Al-Si二元相圖亞共晶鑄造合金中商業(yè)應(yīng)用價(jià)值
當(dāng)合金中Si含量較低時(shí)，F(xiàn)e 以 Al3Fe形式存在。當(dāng)合金中Si含量較高時(shí)，F(xiàn)e首先以α-Al12Fe3Si （立方系晶體結(jié)構(gòu)）形式存在，當(dāng) Si更高時(shí)以 β-Al9Fe2Si （單斜晶系晶體結(jié)構(gòu)）形式存在。

Al-Si相圖
zui早的Al-Si二元相圖是德國(guó)人Fraenkel 在1908年研究繪制。二元相圖相對(duì)簡(jiǎn)單，在室溫下Si在Al中和Al在Si中的溶解度都不大。因此在平衡態(tài)下，zui終凝固狀態(tài)接近純Al或純Si。現(xiàn)在*的相圖是 圖1 由Murray 和 McAlister1 在1984年研究繪制的。 Al和Si的熔點(diǎn)分別是660.45 和1414 °C， 共晶反應(yīng)成分：12.6 % Si重量比，共晶反應(yīng)溫度：
577 ± 1 °C。 Si在Al中的zui大溶解度是在共晶溫度下 1.65 %重量比。

 直到二十世紀(jì)50年代前,大家都認(rèn)為：共晶溶解度是11.6 wt.% Si。 1920年代，發(fā)現(xiàn)加入少量的Na可以改變共晶點(diǎn)。Na加入使得共晶點(diǎn)處Si的含量提高到約14 wt.%, 當(dāng)熔煉時(shí)Na阻礙了先共晶Si的凝固，從而提高了強(qiáng)度和塑性。當(dāng)然，提高凝固速度也有類(lèi)似的功效，因此壓鑄和硬模鑄造開(kāi)始普及流行。晶粒細(xì)化和共晶體彌散分布都可以提高機(jī)械性能。過(guò)共晶的Al-Si合金,P元素更有效的改變共晶Si相并細(xì)化晶粒。

表1 所列為Al合金樣品制備方法有些是可修改項(xiàng)。其變化取決于樣品制備的困難程度、樣品切割后的情況和所需要除去殘余損傷層的情況不同而不同，例如：對(duì)于EBSD 或者納米壓痕測(cè)量的樣品，可能會(huì)使用其他拋光布來(lái)取代通常目的樣品制備所使用的拋光布。表2 Tech Note中所使用的各種化學(xué)侵蝕劑的配方。

首先對(duì)高純Al樣品進(jìn)行檢查。如圖2 所示再結(jié)晶的晶粒結(jié)構(gòu)“超純” Al樣品，使用Barker侵蝕劑+電解侵蝕，觀察偏振光+靈敏色片。實(shí)際上，這個(gè)樣品上還是有少量的雜質(zhì)和可見(jiàn)的第二相顆粒（在顯微鏡下，那些點(diǎn)狀物就是這些沉淀相顆粒）。

圖 2所示， 再結(jié)晶的“超純”Al，等軸晶粒結(jié)構(gòu)樣品。
Barker侵蝕劑+電解侵蝕，偏振光+靈敏色片在樣品上有一些雜質(zhì)顆粒存在,但是使用這樣的侵蝕劑，在這樣的放大倍數(shù)下，不能看見(jiàn) （50x）。

圖 3. Al - 1% Si - 0.45% Mg顯微組織顯示： （a） 0.5% HF水溶液, （b）藍(lán)色 Si侵蝕劑; 和 （c） Weck's 彩色侵蝕劑 Al,顯示在晶界處Si薄膜成分偏析和共晶組織（明場(chǎng)）。
圖 3 所示三個(gè)圖片是Al - 1% Si- 0.45% Mg 可鍛Al樣品，晶界處有Si薄膜和塊狀的共晶的α -Al - Si,通常在晶粒的邊界處有三角型存在。侵蝕劑是0.5% HF水溶液顯示第二相Si顆粒的邊界。 “藍(lán)色—Si侵蝕”是由于Si擇優(yōu)取向造成色彩。Weck's彩色侵蝕劑用于顯示 Al周?chē)桓g的Si相，但是其細(xì)節(jié)不能用“黑或白”顯示。

圖 4 顯示的是Al - 7.12% Si鑄造Al合金的顯微組織Si-藍(lán)色侵蝕劑和 Weck's 彩色侵蝕劑用于侵蝕Al。 圖4a 顯示形狀不規(guī)則的Si 小顆粒，侵蝕劑：Weck's。圖 4b,顯示α-Al 枝晶。在視野的中心, 我們可以見(jiàn)到較大的初生枝晶和許多小的二次枝晶臂，枝晶臂垂直于初生枝晶軸向。注意侵蝕顯示了枝晶內(nèi)部的成分偏析，在高放大倍數(shù)下更容易分辨。

圖 4. Al 7.12% Si 鑄造Al合金組織顯示（a）共晶 Si顆粒，高放大倍數(shù)，侵蝕劑：Si-藍(lán)色。 （b）Al枝晶 （在此放大倍數(shù)下共晶體太細(xì) ） 侵蝕劑： Weck's （偏振光+靈敏色片）。
圖 5 顯示的組織其Si 含量接近,但是添加了少量的0.45% Mg。注意在這種合金中共晶顆粒的形狀變得更加細(xì)長(zhǎng)。在使用Weck's 侵蝕劑用于顯示α-Al 枝晶的形狀。為了顯示這樣的不同。所以我們必須確定在每次拋光平面都是相同的， （拋光面是平行于枝晶生長(zhǎng)的方向，以便于能夠正確的觀察到枝晶臂并正確測(cè)量枝晶間距）。

圖 5. 鑄態(tài)Al - 7% Si - 0.45% Mg顯微組織，侵蝕劑：（a） 0.5% HF水溶液, （b） 藍(lán)色Si侵蝕劑和（c） Weck's 侵蝕劑 （明場(chǎng)下觀察） 顯示Al枝晶內(nèi)部的成分偏析。
圖 6 顯示接近共晶成分Al - 11.7% Si鑄造Al合金的兩幅顯微組織照片。在低放大倍數(shù)下可以觀察到枝晶自然凝固狀態(tài)的細(xì)微結(jié)構(gòu)。在高的放大倍數(shù)下，我們可以觀察到細(xì)致共晶組織，α -Al 晶粒的隨機(jī)取向。圖 7 顯示Al - 12% Si 鑄造Al合金，在共晶組織中Si的長(zhǎng)纖維。比較圖 7 和圖 8  在Al - 12% Si鑄造Al合金中添加了少量的Na元素，其效果是顯著的細(xì)化了共晶Si和初晶的α-Al。

圖 7，接近共晶成分的鑄態(tài) Al- 12% Si合金的組織，侵蝕劑： （a） 0.5% HF 和（b）藍(lán)色 Si blue侵蝕劑。
圖 6. 顯示Al 11.7% S合金的兩幅鑄態(tài)枝晶組織， （Weck’s侵蝕劑） （a） 僅僅在低放大倍數(shù)下顯示枝晶分布 50x; 在高放大倍數(shù)下 （b, 500x）,顯示共晶體的結(jié)構(gòu) （藍(lán)色Si 侵蝕劑）。Tech-

圖 8. 顯示 Na變質(zhì)處理后，鑄造Al - 12% Si合金，侵蝕劑： （a） 0.5% HF, （b） 藍(lán)色 Si blue侵蝕劑和 （c）  Weck's 侵蝕劑
圖 9 顯示：鑄態(tài)Al - 13% Si - 0 0.45%Mg顯微組織纖維狀的共晶Si。圖 10 顯示：鑄態(tài)的Al - 19.85% Si 顯微組織大塊狀的初晶Si。注意：侵蝕劑顯示共晶體周?chē)某蹙i顆
粒。圖11 顯示：鑄態(tài)Al - 25% Si - 1.4% Fe顯微組織。圖11a, 可以觀察到長(zhǎng)針狀的β-AlFeSi相。圖 12 鑄態(tài)Al - 50% Si顯微組織。 注意大塊狀易碎的初晶Si顆粒, 大多數(shù)上都有裂紋存在。
圖 13 至 16顯示鑄態(tài)Al - 12.9% Si 壓鑄件樣品，圖 13 中的樣品未處理，包含大的塊狀初晶Si顆粒。與圖 14所顯示顯微組織比較, 加入0.03% Ti進(jìn)行晶粒細(xì)化；圖 15, 加入0.045% Sr元素與圖 16,加入 0.05% Sr 和 0.05% Ti進(jìn)行細(xì)化處理。注意添加Ti 元素處理后，針狀組織變長(zhǎng)。添加 0.03% Ti （圖 14） 包含少量的初晶Si顆粒，而添加Sr 元素的未見(jiàn)到初晶Si顆粒。接近共晶成分的Al - Si 合金中添加 0.5~ 1.2% Fe （防止鑄件與模具粘結(jié)）顯示初生的纖維狀的 β-AlFeSi （Al5FeSi）組織。這些顆粒嚴(yán)重影響鑄件的抗沖擊韌性和塑性，并導(dǎo)致縮孔產(chǎn)生。Fe含量的降低有利于減小其尺寸并增加凝固速度。

圖 9. 鑄態(tài) Al - 13% Si - 0.45% Mg 合金組織，侵蝕劑： （a） 0.5% HF 和 （b） Weck's侵蝕劑。
圖 10. 鑄態(tài)Al - 19.85% Si 合金顯微組織，侵蝕劑： （a）藍(lán)色Si 侵蝕劑顯示在Al-Si共晶體周?chē)牡某蹙i顆粒（500x）; 和（b） Weck's侵蝕劑顯示共晶體結(jié)構(gòu) 200x）。
圖 11.鑄態(tài)的 Al 25% Si - 1.4% Fe 合金顯微組織，侵蝕劑： （a） 0.5% HF水溶液;和（b） Weck's侵蝕劑，組織顯示在Al – Si共晶組織周?chē)拇髩K狀的初晶Si顆粒。
圖 12. 鑄態(tài) Al - 50% Si合金顯微組織，侵蝕劑： （a）05% HF;水溶液和 （b） Weck's侵蝕劑，組織顯示在Al – Si共晶組織周?chē)娘@示非常大的塊狀的初晶Si顆粒。
圖 13.重力壓鑄 Al - 12.9% Si （未變質(zhì)處理） 侵蝕劑：藍(lán)色 Si侵蝕劑，注意在初晶Si和纖維狀的共晶Si。

圖 14.重力壓鑄 Al - 12.9% Si 添加 0.03% Ti 共晶Si細(xì)化（藍(lán)色Si Blue侵蝕劑）。
圖 15. 重力壓鑄 Al - 12.9% Si添加 0.045% Sr 變質(zhì)后共晶組織 （藍(lán)色Si侵蝕劑）。 沒(méi)有觀察到初晶SI顆粒。
圖 16.重力壓鑄 Al - 12.9% Si 添加 0.05 % Sr和 0.05% Ti。注意細(xì)致的共晶組織，長(zhǎng)針狀的顆粒是AlFeSi，這種組織的出現(xiàn)是為了防止鑄件與模具的的“粘結(jié)”，在鑄造時(shí)添加了 Fe元素。

結(jié)論
Al-Si 合金在鑄造合金中具有廣泛的商業(yè)應(yīng)用價(jià)值， 亞共晶的Al ~7% Si 合金廣泛的應(yīng)用于汽車(chē)制造業(yè)，接近共晶成分的合金也被廣泛使用，特別是在壓鑄行業(yè)。過(guò)共晶的合金中包含較大的塊狀Si的顆粒，其具有較高的耐磨性。Al-Si二元相圖是了解這些合金的基礎(chǔ)。

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參考文獻(xiàn)：
1. J.L. Murray and A.J. McAlister, Bull. AlloyPhase Diagrams, Vol. 5, No. 1, Feb. 1984.
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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.