快速凝固Al―Si―Fe合金粉末工艺研究

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[摘 要]快速凝固技术也称为急冷凝固技术，主要是通过提高金属凝固冷却速度的方法来增大凝固过冷度和凝固速度，从而获得传统铸件冷却速率下所不能获得的成分、相结构或显微结构。利用快速凝固技术制备al-si合金可显著改善合金组织，大幅度提高合金性能，使合金具有良好耐磨性、耐热性，以及高强、质轻及低热膨胀系数等特点。

[关键词]快速凝固技术；金属材料制备

中图分类号：TG146.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）37-0063-01

一.前言

快速凝固技术也称为急冷凝固技术，主要是通过提高金属凝固冷却速度的方法来增大凝固过冷度和凝固速度，从而获得传统铸件冷却速率下所不能获得的成分、相结构或显微结构。利用快速凝固技术制备Al-Si合金可显著改善合金组织，大幅度提高合金性能，使合金具有良好耐磨性、耐热性，以及高强、质轻及低热膨胀系数等特点。

快速凝固技术是本世纪50年代以来金属材料制备方法的重要突破之一，在实际应用中使用这种技术制备的超细粉末进行表面改性处理以增强金属材料表明性能，成为表面改性研究一个重要方向。

针对金属材料表面的耐磨、防腐需要本文设计一种Al-Si-fe合金，并使用快速凝固技术制备其合金粉末，并对快速凝固工艺的制备工艺过程及获得的合金粉末进行研究。

二.Al-Si-Fe合金成分设计与快速凝固粉末的制备

2.1 Al-Si-Fe合金成分设计

硅是Al-Si合金中的主要元素，对合金的性能有重要的影响。合金中硅含量增加，合金的抗拉强度和耐磨性提高。对快速凝固Al-Si合金研究表明：当硅含量小于20%时，随着硅含量的增加，合金的拉伸强度提高。而合金的耐磨性在硅含量小于30%范围内，随着硅含量的增加而提高。本文所设计合金中Si的含量取20%。

Al-Si合金中加入铁是为了提高合金耐热性。同时可有效降低合金的热膨胀性。铁可以在不明显降低室温强度与塑性的前提下，大大提高合金的高温强度。但是，铁加入量达到5%以后强度开始下降，所以，为保证合金具有高强度，铁的加入量应该低于5%，本次实验选定Fe含量为4%。

Mn是弥散强化元素。Mn能抑制针状铁相析出。因此，在生产中常作为平衡铁的中和元素。Mn元素还可以细化晶粒。但是，Mn元素的含量不应超过3%，本试验采用2%。

Cu可提高Al-Si合金的常温和高温性能，降低伸长率和耐蚀性。本试验中Cu的含量为1%。

Mg可提高合金的强度，是Al-Si合金中重要的强化元素。有关资料显示，在Al-Si-Cu-Mg系中少量Mg的加入可大幅度提高强度。本试验中Mg的含量为0.5%。

鉴于上述分析，本研究确定的合金成分为： Al-20Si-4Fe-2Mn-Cu-0.5Mg

2.2 超音速气体雾化制备快凝金属粉末过程

本次实验选用JWC2-10型超音速雾化沉积炉。采用超音速气体雾化装置制备粉末。超音速气体雾化是指借助高速气流的冲击来破碎金属液流的雾化过程。其过程为：熔融状态的金属液由感应炉流入喷嘴，气流由雾化器喷出，金属液流被高速气体破碎成小雾滴，并使雾滴获得较高的速度，飞向下方，借助雾滴的冲击力将液滴进一步破碎成更小的雾滴，然后飞入冷却介质中，最后凝固成粉。这一过程中影响气体雾化过程的主要可控参数为气体压力以及金属液体温度。

三.Al-Si-Fe合金快速凝固制粉工艺影响因素及合金粉末分析

3.1 Al-Si-Fe合金快速凝固粉末制备工艺影响因素分析

3.1.1 合金雾化中气体压力影响

雾化压力是影响气体雾化过程的主要参数之一。随着雾化气体压力的增加，气体在雾化器出口处的临界速度就越大，同时气体密度也增加。这些结果都导致气体质量流率的增加。这样一来，金属质量流率和气体质量流率的比值就越小。意味着金属雾化过程中破碎能力的增加。破碎能力越大，破碎效果就越好，液滴尺寸就越小，制取的粉末就会越细小。但气体质量流率过大，浪费气体，不经济，同时导致液滴的冷却速度增加，液滴中固相分数增加，甚至使颗粒提前凝固，易得到金属薄片。雾化气体压力的大小同时影响雾化锥的形状，进而影响雾化制粉的效果。观察并比较各压力时雾化情况，发现4.5MPa时的雾化锥较好，雾化颗粒细小均匀，同时液滴的初始速度较高，利于快速凝固制粉。多次试验并结合雾化器的自身特点，选用雾化压力为4.5MPa。

3.1.2 金属熔体过热度的影响

当熔化的金属液体流经导液管时，金属液体和管壁之间存在热交换而使金属液温度下降甚至凝固。若金属凝固体堵塞了导液管，将使后续的金属液体无法流出，并且凝固金属已经进入导液管，超出感应炉线圈的加热范围，无法使凝固金属再次熔化，将导致生产的中断。导致凝固的原因有熔体的过热度不够，或者是导液管导热性过高，或者是导液管过长。防止液体金属在导液管内冻结的最小过热度也与液体金属的热物性密切相关，如果金属具有较高的热导率、热容率、密度和低的熔点、小的粘度，则需要临界过热度较小。反之，则较大。纯铝的熔点为660.8℃，故最小过热度为125℃。此外，金属的过热度也影响金属在雾化过程中的可破碎区间，金属过热度越高，则金属可破碎区间越大，金属液滴就有可能进行再次破碎和雾化，液滴更加细小。另外，金属的过热度也影响金属熔体的粘度。金属过热度越高，熔体粘度越小，金属熔体就容易破碎，形状也比较规则，且多呈球形。但是过热度超过一定大小后，液滴的尺寸和形状变化都不大，此时对于热量散失以达到快速凝固的目的是不利的，要想达到所要求的固相含量就需要运行较远的距离来散热。因此过热度应控制在合适的范围之内。结合已有的实验经验，采用最佳过热度200℃，雾化温度880℃。

3.2 Al-Si-Fe快凝合金粉末综合分析

3.2.1 合金粉末粒度分布

对获取的快凝Al-20Si-4Fe-2Mn-1Cu-0.5Mg合金粉末使用筛网分离并称出各种颗粒度的重量。应用超音速气体雾化技术制取的Al-Si-Fe合金粉末合金粉末很细，其中320目以下的可用粉末约占总质量的44.432%。

3.2.2 快凝粉末的形貌特征

使用电子显微镜分析320目粉末形貌。可以看出，粉末粒度比较均匀，多数粉末呈条形和球形。而260目粉末形貌。其粉末形貌呈近球形，个别呈章鱼形。整体上看非常均匀。对单个粉末颗粒观察，球形度较好，表面基本上光滑。部分颗粒表面存在毛刺和凹坑。

尺寸比较大的雾化熔滴，体积较大，凝固收缩比较严重，其结果是使雾化熔滴凝固后在表面遗留下明显的凹坑。体积较小的颗粒，凝固收缩较小，形状相对规整。

3.2.3 合金微观组织分析

3.2.3.1 铸态合金

本次试验所设计的Al-Si-Fe合金含有较多的合金元素，属于高硅高铁系铝合金。使用电子显微镜分析其铸态组织。在普通铸造条件下，该合金铸态微观组织由多边形初生β-Si、针片状β-Al5FeSi、共晶β-Si和基体α-Al相组成。其中，多边形初生β-Si和针片状β-Al15FeSi相都很粗大，多边形初生β-Si数量较少；针片状β-Al5FeSi相数量很多，具有尖锐的尖角，并且长度很长。

3.2.3.2 粉末组织特征

使用电子式显微镜分析合金粉末的微观组织。粉末组织由细小的针状晶和等轴晶组成。粉末组织中，枝晶间析出的共晶相数量很少，在和铸态组织的对比中可以看出，铸态组织中的粗大的树枝晶消失，取而代之的是分布均匀的等轴晶。

四.结论

（1）针对金属材料表面的耐磨、防腐需要，设计出一种新合金成分：Al-20Si-4Fe-2Mn-Cu-0.5Mg用于制备快凝金属粉末。

（2）确定了制备该合金快凝粉末的工艺参数：雾化压力为4.5MPa，雾化温度880℃，喷嘴直径4mm，喷嘴伸出长度4mm。

（3）超音速气体雾化制备的粉末粒度分布均匀，320目以下粉末占44.432%。雾化制粉时，压力越大，可用的粉末越多。且该快凝合金组织为等轴晶，Al元素偏析现象得到明显抑制。

作者简介

张阳（1981―），男，辽宁省鞍山人，大学本科，专业：焊接工艺，研究方向：焊接工艺。