Al-Si二元相圖亞共晶鑄造合金中商業(yè)應(yīng)用價值
當(dāng)合金中Si含量較低時，F(xiàn)e 以 Al3Fe形式存在。當(dāng)合金中Si含量較高時，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二元相圖是德國人Fraenkel 在1908年研究繪制。二元相圖相對簡單，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。Na加入使得共晶點處Si的含量提高到約14 wt.%, 當(dāng)熔煉時Na阻礙了先共晶Si的凝固，從而提高了強度和塑性。當(dāng)然，提高凝固速度也有類似的功效，因此壓鑄和硬模鑄造開始普及流行。晶粒細(xì)化和共晶體彌散分布都可以提高機械性能。過共晶的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。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：對于EBSD 或者納米壓痕測量的樣品，可能會使用其他拋光布來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。

首先對高純Al樣品進行檢查。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。實際上，這個樣品上還是有少量的雜質(zhì)和可見的第二相顆粒（在顯微鏡下，那些點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 （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）。
圖 3 所示三個圖片是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周圍被腐蝕的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。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的方向，以便于能夠正確的觀察到枝晶臂并正確測量枝晶間距）。

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 晶粒的隨機取向。圖 7 顯示Al - 12% Si 鑄造Al合金，在共晶組織中Si的長纖維。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圍的初晶Si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進行細(xì)化處理。注意添加Ti 元素處理后，針狀組織變長。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共晶體周圍的的初晶Si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共晶組織周圍的大塊狀的初晶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共晶組織周圍的顯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)用價值， 亞共晶的Al ~7% Si 合金廣泛的應(yīng)用于汽車制造業(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.
2. T.B. Massalski （ed.）, Binary Alloy PhaseDiagrams, Vol. 1, ASM, Metals Park, OH, 1986,p.165.
3. US Patent No. 1,387,900, issued to A. Pacz,August 16, 1921.
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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.