形成的空洞.(2)产生原因①合金液在压室充满度过低，易产生卷气，压射速度过高；②模具排气不良；③熔液未除气，熔炼温度过高；④模温过高，金属凝固时间不够，强度不够，而过早开模顶出铸件，受压气体膨胀起来；⑤脱模剂太多；⑥内浇口开设不良，充填方向交接。
(3)处理方法①改小压室直径，提高金属液充满度；②延长压射时间，降低第一阶段压射速度，改变低速与高速压射切换点；③降低模温，保持热平衡；④增设排气槽、溢流槽，充分排气，及时清除排气槽上的油污、废料；⑤调整熔炼工艺，进行除气处理；⑥留模时间适当延长：⑦减少脱模剂用量。
1．3 裂纹特征：①铸件表面有呈直线状或波浪形的纹路，狭小而长，在外力作用下有发展趋势；②冷裂隙开裂处金属没被氧化；③热裂一开裂处金属已被氧化。
产生原因：①合金中铁含量过高或硅含量过高；②合釜有害杂质的含量过高，降低了合金的塑性；③铝硅铜合金含锌量过高或含铜量过低；④模具，特别是模腔整体温度太低；⑤铸件壁厚、薄存有剧烈变化之处收缩受阻，尖角位形成应力；⑥留模时间过长，应力大；⑦顶出时受力不均匀。
铝合金压铸产品铸造缺陷产生原因及处理办法
铝合金压铸产品铸造缺陷产生原因及处理办法感谢网友yewanlogn提供资料1 表面铸造缺陷1.1 拉伤(1)特征：①沿开模方向铸件表面呈线条状的拉伤痕迹，有一定深度，严重时为整面拉伤；②金属液与模具表面粘和，导致铸件表面缺料。
(2)产生原因：①模具型腔表面有损伤；②出模方向无斜度或斜度过小；③顶出不平衡；④模具松动：⑤浇铸温度过高或过低，模具温度过高导致合金液粘附；⑥脱模剂使用效果不好：⑦铝合金成分含铁量低于O．8％；⑧冷却时间过长或过短。
(3)处理方法：①修理模具表面损伤；②修正斜度，提高模具表面光洁度；③调整顶杆，使顶出力平衡；④紧固模具；⑤控制合理的浇铸温度和模具温度1 80-250。
；⑥更换脱模剂：⑦调整铝合金含铁量；⑧调整冷却时间；⑨修改内浇口，改变铝液方向。
‘，1．2 气泡(1)特征：铸件表面有米粒大小的隆起表皮下形成的空洞.(2)产生原因①合金液在压室充满度过低，易产生卷气，压射速度过高；②模具排气不良；③熔液未除气，熔炼温度过高；④模温过高，金属凝固时间不够，强度不够，而过早开模顶出铸件，受压气体膨胀起来；⑤脱模剂太多；⑥内浇口开设不良，充填方向交接。
(3)处理方法①改小压室直径，提高金属液充满度；②延长压射时间，降低第一阶段压射速度，改变低速与高速压射切换点；③降低模温，保持热平衡；④增设排气槽、溢流槽，充分排气，及时清除排气槽上的油污、废料；⑤调整熔炼工艺，进行除气处理；⑥留模时间适当延长：⑦减少脱模剂用量。
1．3 裂纹特征：①铸件表面有呈直线状或波浪形的纹路，狭小而长，在外力作用下有发展趋势；②冷裂隙开裂处金属没被氧化；③热裂一开裂处金属已被氧化。
产生原因：①合金中铁含量过高或硅含量过高；②合釜有害杂质的含量过高，降低了合金的塑性；③铝硅铜合金含锌量过高或含铜量过低；④模具，特别是模腔整体温度太低；⑤铸件壁厚、薄存有剧烈变化之处收缩受阻，尖角位形成应力；⑥留模时间过长，应力大；⑦顶出时受力不均匀。
(1铸铝金具制造质量控制要点
铸铝金具制造质量控制一、铸铝金具质量问题及主要原因1.铸铝金具常见的质量问题：1）材质化学成分不合格；2）铝铸造件表面出现可见裂纹、冷隔、浇不足；3）铝铸造件内部出现气孔、疏松；4）材料强度不符合要求。
2.材质化学成分不合格主要原因:1）进厂的原材料成分不合格，没有经过检验检测就投入使用；2）自己熔炼时各种原材料配置比例不合格，如硅（Si）、镁（Mg）等加入量太多或太少；3）加入的回炉料没有经过成分检测就投入使用；4）回炉料中各种杂质，特别是有害杂质铁（Fe）带入铝液中；5）熔炼中熔炼炉没有清理干净（洗炉），不同牌号铝合金成分混杂；6）各种熔炼工具、金属模等没有进行清理和喷刷涂料，有害杂质铁（Fe）带入铝液中。
7）熔炼温度过高、时间过长，导致有用元素烧损、杂质的增加。
3.铝铸造件表面出现可见裂纹原因：1）合金的铸造性能差，线收缩系数大，如纯铝；2）浇注温度过高，而模具温度过低；3）开模过早，铝液还没有凝固；4）开模过迟，铸件对模具、芯棒的包裹力过大，导致脱模力过大。
5）模具补缩系统不良，对铸件的补缩不足6）铸件壁厚相差过大。
4.铸件出现冷隔、浇不足原因：1）合金的铸造性能差，流动性差，如纯铝；2）浇注温度过低或模具温度过低；3）模具排气不良；4）模具设计不合理，压力头不足；5）铸件壁厚太薄，不适合用重力铸造、砂模铸造；6）铝合金液未进行变质处理，合金流动性差；7）铝合金含硅（Si）低于标准值,合金流动性差。
5.铝铸造件内部出现气孔、疏松原因：1）铝合金熔炼时温度过高、时间过长或铝锭受潮没有进行烘干，导致金属液吸入的氢气太多；2）熔炼时铝液未进行精炼除气处理；3）模具模具排气不良；4）铝合金熔炼温度过高、时间过程、浇注时间拖延过长，导致金属氧化严重，炉气中有害气体、杂质入侵增加；6.材料强度不符合要求原因：1）是铸件在铝液熔炼和浇注中各种问题引起；材料强度是否符合标准要求是上述铸铝件各种质量问题综合的反映，如材质化学成分不合格；铝铸造件表面出现可见裂纹、冷隔、浇不足；铝铸造件内部出现气孔、疏松等反映；2）铝液没有经过变质细化处理；3）铝合金热处理不当引起。
过共晶铝硅合金的研究背景与意义
过共晶铝硅合金的研究背景与意义一、铝硅合金的基本情况大家知道，铝硅合金是一种由铝和硅组成的合金，它的应用广泛得让人惊讶。
说实话，平时我们见到的很多铝合金产品，比如手机外壳、汽车发动机部件，甚至是建筑材料中，都能找到它的身影。
铝硅合金其实有两种类型，一种是过共晶铝硅合金，另一种是共晶铝硅合金。
今天咱们就来聊聊过共晶铝硅合金，为什么它这么重要，为什么研究它成了当下材料科学的一个热门话题。
你可能会问，什么是过共晶铝硅合金？这名字听起来好像有点拗口，其实也不难理解。
合金里的“共晶”指的就是在一定温度下，铝和硅按一定比例混合，形成了一种固体溶液。
而“过共晶”就意味着，铝和硅的比例偏向于铝多一些，这样在冷却过程中会出现更多的铝基相。
而这种过共晶合金，因其独特的物理和化学性质，广泛应用于制造轻量化、高强度的材料。
你看看，现在大家都强调环保、节能，铝硅合金凭借其轻便和强度，简直成了工程界的香饽饽。
二、过共晶铝硅合金的研究背景说到过共晶铝硅合金的研究背景，咱们不得不提一下它在制造业中的地位。
现在，不管是航空航天，还是汽车制造，乃至我们生活中常见的家电、电子设备，都离不开铝硅合金的身影。
尤其是随着科技的发展，工业对材料的性能要求越来越高。
谁不希望产品既轻便又坚固？这就促使了过共晶铝硅合金研究的飞速发展。
大家可以想象一下，轻量化的合金能在节省材料的还能增强部件的耐用性，简直就像一举两得，谁能不爱呢？在这些年里，随着材料科学不断进步，科学家们发现，过共晶铝硅合金的性能表现越来越好。
比如，铝和硅的比例调整后，它的流动性、铸造性、甚至机械性能都会有很大的改善。
这一点对铸造工艺有着至关重要的影响。
大家知道，铝合金的铸造过程中，合金的流动性越好，成型越容易，零部件的生产效率就越高。
而过共晶铝硅合金在这方面的表现，真的可以说是“独步江湖”。
说起来，过共晶铝硅合金的研究还真不是一蹴而就的事情。
大家也知道，材料的性能不仅仅是看它的组成成分，冷却速度、铸造工艺、以及后期的热处理，都能影响合金的最终性能。
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作者简 介 ： 李彦 霞（ １ ９ ７ ９ 一 ） ， 女， 河南 南阳人 ， 硕士， 主要从 事有
色 金属及其 精确成 形等方 面的研 究。
有色金属工程 ２ ｏ １ ４年 第 ４卷第 ５期 ２３
元 素
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过 共 晶铝硅合 金 由于其 轻质 、 高强 、 高耐 磨 、 高 耐热 及 较 低 的热膨 胀性 在航 空航 天 、 汽 车 制造 、 摩 托 车 等 行
业 中获 得 越 来 越 广 泛 的应 用 。 以 往 的 研 究 者 对 铝 硅 合 金 初 晶 硅 和 初 晶 — Ａ １ 、共 晶硅 的 形 态 大 小 和 分 布 进 行 较
蠢ｌ 罨 Ｉ ｔ ｜ 鼍 一
１ ． ２ 试 验 过 程
沿铸锭不 同位 置取样进行 金相 分析 ，并对其 断 口进 行扫描 电镜 观察和能谱分析 。试样经研磨 、 抛光处 理后， 用体积分数 为 Ｏ ． ５ ％的氢 氟酸 溶液腐蚀 ，采用 Ｌ ａ ｉ ｋ ａ Ｄ ＭＩ ５ ０ ０ ０ Ｍ 型 金 相 显 微 镜 观 察 显 微 组 织 。 断 口观 察 和 能 谱 分 析在 Ｆ Ｅ Ｉ Ｑ ｕ ａ ｎ Ｔ ａ ２ ０ ０扫 描 电镜 上 进 行 。
的关键 因素 。由图 １ （ ａ ） 、 图１ （ ｃ ） 和图 ｌ （ ｅ ） 可见 ， 试 样中均存 在粗 大块状初 晶硅组织 ， 初 晶硅有 区域偏 析， 三个试样 中
收 稿 日期 ： ２ ０ ｌ ４ 一 Ｏ ４ ． ２ ４
２ 试验 结果与分析
２ ． １显 微 组 织分 析
图１ 为 试 样 不 同位 置 的显 微 组 织 。 根据 Ａ ｌ — Ｓ ｉ 合 金 相
关键词 ： 金属材料 ； 过共 晶铝硅合金 ； 铸锭 ； 初 晶硅偏 析 中图分 类号 ： Ｔ Ｇ１ ４ ６ ． ２ １ ； Ｔ Ｇ１ １ ３ ． １ ２ 文献标志码 ： Ａ 文章编号 ： ２ ０ ９ ５ — １ ７ ４ ４ （ ２ ０ １ ４ ） ０ ５ — ０ ０ ２ ３ — ０ ３
１ 实验 方 法
１ ． １合 金 铸 锭 化 学成 分
试 验 所 用 合 金 样 品 为 国 内某 公司 提 供 的铝 硅 合 金 铸
多的理论研 究，但从工艺 角度 对初晶硅偏析 的研 究 比较 少见 。采 用化 学成 分分 析 、 金 相 组织 分析 、 扫描 电镜 断 口观 察 等 方 法 分 析 某 过 共 晶铝 硅 合 金 铸 锭 的初 晶 硅 偏 析
是不 均 匀 分 布 的 灰 色 初 晶硅 和 （ 一 ＡＩ ＋ Ｓ ｉ ） 共 晶组 织 。根 据 成分分析 ， 合 金 还 含 有 少 量 Ｍｇ Ｓ ｉ 、 Ａ １ Ｃ ｕ 、 Ａ１ Ｎｉ 等 第 二相 。 有 研 究表 明 ， 初 晶硅 的尺 寸 和 分 布 是 影 响 合 金 性 能
原因。
锭试样 ， 成分如表 ｌ 所示 ， 其 中镍 、 镉、 铅、 锡元 素含量少 且三个试样差别不大 ， 故未列入表 １ 。试 样 ３的铁 杂 质 含
量高 ， 是试 样 １的 １ ． ３ ７ 倍。 试 样 采 用碱 土 元 素 钙 和 碱 金 属 元素钠变质 。
表 １合 金 的化 学成 分
ＮＯＮＦＥＲＲＯＵＳ ＭＥＴＡＬ Ｓ ＥＮＧ Ｉ ＮＥＥＲｌ ＮＧ
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ８ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． ２ ０ ９ ５ — １ ７ ４ ４ ． ２ ０ １ ４ ． ０ ５ ． ０ ０ ３
勰 ｍ ＂
— Ｏ一
过共晶铝硅合金铸锭初晶硅偏析原因分析
函 李彦霞 蔡 菊 张兴华 广 东 白云 学 院 广 州 ５ １ ０ ４ ５ ０
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詈
肥
一பைடு நூலகம்
ｎｃ ；
～
摘要： 采用化 学成分 分析 、 金相 组织分 析 、 扫描 电镜 断 口观察等方 法分析 某过 共 晶铝硅合 金铸锭 的初 晶硅偏 析原 因。结果表 明， 铝锭 中存在分布 不均匀的初 晶硅 ， 尺 寸达 到 １ ０ ０ ｍ， 材料的含氢量及氧化 膜含 量较高 ， 铝锭 中孔洞和疏松缺 陷较 多， 应优 化熔 炼过程 的保 护和 除气工序 ， 熔体 冷却速度较低及 过热温度 过高或保温 时间较长 ， 是初 晶硅偏析 的原 因。
图， 过共 晶铝合金主 要发生 Ｌ 一 Ｓ ｉ Ｐ 一（ Ｓ ｉ Ｅ ＋ ａ （ Ａ１ ） ） ＋ Ｓ ｉ Ｐ 反
应， 过 共 晶高 硅 铝 合 金 主 要 组 织 特 征 为 ｄ ． Ａ１ 、 初 晶硅 和 共 晶组 织 ｆ — Ａｌ ＋ Ｓ ｉ ） 。由 图 １ 可见 ， 该 合 金 组 织 中 明 显可 见 的