Al-Si二元相圖亞(yà)共晶鑄(zhù)造(zào)合(hé)金(jīn)中(zhōng)商(shāng)業應(yīng)用價值(zhí)
當(dāng)合金中Si含(hán)量較低(dī)時(shí)，Fe 以 Al3Fe形式存在(zài)。當合金中(zhōng)Si含量較(jiào)高時(shí)，Fe首先以α-Al12Fe3Si （立(lì)方係(xì)晶體結(jié)構）形式(shì)存在，當(dāng) Si更(gēng)高(gāo)時(shí)以 β-Al9Fe2Si （單斜晶係(xì)晶體結(jié)構）形(xíng)式(shì)存(cún)在(zài)。

Al-Si相圖
zui早(zǎo)的Al-Si二(èr)元相(xiāng)圖是(shì)德(dé)國人(rén)Fraenkel 在1908年(nián)研(yán)究繪(huì)製。二(èr)元(yuán)相圖相(xiāng)對簡(jiǎn)單(dān)，在(zài)室溫下Si在Al中和(hé)Al在Si中的(dí)溶解度(dù)都不大。因此在(zài)平(píng)衡態下，zui終凝固狀態接(jiē)近(jìn)純Al或純Si。現(xiàn)在*的相圖(tú)是(shì) 圖1 由Murray 和(hé) McAlister1 在1984年(nián)研(yán)究(jiū)繪製的。 Al和Si的熔點(diǎn)分(fēn)別是(shì)660.45 和1414 °C， 共(gòng)晶(jīng)反應成分(fēn)
：12.6 % Si重量比(bǐ)，共晶(jīng)反(fǎn)應溫(wēn)度(dù)
：
577 ± 1 °C。 Si在Al中的(dí)zui大溶解度(dù)是(shì)在共晶溫(wēn)度下(xià) 1.65 %重量(liáng)比。

 直到二(èr)十世(shì)紀50年(nián)代前(qián),大(dà)家(jiā)都(dū)認為
：共晶(jīng)溶(róng)解度是11.6 wt.% Si。 1920年(nián)代，發(fā)現加(jiā)入(rù)少(shǎo)量(liáng)的Na可以改變(biàn)共晶(jīng)點(diǎn)。Na加入使得(dé)共晶點(diǎn)處(chǔ)Si的(dí)含(hán)量提高(gāo)到(dào)約14 wt.%, 當(dāng)熔(róng)煉時Na阻礙了先共(gòng)晶(jīng)Si的(dí)凝固，從而提高了強(qiáng)度(dù)和(hé)塑性。當然，提高凝固速(sù)度(dù)也有(yǒu)類似(sì)的(dí)功(gōng)效，因(yīn)此(cǐ)壓(yā)鑄和(hé)硬(yìng)模鑄造開始(shǐ)普及流(liú)行(háng)。晶粒細(xì)化和(hé)共晶體彌散分(fēn)布都可以提高(gāo)機械(xiè)性(xìng)能。過共晶的Al-Si合金,P元(yuán)素(sù)更(gēng)有(yǒu)效的改(gǎi)變共(gòng)晶Si相(xiāng)並細化晶(jīng)粒(lì)。

表(biǎo)1 所列為Al合金(jīn)樣(yàng)品製備方(fāng)法有些是可修改(gǎi)項。其變化取(qǔ)決於(yú)樣品製備的困難程度，樣品切(qiē)割後(hòu)的情(qíng)況和(hé)所需要(yào)除去殘(cán)餘損傷(shāng)層的(dí)情況不(bù)同(tóng)而(ér)不同，例(lì)如
：對於EBSD 或者納米(mǐ)壓痕測量(liáng)的(dí)樣(yàng)品，可(kě)能會使用其他拋光(guāng)布來(lái)取代通(tōng)常目的樣品製備(bèi)所使(shǐ)用的拋光(guāng)布。表2 Tech Note中(zhōng)所使用(yòng)的各(gè)種(zhǒng)化學(xué)侵蝕劑(jì)的(dí)配(pèi)方。

首先(xiān)對高(gāo)純(chún)Al樣品(pǐn)進行(háng)檢查(chá)。如圖2 所(suǒ)示(shì)再結晶的晶(jīng)粒結構(gòu)“超純” Al樣品，使(shǐ)用(yòng)Barker侵蝕(shí)劑(jì)+電解侵(qīn)蝕(shí)，觀(guān)察偏振(zhèn)光+靈敏(mǐn)色(sè)片(piàn)。實際(jì)上，這(zhè)個樣品上還是有(yǒu)少量的雜質和可見(jiàn)的第(dì)二(èr)相(xiāng)顆(kē)粒(lì)（在顯微鏡(jìng)下(xià)，那(nà)些點狀物就是這些沉澱相顆粒）。

圖(tú) 2所示(shì)， 再結(jié)晶的(dí)“超純”Al，等軸(zhóu)晶(jīng)粒結(jié)構樣(yàng)品。
Barker侵蝕(shí)劑(jì)+電解(jiě)侵蝕，偏振光+靈敏(mǐn)色片在(zài)樣(yàng)品(pǐn)上有一些雜(zá)質(zhì)顆(kē)粒存(cún)在(zài),但是使(shǐ)用(yòng)這樣的侵蝕(shí)劑，在這樣(yàng)的(dí)放大倍數下，不(bù)能看見(jiàn) （50x）。

圖(tú) 3. Al - 1% Si - 0.45% Mg顯(xiǎn)微(wēi)組織顯示
： （a） 0.5% HF水溶液(yè), （b）藍色(sè) Si侵蝕(shí)劑; 和 （c） Weck's 彩(cǎi)色侵蝕劑 Al,顯示(shì)在晶界(jiè)處(chǔ)Si薄膜成(chéng)分(fēn)偏析和(hé)共晶(jīng)組織（明場）。
圖(tú) 3 所(suǒ)示(shì)三(sān)個(gè)圖片是Al - 1% Si- 0.45% Mg 可(kě)鍛(duàn)Al樣品，晶(jīng)界處有(yǒu)Si薄膜(mó)和塊狀的共晶的(dí)α -Al - Si,通(tōng)常(cháng)在晶(jīng)粒的(dí)邊(biān)界處有(yǒu)三角型(xíng)存在。侵(qīn)蝕劑是0.5% HF水溶液(yè)顯(xiǎn)示第(dì)二(èr)相(xiāng)Si顆(kē)粒的邊(biān)界(jiè)。 “藍(lán)色—Si侵蝕”是由(yóu)於Si擇優取向(xiàng)造(zào)成色(sè)彩。Weck's彩(cǎi)色(sè)侵蝕劑用(yòng)於(yú)顯(xiǎn)示 Al周(zhōu)圍被腐(fǔ)蝕(shí)的(dí)Si相，但(dàn)是(shì)其細節不能用(yòng)“黑(hēi)或(huò)白”顯示。

圖(tú) 4 顯示的(dí)是Al - 7.12% Si鑄造Al合(hé)金的(dí)顯(xiǎn)微(wēi)組(zǔ)織(zhī)Si-藍色侵蝕(shí)劑和(hé) Weck's 彩(cǎi)色(sè)侵蝕(shí)劑(jì)用於侵蝕Al。 圖(tú)4a 顯(xiǎn)示形(xíng)狀(zhuàng)不(bù)規則的(dí)Si 小顆(kē)粒，侵蝕劑
：Weck's。圖(tú) 4b,顯示α-Al 枝晶。在視(shì)野的(dí)中(zhōng)心, 我們可(kě)以見(jiàn)到較(jiào)大的初(chū)生枝晶(jīng)和許(xǔ)多小(xiǎo)的二(èr)次(cì)枝(zhī)晶臂，枝晶臂垂直(zhí)於初(chū)生枝晶(jīng)軸向(xiàng)。注(zhù)意侵蝕(shí)顯示了(liǎo)枝晶(jīng)內部的成(chéng)分偏析，在(zài)高放(fàng)大倍數下更容(róng)易分(fēn)辨。

圖 4. Al 7.12% Si 鑄造Al合金(jīn)組織顯(xiǎn)示(shì)（a）共晶 Si顆(kē)粒(lì)，高(gāo)放大倍(bèi)數，侵蝕劑
：Si-藍色(sè)。 （b）Al枝晶(jīng) （在(zài)此放(fàng)大(dà)倍(bèi)數(shù)下共(gòng)晶體(tǐ)太細 ） 侵(qīn)蝕劑
： Weck's （偏振光(guāng)+靈敏(mǐn)色片）。
圖 5 顯(xiǎn)示的組(zǔ)織(zhī)其Si 含量接近,但是添(tiān)加了少量(liáng)的(dí)0.45% Mg。注意在(zài)這種合金(jīn)中共(gòng)晶(jīng)顆(kē)粒的(dí)形狀(zhuàng)變(biàn)得(dé)更加細長。在(zài)使用(yòng)Weck's 侵蝕劑用於(yú)顯示α-Al 枝晶(jīng)的形(xíng)狀(zhuàng)。為了顯(xiǎn)示這樣的不同。所以我們(mén)必須(xū)確(què)定在每次(cì)拋光平麵都是相(xiāng)同的， （拋光(guāng)麵是平行於枝晶(jīng)生長的方向(xiàng)，以便於(yú)能夠(gòu)正確(què)的觀(guān)察到(dào)枝晶(jīng)臂並正(zhèng)確測(cè)量(liáng)枝晶(jīng)間距(jù)）。

圖 5. 鑄(zhù)態Al - 7% Si - 0.45% Mg顯(xiǎn)微(wēi)組織(zhī)，侵(qīn)蝕劑
：（a） 0.5% HF水溶(róng)液, （b） 藍(lán)色Si侵(qīn)蝕劑和（c） Weck's 侵(qīn)蝕(shí)劑 （明場下(xià)觀察(chá)） 顯(xiǎn)示(shì)Al枝晶(jīng)內部(bù)的成分(fēn)偏(piān)析。
圖(tú) 6 顯示(shì)接(jiē)近共晶(jīng)成分Al - 11.7% Si鑄造Al合金(jīn)的(dí)兩(liǎng)幅(fú)顯微(wēi)組(zǔ)織(zhī)照片。在(zài)低放(fàng)大(dà)倍數(shù)下(xià)可(kě)以(yǐ)觀(guān)察到(dào)枝(zhī)晶自然凝固(gù)狀態的(dí)細(xì)微(wēi)結(jié)構(gòu)。在高的放大倍(bèi)數(shù)下，我們(mén)可以觀(guān)察(chá)到細致共晶組(zǔ)織，α -Al 晶粒的隨機取(qǔ)向(xiàng)。圖(tú) 7 顯(xiǎn)示(shì)Al - 12% Si 鑄造Al合金，在(zài)共(gòng)晶(jīng)組(zǔ)織中(zhōng)Si的(dí)長纖(xiān)維。比較(jiào)圖 7 和(hé)圖 8  在(zài)Al - 12% Si鑄(zhù)造(zào)Al合金中(zhōng)添(tiān)加了少(shǎo)量的(dí)Na元素，其效果是顯(xiǎn)著的細化了共晶(jīng)Si和初晶的α-Al。

圖 7，接近(jìn)共晶成分的(dí)鑄態(tài) Al- 12% Si合金的組(zǔ)織(zhī)，侵蝕(shí)劑(jì)
： （a） 0.5% HF 和(hé)（b）藍色 Si blue侵蝕(shí)劑。
圖(tú) 6. 顯示(shì)Al 11.7% S合金的(dí)兩(liǎng)幅(fú)鑄態枝晶組(zǔ)織(zhī)， （Weck’s侵蝕(shí)劑） （a） 僅僅(jǐn)在(zài)低放大倍(bèi)數(shù)下(xià)顯示枝(zhī)晶分布(bù) 50x; 在(zài)高(gāo)放大倍數(shù)下 （b, 500x）,顯示共(gòng)晶體的結構 （藍(lán)色(sè)Si 侵蝕劑(jì)）。Tech-

圖(tú) 8. 顯(xiǎn)示 Na變質(zhì)處理(lǐ)後，鑄造(zào)Al - 12% Si合金(jīn)，侵蝕(shí)劑
： （a） 0.5% HF, （b） 藍色(sè) Si blue侵(qīn)蝕劑(jì)和 （c）  Weck's 侵(qīn)蝕(shí)劑
圖 9 顯示(shì)
：鑄態Al - 13% Si - 0 0.45%Mg顯(xiǎn)微組織纖維(wéi)狀(zhuàng)的共晶Si。圖(tú) 10 顯(xiǎn)示
：鑄態的Al - 19.85% Si 顯微(wēi)組織大(dà)塊(kuài)狀的初晶Si。注意
：侵蝕劑顯(xiǎn)示(shì)共(gòng)晶(jīng)體周圍(wéi)的(dí)初晶(jīng)Si顆
粒。圖11 顯示(shì)
：鑄(zhù)態(tài)Al - 25% Si - 1.4% Fe顯(xiǎn)微組織(zhī)。圖(tú)11a, 可(kě)以觀察到長針(zhēn)狀(zhuàng)的(dí)β-AlFeSi相。圖 12 鑄(zhù)態Al - 50% Si顯微(wēi)組織。 注(zhù)意大塊(kuài)狀易碎(suì)的(dí)初晶(jīng)Si顆(kē)粒(lì), 大(dà)多數(shù)上都有(yǒu)裂紋(wén)存在。
圖(tú) 13 至 16顯(xiǎn)示鑄態Al - 12.9% Si 壓(yā)鑄件樣品，圖 13 中的樣(yàng)品未(wèi)處理，包含大的(dí)塊狀初(chū)晶(jīng)Si顆粒。與圖(tú) 14所顯示(shì)顯微(wēi)組(zǔ)織比較, 加入0.03% Ti進行晶粒細化(huà)；圖 15, 加入0.045% Sr元(yuán)素(sù)與圖 16,加入 0.05% Sr 和 0.05% Ti進(jìn)行細化處(chǔ)理(lǐ)。注(zhù)意添(tiān)加Ti 元素(sù)處理(lǐ)後，針狀(zhuàng)組(zǔ)織(zhī)變(biàn)長。添(tiān)加(jiā) 0.03% Ti （圖 14） 包(bāo)含少量的初晶Si顆(kē)粒，而(ér)添(tiān)加(jiā)Sr 元素的未見到初晶(jīng)Si顆粒。接(jiē)近(jìn)共晶成(chéng)分的Al - Si 合(hé)金中添加(jiā) 0.5~ 1.2% Fe （防(fáng)止鑄(zhù)件與模具(jù)粘(nián)結(jié)）顯示初(chū)生的(dí)纖(xiān)維(wéi)狀(zhuàng)的 β-AlFeSi （Al5FeSi）組(zǔ)織(zhī)。這些(xiē)顆(kē)粒(lì)嚴重(zhòng)影(yǐng)響鑄件的(dí)抗(kàng)衝擊韌性和塑性(xìng)，並(bìng)導(dǎo)致縮(suō)孔產(chǎn)生。Fe含(hán)量的(dí)降低有利於減小其(qí)尺寸(cùn)並增(zēng)加凝(níng)固速度。

圖 9. 鑄(zhù)態 Al - 13% Si - 0.45% Mg 合金(jīn)組織，侵蝕劑(jì)
： （a） 0.5% HF 和 （b） Weck's侵(qīn)蝕劑(jì)。
圖 10. 鑄態(tài)Al - 19.85% Si 合(hé)金顯微組(zǔ)織(zhī)，侵(qīn)蝕劑(jì)
： （a）藍(lán)色(sè)Si 侵蝕劑(jì)顯示在Al-Si共晶(jīng)體(tǐ)周圍的的(dí)初(chū)晶Si顆(kē)粒(lì)（500x）; 和（b） Weck's侵蝕(shí)劑(jì)顯(xiǎn)示(shì)共(gòng)晶(jīng)體結構(gòu) 200x）。
圖(tú) 11.鑄態的 Al 25% Si - 1.4% Fe 合(hé)金(jīn)顯(xiǎn)微組織(zhī)，侵蝕(shí)劑(jì)
： （a） 0.5% HF水(shuǐ)溶液;和(hé)（b） Weck's侵蝕(shí)劑，組織(zhī)顯示(shì)在(zài)Al – Si共晶組織(zhī)周圍(wéi)的(dí)大(dà)塊(kuài)狀(zhuàng)的(dí)初晶Si顆(kē)粒。
圖 12. 鑄態 Al - 50% Si合金顯微(wēi)組(zǔ)織，侵(qīn)蝕(shí)劑(jì)
： （a）05% HF;水溶(róng)液(yè)和 （b） Weck's侵(qīn)蝕(shí)劑(jì)，組(zǔ)織(zhī)顯(xiǎn)示在(zài)Al – Si共(gòng)晶(jīng)組織周圍(wéi)的顯(xiǎn)示非常(cháng)大(dà)的塊狀的(dí)初(chū)晶Si顆(kē)粒。
圖 13.重(zhòng)力壓鑄(zhù) Al - 12.9% Si （未變質(zhì)處(chǔ)理） 侵蝕劑
：藍(lán)色(sè) Si侵(qīn)蝕(shí)劑，注意在(zài)初(chū)晶(jīng)Si和纖維(wéi)狀(zhuàng)的(dí)共(gòng)晶Si。

圖(tú) 14.重力壓鑄 Al - 12.9% Si 添(tiān)加 0.03% Ti 共晶Si細化（藍(lán)色Si Blue侵蝕(shí)劑）。
圖 15. 重(zhòng)力壓鑄(zhù) Al - 12.9% Si添加(jiā) 0.045% Sr 變質(zhì)後共晶(jīng)組織(zhī) （藍色(sè)Si侵蝕(shí)劑(jì)）。 沒有觀(guān)察(chá)到初(chū)晶(jīng)SI顆(kē)粒(lì)。
圖 16.重力壓(yā)鑄(zhù) Al - 12.9% Si 添(tiān)加 0.05 % Sr和(hé) 0.05% Ti。注意細致的(dí)共晶組織，長(cháng)針(zhēn)狀的顆粒是(shì)AlFeSi，這種組織的出現是(shì)為了防止鑄件(jiàn)與模具(jù)的的“粘(nián)結(jié)”，在鑄(zhù)造(zào)時添(tiān)加了 Fe元(yuán)素。

結(jié)論
Al-Si 合金(jīn)在鑄(zhù)造合金(jīn)中(zhōng)具有(yǒu)廣(guǎng)泛的(dí)商業(yè)應(yīng)用價值(zhí)， 亞共(gòng)晶的Al ~7% Si 合(hé)金廣泛的(dí)應(yīng)用(yòng)於(yú)汽車製造業，接(jiē)近(jìn)共晶(jīng)成分的合金也(yě)被廣(guǎng)泛使用，特(tè)別是在壓鑄(zhù)行業。過共(gòng)晶的合金(jīn)中(zhōng)包(bāo)含較大的(dí)塊(kuài)狀(zhuàng)Si的(dí)顆(kē)粒(lì)，其具(jù)有較高的耐(nài)磨(mó)性。Al-Si二元(yuán)相圖是了(liǎo)解這(zhè)些合(hé)金(jīn)的(dí)基(jī)礎。

CUTLAM2.0德國(guó)賀利(lì)氏古(gǔ)莎Heraeus Kulzer手動軌道式(shì)砂(shā)輪(lún)切割(gē)機(jī) 
PRESSLAM 2.0+德(dé)國(guó)賀(hè)利(lì)氏(shì)古(gǔ)莎(suō)Heraeus Kulzer全自(zì)動大尺寸(cùn)熱(rè)鑲(xiāng)嵌機 
MASTERLAM 2.0德(dé)國(guó)賀利氏(shì)Heraeus全(quán)自動磨拋(pāo)機 
SMARTLAM 2.0德國賀(hè)利(lì)氏(shì)Heraeus手動(dòng)磨拋(pāo)機(jī) 
CUTLAM Micro2德(dé)國(guó)賀利氏Heraeus精密(mì)切割機 
Technovit 3040德國(guó)賀(hè)利氏古莎Heraeus Kulzer高精(jīng)度(dù)印模樹脂 
Bio DIAMANT德(dé)國賀(hè)利(lì)氏古莎(suō)Heraeus金剛石拋(pāo)光磨料金(jīn)剛石(shí)懸浮液 
Finishing liquid德國賀利氏古(gǔ)莎(suō)Heraeus Kulzerzui終(zhōng)拋(pāo)光液 
Technocloth德國賀利氏古莎(suō)Heraeus拋(pāo)光布(bù) 
TECHNOGEOM PM德國賀利(lì)氏古(gǔ)莎Heraeus Kulzer寶(bǎo)石(shí)研磨(mó)砂(shā)紙(zhǐ) 
Cameo Disk德國賀利(lì)氏古(gǔ)莎Heraeus寶石(shí)鉑金磨盤(pán)金剛石(shí)磨盤(pán) 
Technovit 4006德國(guó)賀利(lì)氏古莎(suō)Heraeus高度透明(míng)冷(lěng)鑲嵌樹脂 
 

參(cān)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.
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.