Al-Si二(er)元(yuan)相圖亞共晶(jing)鑄(zhu)造合金中(zhong)商業(ye)應用(yong)價值(zhi)

Al-Si二(er)元(yuan)相圖亞共晶(jing)鑄(zhu)造合金中(zhong)商業(ye)應用(yong)價值(zhi)
當合金中(zhong)Si含(han)量(liang)較(jiao)低(di)時(shi)，Fe 以(yi) Al3Fe形(xing)式存(cun)在(zai)。當合金中(zhong)Si含(han)量(liang)較(jiao)高時(shi)，Fe首先以(yi)α-Al12Fe3Si （立方(fang)系(xi)晶(jing)體結構）形式存(cun)在(zai)，當 Si更高時(shi)以(yi) β-Al9Fe2Si （單(dan)斜(xie)晶(jing)系(xi)晶(jing)體結構）形式存(cun)在(zai)。

Al-Si相圖
zui早(zao)的(de)Al-Si二(er)元(yuan)相圖是(shi)德(de)國(guo)人(ren)Fraenkel 在(zai)1908年研究繪(hui)制(zhi)。二(er)元(yuan)相圖相對(dui)簡單，在(zai)室溫下Si在(zai)Al中(zhong)和Al在Si中(zhong)的(de)溶(rong)解(jie)度都不大。因(yin)此(ci)在平衡(heng)態下，zui終凝固狀態接近純(chun)Al或純(chun)Si。現在(zai)*的(de)相圖是(shi) 圖(tu)1 由Murray 和 McAlister1 在1984年(nian)研究繪(hui)制(zhi)的(de)。 Al和Si的(de)熔點(dian)分(fen)別(bie)是(shi)660.45 和1414 °C， 共晶(jing)反(fan)應成(cheng)分：12.6 % Si重量比(bi)，共晶(jing)反(fan)應溫度：
577 ± 1 °C。 Si在Al中(zhong)的(de)zui大(da)溶解(jie)度是(shi)在(zai)共(gong)晶(jing)溫度下 1.65 %重量比(bi)。

 直到二(er)十世紀(ji)50年代(dai)前,大(da)家都認(ren)為(wei)：共晶溶(rong)解(jie)度是(shi)11.6 wt.% Si。 1920年(nian)代(dai)，發現(xian)加入(ru)少量(liang)的(de)Na可以(yi)改(gai)變共(gong)晶點(dian)。Na加入(ru)使得(de)共晶點(dian)處(chu)Si的(de)含(han)量(liang)提(ti)高(gao)到約14 wt.%, 當熔煉(lian)時(shi)Na阻(zu)礙了(le)先共(gong)晶(jing)Si的(de)凝(ning)固，從(cong)而(er)提(ti)高(gao)了(le)強度和塑性。當然，提(ti)高(gao)凝固速度也有(you)類似(si)的(de)功(gong)效，因(yin)此壓鑄(zhu)和硬模鑄(zhu)造開(kai)始普及流行(xing)。晶(jing)粒(li)細(xi)化和共晶(jing)體彌(mi)散分布都可以(yi)提(ti)高(gao)機(ji)械性(xing)能。過(guo)共(gong)晶的(de)Al-Si合(he)金,P元(yuan)素更(geng)有(you)效的(de)改(gai)變共(gong)晶Si相並(bing)細(xi)化晶(jing)粒(li)。

表1 所列為Al合(he)金樣品制(zhi)備方(fang)法有(you)些是(shi)可修(xiu)改(gai)項。其變化(hua)取決於(yu)樣品制(zhi)備的(de)困難程(cheng)度、樣品切割(ge)後(hou)的(de)情(qing)況和所需要(yao)除去(qu)殘(can)余損傷層(ceng)的(de)情(qing)況不同而(er)不同，例如：對(dui)於(yu)EBSD 或者(zhe)納(na)米(mi)壓痕(hen)測量的(de)樣品，可能會使用(yong)其他(ta)拋(pao)光(guang)布(bu)來(lai)取代(dai)通常(chang)目的(de)樣品制(zhi)備所使用(yong)的(de)拋(pao)光(guang)布(bu)。表2 Tech Note中(zhong)所使用(yong)的(de)各(ge)種(zhong)化(hua)學(xue)侵(qin)蝕劑的(de)配(pei)方(fang)。

首先對(dui)高純(chun)Al樣品進行(xing)檢(jian)查(zha)。如(ru)圖2 所示(shi)再(zai)結晶的(de)晶(jing)粒(li)結構(gou)“超(chao)純(chun)” Al樣品，使用(yong)Barker侵蝕劑+電(dian)解(jie)侵蝕，觀(guan)察(cha)偏(pian)振(zhen)光(guang)+靈(ling)敏色片。實際(ji)上，這個(ge)樣品上還是(shi)有(you)少量(liang)的(de)雜(za)質和可見(jian)的(de)第(di)二(er)相顆粒(li)（在顯(xian)微(wei)鏡下，那些點(dian)狀物就是(shi)這(zhe)些沈(chen)澱(dian)相顆粒(li)）。

圖 2所示(shi)， 再(zai)結晶的(de)“超(chao)純(chun)”Al，等軸晶(jing)粒(li)結構(gou)樣品。
Barker侵蝕劑+電(dian)解(jie)侵蝕，偏振(zhen)光(guang)+靈(ling)敏色片在(zai)樣品上有(you)壹些雜(za)質顆粒(li)存在(zai),但(dan)是(shi)使(shi)用(yong)這樣的(de)侵(qin)蝕劑，在(zai)這樣的(de)放(fang)大倍數(shu)下(xia)，不能看見(jian) （50x）。

圖(tu) 3. Al - 1% Si - 0.45% Mg顯(xian)微(wei)組織顯(xian)示(shi)： （a） 0.5% HF水(shui)溶(rong)液, （b）藍色 Si侵蝕劑; 和 （c） Weck's 彩(cai)色侵蝕劑 Al,顯(xian)示(shi)在晶(jing)界(jie)處(chu)Si薄(bo)膜成(cheng)分偏(pian)析和共晶(jing)組織（明(ming)場(chang)）。
圖(tu) 3 所示(shi)三(san)個(ge)圖(tu)片是(shi)Al - 1% Si- 0.45% Mg 可鍛(duan)Al樣品，晶界(jie)處(chu)有(you)Si薄(bo)膜和塊狀的(de)共(gong)晶的(de)α -Al - Si,通常(chang)在晶(jing)粒(li)的(de)邊(bian)界(jie)處(chu)有(you)三(san)角型存(cun)在(zai)。侵蝕劑是(shi)0.5% HF水(shui)溶(rong)液顯示(shi)第二(er)相Si顆粒(li)的(de)邊(bian)界(jie)。 “藍色—Si侵蝕”是(shi)由於(yu)Si擇優取向(xiang)造成(cheng)色彩(cai)。Weck's彩(cai)色侵蝕劑用(yong)於(yu)顯示(shi) Al周圍(wei)被腐蝕的(de)Si相，但(dan)是(shi)其細(xi)節(jie)不能用(yong)“黑或白(bai)”顯示(shi)。

圖 4 顯(xian)示(shi)的(de)是(shi)Al - 7.12% Si鑄(zhu)造Al合金的(de)顯(xian)微組織Si-藍色侵蝕劑和 Weck's 彩(cai)色侵蝕劑用(yong)於(yu)侵蝕Al。 圖4a 顯(xian)示(shi)形狀不規則的(de)Si 小(xiao)顆粒(li)，侵蝕劑：Weck's。圖(tu) 4b,顯示(shi)α-Al 枝(zhi)晶。在(zai)視(shi)野的(de)中(zhong)心, 我(wo)們可以(yi)見(jian)到較(jiao)大的(de)初(chu)生枝(zhi)晶和許多小(xiao)的(de)二(er)次(ci)枝(zhi)晶臂，枝(zhi)晶臂垂直(zhi)於(yu)初(chu)生枝(zhi)晶軸向(xiang)。註意(yi)侵蝕顯示(shi)了(le)枝(zhi)晶內(nei)部(bu)的(de)成(cheng)分偏(pian)析，在高(gao)放(fang)大倍數(shu)下(xia)更容(rong)易(yi)分(fen)辨(bian)。

圖(tu) 4. Al 7.12% Si 鑄(zhu)造Al合金組織顯(xian)示(shi)（a）共晶(jing) Si顆粒(li)，高放(fang)大倍數(shu)，侵(qin)蝕劑：Si-藍色。 （b）Al枝(zhi)晶 （在(zai)此(ci)放(fang)大倍數(shu)下(xia)共晶(jing)體太細(xi) ） 侵蝕劑： Weck's （偏(pian)振(zhen)光(guang)+靈(ling)敏色片）。
圖(tu) 5 顯示(shi)的(de)組(zu)織其Si 含(han)量(liang)接(jie)近,但(dan)是(shi)添(tian)加了(le)少量(liang)的(de)0.45% Mg。註意(yi)在這(zhe)種(zhong)合(he)金中(zhong)共晶(jing)顆粒(li)的(de)形(xing)狀變得(de)更加細(xi)長。在(zai)使(shi)用(yong)Weck's 侵蝕劑用(yong)於(yu)顯示(shi)α-Al 枝(zhi)晶的(de)形(xing)狀。為了(le)顯示(shi)這樣的(de)不同。所以我們(men)必須確(que)定在每(mei)次(ci)拋(pao)光(guang)平(ping)面(mian)都是(shi)相同的(de)， （拋(pao)光(guang)面(mian)是(shi)平(ping)行(xing)於(yu)枝(zhi)晶生(sheng)長的(de)方(fang)向(xiang)，以便(bian)於(yu)能夠(gou)正(zheng)確(que)的(de)觀(guan)察(cha)到枝(zhi)晶臂並(bing)正(zheng)確(que)測(ce)量枝(zhi)晶間(jian)距(ju)）。

圖(tu) 5. 鑄(zhu)態Al - 7% Si - 0.45% Mg顯微(wei)組織，侵(qin)蝕劑：（a） 0.5% HF水(shui)溶(rong)液, （b） 藍色Si侵蝕劑和（c） Weck's 侵蝕劑 （明(ming)場(chang)下(xia)觀(guan)察(cha)） 顯(xian)示(shi)Al枝(zhi)晶內(nei)部(bu)的(de)成(cheng)分偏(pian)析。
圖 6 顯(xian)示(shi)接近共晶成(cheng)分Al - 11.7% Si鑄(zhu)造Al合金的(de)兩(liang)幅(fu)顯(xian)微組織照(zhao)片(pian)。在低(di)放(fang)大倍數(shu)下(xia)可以(yi)觀(guan)察(cha)到枝(zhi)晶自(zi)然凝(ning)固(gu)狀態的(de)細(xi)微結(jie)構。在(zai)高的(de)放(fang)大倍數(shu)下(xia)，我們(men)可以(yi)觀(guan)察(cha)到細(xi)致(zhi)共(gong)晶(jing)組(zu)織，α -Al 晶(jing)粒(li)的(de)隨(sui)機(ji)取向(xiang)。圖 7 顯(xian)示(shi)Al - 12% Si 鑄(zhu)造Al合金，在共晶組(zu)織中(zhong)Si的(de)長纖(xian)維(wei)。比(bi)較(jiao)圖 7 和圖 8  在(zai)Al - 12% Si鑄(zhu)造Al合金中(zhong)添(tian)加了(le)少量(liang)的(de)Na元(yuan)素，其效果是(shi)顯(xian)著(zhu)的(de)細(xi)化了(le)共晶(jing)Si和初(chu)晶的(de)α-Al。

圖(tu) 7，接近共晶成(cheng)分的(de)鑄(zhu)態 Al- 12% Si合金的(de)組(zu)織，侵(qin)蝕劑： （a） 0.5% HF 和（b）藍色 Si blue侵蝕劑。
圖(tu) 6. 顯示(shi)Al 11.7% S合金的(de)兩(liang)幅(fu)鑄(zhu)態枝(zhi)晶組(zu)織， （Weck’s侵(qin)蝕劑） （a） 僅(jin)僅(jin)在(zai)低(di)放(fang)大倍數(shu)下(xia)顯示(shi)枝(zhi)晶分(fen)布(bu) 50x; 在高(gao)放(fang)大倍數(shu)下(xia) （b, 500x）,顯示(shi)共晶(jing)體的(de)結(jie)構 （藍色Si 侵蝕劑）。Tech-

圖(tu) 8. 顯示(shi) Na變質處(chu)理後(hou)，鑄(zhu)造Al - 12% Si合金，侵蝕劑： （a） 0.5% HF, （b） 藍色 Si blue侵蝕劑和 （c）  Weck's 侵蝕劑
圖(tu) 9 顯示(shi)：鑄(zhu)態Al - 13% Si - 0 0.45%Mg顯微(wei)組織纖(xian)維(wei)狀的(de)共(gong)晶Si。圖 10 顯(xian)示(shi)：鑄(zhu)態的(de)Al - 19.85% Si 顯(xian)微組織大(da)塊狀的(de)初(chu)晶Si。註意(yi)：侵蝕劑顯(xian)示(shi)共晶(jing)體周(zhou)圍(wei)的(de)初(chu)晶Si顆
粒(li)。圖11 顯(xian)示(shi)：鑄(zhu)態Al - 25% Si - 1.4% Fe顯微(wei)組織。圖(tu)11a, 可以(yi)觀(guan)察(cha)到長針(zhen)狀的(de)β-AlFeSi相。圖 12 鑄(zhu)態Al - 50% Si顯微(wei)組織。 註意(yi)大塊(kuai)狀易碎(sui)的(de)初(chu)晶Si顆粒(li), 大多數上都有(you)裂紋(wen)存(cun)在(zai)。
圖(tu) 13 至 16顯示(shi)鑄(zhu)態Al - 12.9% Si 壓鑄(zhu)件樣品，圖 13 中(zhong)的(de)樣品未處(chu)理，包(bao)含(han)大(da)的(de)塊(kuai)狀初(chu)晶Si顆粒(li)。與圖(tu) 14所顯示(shi)顯微(wei)組織比(bi)較(jiao), 加入(ru)0.03% Ti進行(xing)晶(jing)粒(li)細(xi)化；圖(tu) 15, 加入(ru)0.045% Sr元(yuan)素與圖(tu) 16,加(jia)入(ru) 0.05% Sr 和 0.05% Ti進行(xing)細(xi)化處(chu)理。註意(yi)添(tian)加Ti 元(yuan)素處(chu)理後(hou)，針(zhen)狀組織變長。添(tian)加 0.03% Ti （圖(tu) 14） 包(bao)含(han)少(shao)量(liang)的(de)初(chu)晶Si顆粒(li)，而添(tian)加Sr 元(yuan)素的(de)未見(jian)到初(chu)晶Si顆粒(li)。接近共晶成(cheng)分的(de)Al - Si 合(he)金中(zhong)添(tian)加 0.5~ 1.2% Fe （防止(zhi)鑄(zhu)件與模具粘結）顯(xian)示(shi)初(chu)生的(de)纖(xian)維(wei)狀的(de) β-AlFeSi （Al5FeSi）組(zu)織。這(zhe)些顆粒(li)嚴重影(ying)響鑄(zhu)件的(de)抗(kang)沖擊(ji)韌(ren)性(xing)和塑性，並(bing)導致(zhi)縮孔(kong)產(chan)生。Fe含(han)量(liang)的(de)降(jiang)低(di)有(you)利(li)於(yu)減(jian)小(xiao)其尺寸並(bing)增(zeng)加(jia)凝(ning)固(gu)速度。

圖 9. 鑄(zhu)態 Al - 13% Si - 0.45% Mg 合金組織，侵(qin)蝕劑： （a） 0.5% HF 和 （b） Weck's侵蝕劑。
圖(tu) 10. 鑄(zhu)態Al - 19.85% Si 合金顯微組織，侵(qin)蝕劑： （a）藍色Si 侵蝕劑顯(xian)示(shi)在Al-Si共(gong)晶體(ti)周圍(wei)的(de)的(de)初(chu)晶Si顆粒(li)（500x）; 和（b） Weck's侵蝕劑顯(xian)示(shi)共晶(jing)體結(jie)構 200x）。
圖 11.鑄(zhu)態的(de) Al 25% Si - 1.4% Fe 合(he)金顯微組織，侵(qin)蝕劑： （a） 0.5% HF水(shui)溶(rong)液;和（b） Weck's侵蝕劑，組(zu)織顯(xian)示(shi)在Al – Si共(gong)晶組(zu)織周(zhou)圍(wei)的(de)大(da)塊狀的(de)初(chu)晶Si顆粒(li)。
圖 12. 鑄(zhu)態 Al - 50% Si合金顯微組織，侵(qin)蝕劑： （a）05% HF;水(shui)溶(rong)液和 （b） Weck's侵蝕劑，組(zu)織顯(xian)示(shi)在Al – Si共(gong)晶組(zu)織周(zhou)圍(wei)的(de)顯(xian)示(shi)非(fei)常(chang)大的(de)塊(kuai)狀的(de)初(chu)晶Si顆粒(li)。
圖 13.重力(li)壓鑄(zhu) Al - 12.9% Si （未變質處(chu)理） 侵(qin)蝕劑：藍色 Si侵蝕劑，註意(yi)在初(chu)晶Si和纖(xian)維(wei)狀的(de)共(gong)晶Si。

圖 14.重力(li)壓鑄(zhu) Al - 12.9% Si 添(tian)加 0.03% Ti 共(gong)晶(jing)Si細(xi)化（藍色Si Blue侵蝕劑）。
圖(tu) 15. 重力(li)壓鑄(zhu) Al - 12.9% Si添(tian)加 0.045% Sr 變質後(hou)共晶(jing)組織 （藍色Si侵蝕劑）。 沒(mei)有(you)觀(guan)察(cha)到初(chu)晶SI顆粒(li)。
圖 16.重力(li)壓鑄(zhu) Al - 12.9% Si 添(tian)加 0.05 % Sr和 0.05% Ti。註意(yi)細(xi)致(zhi)的(de)共(gong)晶組織，長針(zhen)狀的(de)顆粒(li)是(shi)AlFeSi，這(zhe)種(zhong)組(zu)織的(de)出(chu)現是(shi)為(wei)了(le)防止(zhi)鑄(zhu)件與模具的(de)的(de)“粘結”，在(zai)鑄(zhu)造時(shi)添(tian)加了(le) Fe元(yuan)素。

結(jie)論(lun)
Al-Si 合(he)金在鑄(zhu)造合金中(zhong)具有(you)廣(guang)泛(fan)的(de)商(shang)業應用(yong)價值(zhi)， 亞共(gong)晶的(de)Al ~7% Si 合(he)金廣(guang)泛(fan)的(de)應用(yong)於(yu)汽(qi)車(che)制(zhi)造業，接近共晶成(cheng)分的(de)合(he)金也被廣(guang)泛(fan)使用(yong)，特別(bie)是(shi)在(zai)壓鑄(zhu)行(xing)業(ye)。過(guo)共(gong)晶的(de)合(he)金中(zhong)包(bao)含(han)較(jiao)大的(de)塊(kuai)狀Si的(de)顆粒(li)，其具有(you)較(jiao)高的(de)耐(nai)磨性(xing)。Al-Si二(er)元(yuan)相圖是(shi)了(le)解(jie)這些合(he)金的(de)基(ji)礎。

CUTLAM2.0德國(guo)賀(he)利(li)氏(shi)古(gu)莎Heraeus Kulzer手動軌道式砂輪切割(ge)機(ji) 
PRESSLAM 2.0+德國(guo)賀(he)利(li)氏(shi)古(gu)莎Heraeus Kulzer全(quan)自(zi)動(dong)大(da)尺寸熱(re)鑲嵌(qian)機(ji) 
MASTERLAM 2.0德國(guo)賀(he)利(li)氏(shi)Heraeus全(quan)自(zi)動(dong)磨(mo)拋(pao)機(ji) 
SMARTLAM 2.0德國(guo)賀(he)利(li)氏(shi)Heraeus手動磨(mo)拋(pao)機(ji) 
CUTLAM Micro2德國(guo)賀(he)利(li)氏(shi)Heraeus精密(mi)切割(ge)機(ji) 
Technovit 3040德國(guo)賀(he)利(li)氏(shi)古(gu)莎Heraeus Kulzer高(gao)精度印模樹脂 
Bio DIAMANT德(de)國(guo)賀(he)利(li)氏(shi)古(gu)莎Heraeus金剛石拋(pao)光(guang)磨(mo)料(liao)金剛石懸浮(fu)液 
Finishing liquid德國(guo)賀(he)利(li)氏(shi)古(gu)莎Heraeus Kulzerzui終拋(pao)光(guang)液(ye) 
Technocloth德(de)國(guo)賀(he)利(li)氏(shi)古(gu)莎Heraeus拋(pao)光(guang)布(bu) 
TECHNOGEOM PM德(de)國(guo)賀(he)利(li)氏(shi)古(gu)莎Heraeus Kulzer寶石研磨(mo)砂紙 
Cameo Disk德(de)國(guo)賀(he)利(li)氏(shi)古(gu)莎Heraeus寶石鉑(bo)金磨盤金剛石磨盤 
Technovit 4006德國(guo)賀(he)利(li)氏(shi)古(gu)莎Heraeus高(gao)度透明(ming)冷(leng)鑲嵌(qian)樹脂(zhi) 
 

參考文獻(xian)：
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.
4. US Patent No. 1,518,872, issued to A. Pacz,December 9, 1924.
5. US Patent No. 1,410,461, issued to J.D.Edwards, F.C. Frary and H.V. Churchill, March 21,1922.
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.