（材料加工工程专业论文）铝基中间合金的制备及其对zl109合金的强化.pdf

太原理丁大学硕士研究生学位论文 铝基中间合金的制备及其对z l l 0 9 合金的强化 摘要 采用普通铸造的方法，制各出舢p 中间合金和a l c u m n p 准晶中间 合金和a i c u f e 准晶中间合金。中间合金分别按一3 p 、6 6 c u 2 0 m n l 4 和 6 5 c u 2 0 f e l 5 成分配料，在坩锅电阻炉中熔化。在a 1 6 6 c u 2 0 m n l 4 准晶中间 合金中加入p ，在6 5 c u 2 0 f e 】5 准晶中间合金中加入s i 。p 以c u p 中间合 金的形式加入，而s i 则以结晶硅的形式加入。熔炼好的舢一p 中间合金浇 注到预热至2 0 0 的金属型中冷却，而a l c u m n p 准晶中间合金和舢c u f e 准晶中间合金熔化好后将合金液浇注到室温的阶梯型的铜型中冷却。在 中间合金试样的相同部位选取试样进行金相显微分析x 射线衍射和扫描 电子显微镜分析，确定中间合金的显微组织和合金中的相组成。最后将 成分和相组成合格的中间合金加入到z l l 0 9 合金中，使其对z l l 0 9 合金 进行变质处理，改善合金的组织，提高合金的力学性能。 研究结果表明，采用磷盐与助熔剂的混合粉末加入到9 0 0 的铝液中 使其充分反应，磷盐中的p 能够与铝液中的铝化合，生成a l p 化合物， 从而制得p 中问合金。将p 中间合金加入到z l l 0 9 合金中对其进 行变质，能够细化组织，使z l l 0 9 合金的布氏硬度由变质前的1 0 5 下降 到8 5 左右，降低约2 0 ；并且一p 中间合金变质过程中无污染，可以 改善劳动环境，对工具没有腐蚀。 太原理工大学硕士研究生学位论文 在a i c u m n p 准晶中间合金的制备过程中，由于m n 在铝液中的溶解 困难，因此首先在铝液中加入p 来促进m n 在铝合金液中的溶解。在 a 1 c u m n 中加入磷后，在合金的金相显微组织中可以观察到有花瓣状组 织和平行杆状组织出现，经过x r d 分析和s e m 分析，确定其为准晶相。 另外，加磷以后，合金的宏观布氏硬度升高，基体的显微硬度随磷含量 的增加先降低后增大。将a 1 c u m n p 准晶中间合金加入到z l l 0 9 合金中 后，z l l 0 9 合金的显微组织细化，合金的硬度随加入量的增加而增大。 冲击韧性则先增大后减小。a 1 c u m n p 准晶中间合金加入量为3 时，综 合性能最佳。t 6 处理后硬度提高1 7 ，冲击韧性提高3 2 。 由于a 1 6 25 c u 2 5 f e l 2 5 二十面体准晶在热力学上是稳定的，因此可以通 过普通凝固的方法来获得。在实验条件下通过铜型冷却可以获得含有 舢6 25 c u 2 5 f e l 25 二十面体准晶的a i c u f e 中间合金。实验重点研究了s i 对 a 1 c u f e 准晶中间合金中准晶含量的影响。在合金中加入0 5 a t 的s i ，与 舢6 5 c u 2 0 f e l 5 相比，舢6 45 c u 2 0 f e l 5 s 合金中先结晶出1 3 相的含量减少，在 随后的包晶反应过程中，生成的准晶相的含量增加，准晶相的形成能力 提高，而最后凝固的? 相的含量也有所增加。总之，s i 可以促进准晶相 的形成，提高准晶相的相对含量。将a 1 c u f e 准晶中间合金加入到z l l 0 9 合金中，可以细化组织，改善性能。但合金中的非准晶相在z l l 0 9 合金 中形成富铁相，对提高合金的力学性能不不利，因此，将加入a i c u f e 准晶中间合金后的z l l 0 9 合金中加入m n ，来中和非准晶相的有害作用。 a i c u f e 准晶中间合金加入量为5 时，综合性能最佳。，1 1 6 处理后硬度提 i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 高6 ，冲击韧性提高6 0 。 综上所述，a 1 c u m n p 准晶中间合金对z l l 0 9 合金的强化效果优于 a 1 p 中间合金和a i c u f e 准晶中间合金。 关键词：铸造，越p 中间合金，a 1 c u m n p 准晶中间合金，a i c u f e 准晶中间合金，z l l 0 9 i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h ep r e p i 气r 气t 1 0 no fa l - b a s em a s t e ra l l o y a n di t ss t r e n g t h e n i n gz l l 0 9 a b s t r a c t t h ea 1 - pm a s t e ra l l o ya n dt h ea 1 c u m n pq u i s i c r y s t a lm a s t e ra l l o ya n d t h ea 1 c u f eq u i s i c r y s t a lm a s t e ra l l o yw e r em a n u f a c t u r e du n d e rc o n v e n t i o n a l c a s t i n g c o n d i t i o n t h em a s t e r a l l o y s w e r ep r e p a r e dw i t hac h e m i c a l c o m p o s i t i o na 1 - 3 pa n da 1 6 6 c u 2 0 m n l 4a n da 1 6 5 c u 2 0 f e l 5 ，a n dw a sm e l t e di na c r u c i b l ee l e c t r i c a lr e s i s t a n c ef u m a c e t h ep h o s p h o r u sw a sa d d e di n t ot h e a 1 6 6 c u 2 0 m n l 4m a s t e ra l l o yb yt h ec u - pm a s t e ra l l o ya n dt h es i l i c o nw a sa d d e d i n t ot h ea 1 6 5 c u 2 0 f e l 5m a s t e ra l l o yb yt h ec r y s t a ls i l i c o n t h ea i pm a s t e ra l l o y w a sc a s ti n t ot h ec a v i t yo fai r o nm o u l dw h i c hw a s2 0 0 c ，b u tt h ea 1 c u m n p q u i s i c r y s t a lm a s t e ra l l o ya n da 1 c u f eq u i s i c r y s t a lm a s t e ra l l o yw e r ep o u r e d i n t oac o p p e rm o u l dw h i c hw a s r o o mt e m p e r a t u r e m i c r o s t r u c t u r ea n dp h a s e c o n s t i t u t e so ft h es o l i d i f i e da 1 pm a s t e ra l l o ya n da 1 c u m n pq u i s i c r y s t a l m a s t e ra l l o ya n da i c u f eq u i s i c r y s t a lm a s t e ra l l o yw e r es t u d i e du s i n go p t i c a l m i c r o s c o p y , x r a yd i f f r a c t i o na n ds c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) a t i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 l a s t ，t h em a s t e ra l l o yt h a tp a s s e dm u s t e rw e r ea d d e di n t oz l l 0 9a n dm o d i f i e d t h ea l l o y ，i m p r o v e dt h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo fz l l 0 9 t h er e s u l ts h o wt h a t ，t h em i x t u r eo fp h o s p h o r u ss a l ta n df l u xw a sa d d e d i n t ot h ea l u m i n u m l i q u i d w h i c hm a d et h e mr e a c t i o ns u f f i c i e n t l y ，t h e p h o s p h o r u si np h o s p h o r u ss a l tc o u l dr e a c t e dw i t ha l u m i n u m i nt h ea l u m i n u m l i q u i d ，w h i c hr e a c t a n tw a sa l p , t h u st h ea l - pm a s t e ra l l o yw a sp r e p a r e d t h e a 1 一pm a s t e r a l l o y w a sa d d e di n t oz l l 0 9 ，t h em i c r o s t r u c t u r eo fz l l 0 9 b e c a m et h i n t h em a c r o h a r d n e s so fz l l 0 9w a sf r o m1 0 5h bb e f o r e m o d i f i c a t i o nt o8 5h b ，a n dd e c l i n e da b o u t2 0 t h ec o u r s et h a tt h ea 1 - p m a s t e ra l l o yw a sa d d e di n t oz l l 0 9w a s n tc o n t a m i n a t i v e ，a n di m p r o v e dt h e w o r kc o n d i t i o n ，a n dh a d n te r o d e dt h et 0 0 1 i nt h ec o u r s eo fm a n u f a c t u r eo ft h ea 1 c u m n pq u i s i c r y s t a lm a s t e ra l l o y , b e c a u s et h em a n g a n e s ew a s n te a s yt od i s s o l v ei nt h ea l u m i n u ml i q u i d ，f i r s t l y t h ep h o s p h o rw a sa d d e di n t ot h ea l u m i n u ml i q u i d ，w h i c hc o u l dd i s s o l v et h e m a n g a n e s ei nt h ea l u m i n u ml i q u i d i ti sf o u n dt h a ta f t e ra d d i n gt h ep h o s p h o r t ot h ea 1 c u m na l l o y s ，t h e r ei sm u c hf l o w e r - l i k ea n dp a r a l l e ls t r u c t u r e b yt h e x r da n ds e ma n a l y s e s ，w ee n s u r et h e yw e r eq u a s i c r y s t a l l i n e i na d d i t i o n ， t h eh a r d n e s so ft h e a l l o y s w a si n c r e a s e da f t e r a d d i n gp h o s p h o r t h e m i c r o c o s m i ch a r d n e s so f m a t r i xf a l l sa tf i r s t ，a n d t h e ni n c r e a s e d t h e a l c u m n pq u i s i c r y s t a lm a s t e ra l l o yw a sa d d e di n t oz l l 0 9 ，t h em i c r o s t r u c t u r e o fz l l 0 9b e c a m et h i n t h em a c r o h a r d n e s so fz l l 0 9w a si n c r e a s e db yt h e v 太原理工大学硕士研究生学位论文 i n c r e a s eo ft h ea 1 c u m n pq u i s i c r y s t a lm a s t e ra l l o y , b u tt h ei m p a c tt o u g h n e s s i n c r e a s e da tf i r s t t h e nd e c r e a s e d w h e na d d i n g3 a 1 c u m n pq u i s i c r y s t a l m a s t e ra l l o yi n t oz l l 0 9 ，t h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo fz l l 0 9w a st h eb e s t a f t e rt 6t r e a t m e n t ，t h eh a r d n e s sw a si m p r o v e da b o u t1 7 ，t h ei m p a c t t o u g h n e s sw a si m p r o v e da b o u t3 2 d u et o t h e r m o d y n a m i cs t a b i l i t y o ft h ei c o s a h e d r a l q u a s i c r y s t a l l i n e a 1 6 2 5 c u 2 5 f e l 2 5p h a s e ，q u a s i c r y s t a l l i n ea 1 c u f ea l l o yc a nb eo b t a i n e du n d e r c o n v e n t i o n a lc a s t i n gc o n d i t i o n o nc o n d i t i o no fe x p e r i m e n t ，i tc o u l do b t a i n a 1 c u f em a s t e r a l l o yi n c l u d i n g t h ei c o s a h e d r a l q u a s i c r y s t a l l i n e a 1 6 2 5 c u 2 5 f e l 2 5p h a s eb yt h ew a yt h a tc o o l i n gi nt h ec o p p e rm o u l d t h e e m p h a s i so ft h i se x p e r i m e n tw a st h ee f f e c to ft h es i l i c o nt ot h ef r a c t i o no ft h e i c o s a h e d r a lq u a s i c r y s t a l l i n ea 1 6 2 5 c u 2 5 f e l 2 5p h a s ei nt h ea 1 c u f em a s t e ra l l o y a d d e d0 5 a t s i r e p l a c i n g t h ea ia t o m si n t oa 1 6 5 c u 2 0 f e l 5m a s t e ra l l o y , c o m p a r e dw i t ht h ea 1 6 5 c u 2 0 f e l 5m a s t e ra l l o y , p d 6 4 5 c u 2 0 f e l 5 s i 0 5 m a s t e r a l l o yh a ds m a l l e rv o l u m ef r a c t i o no f1 3p h a s e ，w h i c hi sp r i m a r ys o l i d i f i e d ， l a r g e rv o l u m ef r a c t i o no ft h eq u a s i c r y s t a lp h a s e ，w h i c hg e n e r a t e d i nt h e s u b s e q u e n tp e r i t e c t i cr e a c t i o n ，a n dl a r g e rv o l u m ef r a c t i o no f ? p h a s e ，w h i c h i s f i n a l l y s o l i d i f i e d i ng e n e r a l ，t h eh ea d d i t i o no fs ic a np r o m o t et h e f o r m a t i o na b i l i t yo ft h ei c o s a h e d r a lq u a s i c r y s t a l l i n e 砧6 2 5 c u 2 5 f e l 25p h a s ei n a 1 c u f ea l l o ya n di m p r o v e dt h ef r a c t i o no ft h ei c o s a h e d r a lq u a s i c r y s t a l l i n e a 1 6 2s c u 2 5 f e l z 5p h a s e v i 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h ea 1 c u f eq u i s i c r y s t a lm a s t e ra l l o yw a sa d d e di n t oz l l 0 9 ，t h e m i c r o s t r u c t u r eo fz l l 0 9c o u l db et h i n ，a n dt h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo f z l l 0 9c o u l db e i m p r o v e d b u tt h en o n q u a s i c r y s t a l l i n e i nt h ea 1 c u f e q u i s i c r y s t a lm a s t e ra l l o yw a sh a r m f u lt oz l l 0 9 ，t h e yw e r e n tb e n e f i tt o t h e m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo fz l l 0 9 ，s oa d d e dt h em a n g a n e s et oz l l 0 9t h a t h a da d d e dt h e 舢c u f eq u i s i c r y s t a lm a s t e ra l l o y m a n g a n e s ec o u l da v o i dt h e h a r mt h a t b r i n gb yt h en o n q u a s i c r y s t a l l i n e w h e na d d i n g5 a 1 c u f e q u i s i c r y s t a lm a s t e ra l l o yi n t oz l l 0 9 ，t h em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eo fz l l 0 9 w a st h eb e s t a f t e rt 6t r e a t m e n t ，t h eh a r d n e s sw a si m p r o v e da b o u t6 ，t h e i m p a c tt o u g h n e s sw a si m p r o v e da b o u t6 0 i ng e n e r a l ，t h er e i n f o r c e de f f e c to ft h ea 1 c u m n p q u i s i c r y s t a lm a s t e ra l l o y t oz l l 0 9e x c e l l e dt oa i - p m a s t e ra l l o ya n dt h ea i c u f eq u i s i c r y s t a lm a s t e r a l l o y k e yw o r d s ：c a s t ，t h ea i pm a s t e ra l l o y , t h ea 1 c u m n pq u i s i c r y s t a l m a s t e ra l l o y , t h ea 1 c u f eq u i s i c r y s t a lm a s t e ra l l o y , z l l 0 9 v i i 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：翟銎丞至 一 日期：趁翌么止址 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的。 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定j 。 签名：旌弧至e t i 菲i ：趁么15 = 笾一 1 j 、 导师签名：i 荔垒立土1日期：兰堕厶! 纠 太原理一i ：人学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 铝硅合金的国内外研究现状 铝是一种年轻的金属，从诞生起到现在也不过2 0 0 年历史，因其具有一系列无可 比拟的优点，因而发展十分迅猛。1 9 4 0 年全球的铝产量仅l m t ，1 9 7 0 年猛增到1 0 m t 。 1 9 8 5 年达2 0 m t ，而现在已超过2 4 m t 。 1 1 1 a i - s i 系合金的性能 铸造a l s i 系合金是典型的共晶型合金，通常称为硅铝明。a 1 s i 二元合金具有简 单的共晶型相图。a 1 s i 合金中a i 相和s i 相形成简单的二元共晶，共晶成分为 1 2 6 s i 。当合金中含硅量大于1 6 5 时，结晶过程中，5 7 7 c 时将析出( + p ) 共晶体。 因此当硅含量小于1 2 6 时，即亚共晶a l s i 合金，常规凝固组织由初生a 和( + p ) 共 晶体组成：当s i 含量超过1 2 6 时，即过共晶a l - s i 合金，常规凝固组织由初生p 和( + b ) 共晶体组成；而当硅含量正好等于1 2 6 时，即为共晶型a l s i 合金，平衡凝固 组织由( a + 1 3 ) 共晶体组成。但由于实际凝固过程中往往是非平衡结晶，因此，凝固组 织中常常存在初生的d 相。a 相是s i 溶于a l 中的固溶体，性能和纯铝相似。p 是a l 溶于s i 中的固溶体，但其量极少，可将1 3 看成是纯硅【2 】。 铸造a 1 s i 合会具有优良的铸造性能，如收收缩率小、流动性好，气密性好和热 裂倾向小等。对亚共晶铝硅合金，随着硅含量的增加，结晶温度范围变小，合金的流 动性提高；对过共晶铝硅合会而言，由于结晶硅的析出放出大量的结晶潜热，因此， 合会的流动性最好。铸造铝硅合金当含硅量在1 6 1 8 时，其流动性最好。含硅 量大于5 的铝硅合盒具有相当好的充型能力，气密性好，热裂倾向小。虽然纯铝的 线收缩率较大，但硅几乎不收缩，因此，随着硅含量的增加，合金的线膨胀系数和热 裂倾向减小。 a 1 s i 合企中的b ( s i ) 相显微硬度很高，为h v l 0 0 01 3 0 0 而q ( a 1 ) 相显微硬度 仅为h v 6 0 1 0 0 ，该合金是一种软基体上分御着很多硬质点的理想轻质耐磨材料， 其耐磨性随着硅增加而提高。因此共晶和过共晶a 1 s i 合金是活塞合金的理想材料1 2 j 。 太原理下人学硕士研究生! 学位论文 经变质处理后，铝硅合金还具有许多良好的机械性能、物理性能和切削加工性能， 是铸造铝合金中品种最多、用量最大的合金。 1 1 2 铝硅合金变质处理的研究现状 由于铝硅合金中硅含量比较高时，随着含硅量的增加，共晶硅随之增加，虽然铸 造性能获得改善，但组织中出现针状的共晶硅，甚至出现粗大的多角形板状初晶硅， 严重地割裂了铝基体，在硅相的尖端和棱角处引起应力集中，合金容易沿晶粒的边界 处或者板状硅本身开裂而形成裂纹，使合金变脆，机械性能特别是伸长率显著降低， 切削加工性能也不好。近年来这类合金发展很快，不仅在成型铸件中得到广泛应用， 而且在变形加工材料中均能到广泛使用。但是，过共晶铝硅合金在凝固过程中析出粗 大的初晶硅因其硬度高，脆性大，大块状初晶硅呈板状分布，使合金的；0 n - r 性能变坏， 且有大量粗针状共品硅分布，对机械性能，切削性能，和耐磨性能不利，必须对铝硅 合金进行变质处理，改善合金的显微组织，提高合金的机械性能。 硅属于面心立方晶格，具有钻石结构。属于小平面生长，其 1 1 1 ) 密排面的j a c k s o n 因子数并不高，由于a 1 1 1 ) s i = 2 6 7 7 2 ，a 1 1 0 s i _ 0 8 9 ( 2 ，a 1 0 0 s i = 1 7 8 ( 2 ，所以只 有 1 1 1 面是光滑界面，而其它的两个面为粗糙界面，因此，s i 晶体的生长处于邻近 小平面非小平面生长的界线上，同b i 、s b 相似，属于边界材料【3 j 。这种材料具有两 个特征：首先，在晶体的凝固界面上，有原子尺寸的固有生长台阶，而不是绝对光滑 的；其次，当晶体非平衡结晶时，随冷却速度的提高，凝固界面的固有生长台阶的密 度增加界面向粗糙化转化，表现出从各向异性向各向同性生长过度。在未变质的a l s i 合金中，共晶硅呈粗大的板片状，s i 晶体中存在少量的孪晶| 4 j 。 1 1 2 1 铝硅合金变质的物理方法 ( 1 ) 快速凝固 快速凝固也称为急冷凝固，主要是通过提高凝固冷却速度的方法来增大凝固过冷 度和凝固速度，从而细化合金微观组织。快速凝固技术能够解决变质处理无法解决的 问题，是一种有效细化过共晶a l s i 合金组织的方法。因此，在国内外得到广泛的 研究。采用快速凝固技术研究a 1 s i 合金始于上世纪六十年代，d x i o n 成功地用粉术 冶盒方法制得了硅含量高达4 5 w t 的过共晶a 1 一s i 合金，而且初晶s i 十分细小、分柿 均匀j 。 七十年代，s k e l l y 等对含硅量在2 5 4 5 w t 的快速凝固a l - s i 二元合金及 2 太原理工人学硕十研究生! 学位论文 三元合金进行了研究，制得了具有较高耐磨性的新型材料 6 。自此，快速凝固a l - s i 系合金的研究工作迅速展开。八十年代日本率先采用气体雾化粉米冶金和粉末锻造相 结合的快速凝固技术，将快速凝固a l s i 系合金应用于实际生产， 并且通过对快凝 工艺和粉末固结技术的不断研究，产品性能得到了稳定和提高，并在调整合会成分 的基础上，使快速凝固a 1 s i 系合金的一些附加性能也得到了改善，如耐热性、耐疲 劳性等。与此同时，日本的一些公司，如日本s u m i t o m o 轻金属有限公司等，着手于 降低制备快速凝固a 1 s i 系合金的制造成本工作，把喷射沉积快速凝固工艺引入生产 中，采用制备快凝坯锭的方法代替雾化制粉工艺，使生产工序大为简化，成本有所降 低。近几年，荷兰的z h o u 等也对快凝气体雾化a 1 s i 多元系合余挤压工艺，挤压后 的组织、性能等进行了系统研究，获得了高耐磨、耐热的过共晶a l - s i 合金1 7j 。此外， 美国的l a v e m i a 和法国的m o c e l l i n 对喷射沉积a 1 s i 系合金的微观组织和性能进行了 研究。 国内北京科技大学、哈尔滨工业大学、沈阳工业大学等单位也开展了快速凝固 a l s i 系合金的研究。北京科技大学利用喷射沉积技术制备了a 1 s i 2 0 n i 4 c u 3m g 合金 粉末，研究了挤压和t 6 热处理对粉末组织的影响，发现上述工艺能有效阻碍s i 原子 的扩散，抑制初晶s i 的长大【引。华南理工大学采用高压水雾化法制备了高硅铝合金粉 末，研究发现高压水雾化法制得的合金粉末组织比同种合会铸态组织有明显细化【9 】。 沈阳工业大学利用双级雾化水冷制备了( 2 0 2 4 a 1 ) 2 0 s i 5 f e 合金，合会常温强度为 5 6 0 m p a ，4 7 3 k 时的强度为4 0 0m p a ，滑动摩擦系数比铸造合金低1 0 ，摩擦十五分 钟后的磨损失重为铸造合金的3 8 i 。0 】。因此，采用快速凝固技术可以有效细化过共 晶a 1 一s i 合金，得到高性能的耐磨轻质材料。目前，快速凝固a l - s i 系合金仅在日本 有应用报道，主要用于制造汽车发动机的耐磨零部件j 。 快速凝固技术过程复杂技术成本高，不能达到大批量生产低成本的要求。因此， 寻找一种新型低成本过共晶a l - s i 合金制备技术是十分必要的。 半固态成形，采有动力学方法细化过共晶铝硅合金中共晶硅主要是促使枝晶折 断、破碎、使品粒数量增加，尺寸减小。近年来，一些学者将半固态加上技术应用到 过共品铝硅合金，半固态成形工艺采用特殊方法生产所需组织结构的材料“。同前可 生产这种坯料的工艺主要有3 种，但只有前两种进入了商业化生产阶段：电磁流体 3 太原理| ：人学硕十研究生学位论文 动力学铸造法，即电磁搅拌法；应变熔化法：机械搅拌法。 电磁搅拌法首先是美国阿卢马克斯工程金属工艺公司( a e m p ) 生产半固态加工 锭坯的。它于1 9 7 8 年铸出了符合要求的圆锭。9 0 年代，c 佛费斯( c h a r l e sv i v e s ) 发 明了一种新型电磁搅拌流变铸造，可简称电磁流变铸造( e l e c t r o m a g n e t i cr h e o c a s t i n g ) ， 采用旋转永久磁铁磁场对凝固着的铝熔体进行强有力的搅拌 1 2 1 流变铸造锭坯晶粒细 小、组织均匀，几乎不存在疏松与显微气孔，力学性能高。为半固态铸造件的优质高 产与高的重现性创造了先决条件。电磁搅拌铸造锭的晶粒尺寸一般可达6 0p m ，为细 小的适合半固态铸造的球状等轴晶粒。 应变熔化法的工艺流程为：对热挤压或热轧的直径较大的棒材施加相当大的冷变 形，然后把它加热到固相线与液相线之间的某一温度，即固一液状态。保温一定时间， 凝固后就可形成非树枝状的半固态组织。这种获得细小球状等轴晶粒组织的工艺，日 前还不能从理论上获得圆满的解释。但一般认为是回复与再结晶的结果i l 。 国内，毛卫民等【1 4 】人研究了电磁搅拌法，该研究表明，合会中的si ) 2 4 w t 时， 电磁搅拌会使初晶硅显著细化和圆钝化，但合金中的si ) 3 0 w t 时，电磁搅拌仍然 细化了大部分初晶硅，但无法完全消除粗大的板片状初晶硅。提高合金熔体冷却速度 和改变搅拌方向都会细化初晶硅，但会降低尖角圆钝化：在电磁搅拌条件下，过共晶 铝硅合金中的初晶硅发生细化和球团化的主要原因是，搅拌引起合金熔体温度场、溶 质场的均匀化，引起初晶硅的机械破碎、相互摩擦、熟化和抑制初晶硅各向异性生长。 张守魁研究了过共晶a 1 2 2 w t s i 合金在旋转磁场作用下的凝固组织网，发现由于旋 转磁场的作用，试样表层初晶硅破碎、脱落，增加了晶核，使初晶硅得以细化。同时， 硅结晶要放出大量的结晶潜热，因而抑制了内部初晶硅的析出，使硅原子较易向表面 扩散，形成了初晶硅富集层( 约1 4 n m ) ，使试样表面硬度和耐一磨性得到明显提高。 旋转磁场与磷变质共同作用，效果更佳。 当冷变形相当大时就会发生恢复与再结晶过程，形成新的晶界。若晶界能大于 固一液界而能的2 倍，这种界面就是大角晶界的表面，液相会进入这些晶界，大的晶 粒的碎化形成细小的品粒。在原来的树枝状晶粒碎化的同时，尖锐的凸起部分熔化， 由于扩散作用，凹处则发生凝固，于是液相基体结晶成细小的球状等轴晶粒组织。 机械搅拌法最早用于流变铸造生产，但同前在：亡业生产中很少采用，大多用于试 4 太原理r 人学硕士研究生学位论文 验工作，虽然简单易行，但工艺参数不易控制，很难保证产品质量的一致性。锭坯的 晶粒尺寸较大，一般为2 0 0u m 左右。此法的另一不足之处是有运动器械与高温熔体 接触，目前能量消耗也较大。 1 ，1 2 2 铝硅合金变质的化学方法 铝硅合金变质的化学方法，即通常所说的变质处理。近年来，国内外关于铝硅合 金硅相细化变质的机理有两种较为公认，即孪晶凹谷机制和界面台阶机制【l5 1 。我们以 钠为例来对这些理论进行分析，孪晶凹谷机制基于在共晶硅生长过程中硅片的结晶 前沿成孪晶凹谷，钠变质后，钠原子阻塞了凹谷生长，分割了原来的片状结构，使硅 晶体由片状变成等轴断面的弯曲纤维状。同时，硅与铝的共晶结晶的“小平面月e 小平 面”共生性质接近“非小平面非小平面”生长【 】，形成相互协调的较规则的棒状、纤维 状硅晶体。界面台阶机制认为，晶体生长前沿的凝固界面上存在很多界面台阶，钠变 质后，钠原子优先吸附于该界面台阶处钝化了界面台阶生长源使它很难再接纳硅原 子。同时，钠原子在硅晶体表面诱发出高密度的孪晶，它能够接纳硅原，成为硅晶体 生长源另外，抑制形核学说是变质机理的另一种较为合理的学说，最后还应指出，硅 相在固溶过程中经历了缩颈，熔断，粒化，粗化过程：固溶初期硅相以缩颈熔断为主， 同时伴随长大，随着时间的延长，开始熔断，且硅相的溶解和扩散趋于平衡，硅相粗 化缓慢，最后，硅相的粗化主要受到扩散的控制。对过共晶铝硅合金有双重变质效果 的元素有：钴、钒、锰、铯、钛、锆、铅、钠、钾、钙、稀土。常见的有单纯变质作 用( 细化初晶硅) 的元素有：银，钙，钡、锡，磷，钼，钨，碘等。常用的能够对初 晶硅或共晶硅起变质作用的元素有： 钠：变质作用强，变质效果不受精炼处理的干扰，变质效果时间短，钠在铝液中 易挥发烧损，且不能重熔( 失效) ，易吸潮，必要时要进行重熔脱水处理，并且对坩 埚及工具有侵蚀作用【1 8 l 。 锑，变质有效时间长，是一种长效变质剂，操作方便，对坩埚无侵蚀，变质效果 对冷速敏感，不适宜会属型，不能与钠盐变质的回炉料相混，否则形成n a 2 s b ，减弱 变质效果，并产生夹杂，锑易比重偏析。 锶变质，用量小，有效时间长，变质温度范围广，对坩埚无侵蚀，价格昂贵，容 易受到合金中氮和磷的干扰。 5 太原理】：人学硕士研究生学位论文 铋，有效时间长，操作方便，对坩埚无侵蚀，变质效果对砂型不太理想，易比重 偏析川。 碲，工艺简便，处理时无烟、无气味、无公害；经济合适，具有长效性，三次重 熔不失效；提高强度性能有限。 钡： 使用范围广，对亚共晶、共晶、甚至过共晶铝硅合金中的硅都有变质效果， 工艺简便，效果良好，且比s r 来源丰富，价格低；对砂型的壁厚敏感性大。b a 原子 半径大，其在铝硅合金中的溶解和均匀化需一段时间，实验选取6 0 m i n 最低变质时间， 并在此期间搅动2 3 次，加速b a 的溶解和均匀化【2 2 】；对z l l 0 7 的实验还发现，b a 对初生a 固溶体也有细化作用【2 3 】。 磷：变质时间长，炉料重熔性好，具有较高的高温强度，低的热膨胀系数，良好 的耐磨性，变质初晶硅效果良好，熔渣较多，变质时产生较多的烟雾，污染环境 2 4 , 2 5 1 。 稀i t 2 4 】：单一的有c e 、l a 、n d ( o 7 5 、0 0 5 、o 2 5 ) 混合( 1 ) 可获得全 变质组织，且高温性能和热稳定性均提高。改善了切削性能。稀土元素与氢元素有很 大的亲和力并能大量地吸附和溶解氢，当它加入合金中后，与溶解在合金液中的氢原 子相遇并发生化学反应，形成稳定的c e h 2 、l a h 2 和y h 2 等氢化物，这些氢化物熔点 高，比重大于铝，因此弥撒分布在合余液中或沉积在铸件底下部，使合金中游离氢原 子浓度明显降低。当混合稀土加入量过多时，特别是以铝稀土中间合金的形式加入时， 将会在熔炼过程中带入氧化夹杂物、水分和气体，使合金液的温度降低，粘度增大， 从而使含氢量增加。 硫加入铝液中生成a 1 2 s 3 化合物，熔点1 1 0 0 + 1 0 。c ，晶格常数a = 3 7 a ，b = 5 9 4 a ， 因此，a 1 2 s 3 质点可作为s i 的非均质晶核，从而细化初晶硅【2 6 】。 1 1 3 a | - s i 合金的应用现状及存在的问题 1 1 31 a | - s i 合金的应用现状 近2 0 年来，世界汽车工业面临着越来越严峻的三大问题：能源、环境、安全。因 此，减轻汽车自重、降低能耗、降低噪音、减少废气排放、在提高效率的基础上装备 更多的高科技设备成为各大汽车生产厂家提高竞争力的关键。汽车减重主要是汽车材 料轻量化和发动机高效化，以轿车论，减重1 0 油耗可降低8 1 0 ，而1 6 - 2 0 t 的 6 太原理丁火学硕+ 研究生学位论文 卡车每减重1 0 0 0 k g 油耗可降低6 一7 。可见，减轻车重显著提高燃油效率。铝的 密度仅为钢的l 3 ，且有优良的耐蚀性和延展性。使用铝合金是目前各国汽车制造商 的主要减重措施。 | 川 e l 1 1 1 7 t 1 。卜l l ，f 1 为t n ，- i 发胜j ：、f f ，之。， 7 t 个心。+ ： 叫t 圳址轿7 l - j ：艟：瞄 j 韭j 生骨k jc ，| ri j ：，j 、j 诉1 ：7 r ，+ = j ，地( j 7 l9 1 j 山用1 l j ? i ：j ： ：，i “i 铁1 ；h 桑j 替 m ， 儿- i 叫i 并j l ：人汁次刊j 州怀铍) i7 ：。：j 人| | | f l “业j 竹d i l ，j j 限竹i i ，、n 1 住；材瀚m 1 1j 场。找洲i 7 i 乍j 、门j 世迎发j 越4 孑。* 功铸件m 产的e 述j 卿k 。随符，l 1 刮：能、安0 7 及排 放。婴二j 之的f ，：b 7 l 缛什7 rj 1 ：向_ i 4 t 艟化、蚰；刚 图1 1 世界各国轿车用铝量 f i g 1 1 t h ea m o u n to f a l u m i n u mu s e di nc a r s 七、特：帛：化、复合化方。m 发艇。4 引。化的弧喽途隆魁采fj j 毫：度小的存包会届。卜要世 t h f ? 金或移：f ? _ 7 4 膏：l j i j 址4 疗1 ：采川f j ! 州：铸什t 卫多l “j 。h1 9 i “：为i ij 界符轿乍川引 蘸 | tr jj 堑卟变化殷坍。早在3 0 年代日本就将过共晶a 1 s i 合金应用于车辆制造，近年来 同本的摩托车活塞都是用这类合金生产的，并逐步扩大到载重汽车和小轿车，澳大利 亚将过共晶a i s i 合金a 3 9 0 ( 1 7 s i ) 用于制作全铝汽车汽缸的铸件，德国将喷射沉 积过共晶a 1 s i 合金用在制造高级轿车发动机和空调机的转子，美国、前苏联也有系 列的过共晶a 1 s i 合金牌号，应用十分广泛。 近年来，世界各国广泛采用铝等有色合会代替钢铁件。美国，德国，前苏联，同 本，法国等都有了一系列的共品型铝硅合会牌号。g m 公司1 9 7 8 年铝构件占车重 3 4 6 ，1 9 9 5 年增至9 1 2 ；现在北美每辆汽车平均用铝9 1 k g ， 制造商预测至2 0 0 5 7 太原理i ：人：学硕士研究生学位论文 年，将达到1 3 0 2 3 0 k g ：同本近年亦进步很快1 2 ”。1 9 9 5 年用铝达车重的8 3 ，并且 单车铝合金用量呈逐年递增的趋势。发动机高效