（材料加工工程专业论文）亚共晶铝硅合金熔体温度处理工艺研究.pdf

上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密d ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：可轧指导教师签名：劳孥j ；乙 日期：2 矿6 年) 一月日日期：谚年五月彩日 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 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。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位做储虢l 最 日期：加。弓年硼为日 上海变通大学顽士学位论文王荣 亚共晶铝硅合金熔体温度处理工艺研究 摘要 亚共晶铝硅合金以其优秀的力学性能和铸造性能而成为汽车工业中广泛运 用的一种合金材料。但在常规熔炼条件下，其凝固组织晶粒往往较为粗大，使其 力学性能大打折扣，需要进行晶粒细化以提升其力学性能。 常用的化学细化方法虽然工艺简单，成本较低，但会引入杂质元素物理 细化方式虽然能够保持合金纯净，但能耗较高，工艺也很复杂。本文所使用的熔 体温度处理方法是细化金属凝固组织的一种新的物理方法。该工艺利用金属熔体 在不同温度下的不同性质来细化晶粒，它具备低能耗、低成本的优点，细化效果 十分明显。另外，此工艺不需要专有设备，操作简单，清洁环保，并且易于实现 大规模生产。 本论文以亚共晶铝硅合金a 3 1 9 为对象，研究了熔体温度处理工艺对亚共晶 铝硅合金的细化效果。探讨了熔体温度处理工艺的参数对其细化效果的影响。这 些参数包括：高低熔体温度、冷却速度、混熔时间并对这些工艺参数进行了优 化。 本文还着重研究了低温熔体的不同物理状态对熔体温度处理细化晶粒效果 的影响。针对该工艺中存在的高温熔体严重氧化问题，采用熔剂保护法对处理工 艺进行了改进。取得了良好的研究成果。最后，本文还对熔体温度处理工艺的细 化机理进行了初步探讨 关键词：熔体温度处理，亚共晶铝硅合金，工艺参数 上海交通大学硕士学位论文王荣 t h ee f f e c to fm e i jt h e r 队lt r e a t m e a to n h y p o e u t e c t i ca l - s ia l l o y h 艄t e c t i c a l s ia l l o yi sa w i d e l yu s e dm e t a lm a t e r i a li na u t o m o b i l ei n d u s t r yd u e t oi t sg o o dm e c h a n i c sc a p a b i l i t y b u tp o o rs o l i d i f i c a t i o ns t r u c t m e sa t ef o u n di ni t w h e nm e l t e di ng e n e r a lc o n d i t i o n s ot h eb 】，p 伽删ca i - s ia u o yn d st ob er e f i n e d t o m e e t t h e r e q u i x m n e n t o f a p p l i c a t i o n g e n e r a l l ys p e a k i n g , t h e r e 黜t w om e t h o d st ot e f i n ea l l o y t h ec h e m i c a lm e t h o di s f a m o u sf o ri t sg o o dr e f u t i n ga b i l i t y , b u ti tw i l lb r i n gi m p u r i t i e si n t ot h ea l l o y t h e p h y s i c a lm e t h o d 啪a l w a y sa v o i di m p u r i t i e s b u tm o r 口e n e r g yi sn e e d e dt or e a c h g o o dr e f i n i n ge f f e c ta n dm o r ec o m p l i c a t e dt o o l sa r er e q u i r e d m e l tt h e n m lt r e a t m e n t ( m y r ) i san e wk i n do fp h y s i c a lm e t h o dt or e f i n et h e s o l i d i f i c 觚o ns 缸 尬t i l 埠o fa l l o y i nt h i st h e s i s , t h ee f f e c t so fm t t0 1 1 硒，p 黜c 吐c a i - s ia l 眵a 3 1 9w e r es t u d i e di nd e t a i l t h ep a r a m e t e r s , s u c ha st h et e m p e r a t u r eo f h t m 饵i g h e rt e m p e r a t u r em e l t ) a n dl t m ( 1 o w e rt e m p e r a t u r em e l t ) ，e n o l 堍r a t e a n d h o l d i n gt i m ea f t e rm i x i n g ，h a v eb e e no p t i m i z e d t h ee f f e c to f d i f f e r e n tp 姆s i c a l s t a t e so fl t m0 1 1f i n a l “d i 五6 伽s l r u c t u r ew a sa l s os t u d i e d t op r e v e n tt h e o x i d a t i o no f h t m d u r i n gt h ep r o c e s s i n go f m t t ，t h ep r o t e c t i n gm e t h o dw i t h f l u xw a s t r i e d a tl a s tt h et e r m i n gm e c h a n i s mo f m t ti sa l s od i s c u s s e d k e yw o r d s ： m e l tt h e r m a l t r e a t m e n t , h y p o e n t e c t i ca i - s ia u o y , p i o s s i n g p a m 加e t c r s 2 上海交通大学磺士学位论文王荣 1 1 序言 第一章文献综述 铝是地球上含量极丰富的金属元素，其蕴藏量在金属中捧第二位。目前铝及 其合金已经成为工程应用中非常具有竞争力的金属。航空、建筑、汽车三大重要 工业的发展，要求材料具有铝及其合金的独特性质，这就大大有利于铝及其合金 的生产及应用。 铸造铝硅合金具有优秀的铸造工艺性能和气密性，可用于砂型、金属型铸造 和压力铸造，是当前工业中应用最广泛的铸造铝合金。这其中高硅铝硅合金具有 重量轻、成本低、耐磨耐腐蚀性能好、热膨胀系数小等诸多优点而硅含量在 1 2 5 以下的亚共晶铝硅合金以其优异的力学性能和铸造性能面受到各行业的 青睬 但在生产实践中，以常规熔炼方法获得的铝硅合金铸件往往因为其晶粒过于 粗大而导致其力学性能下降，严重影响到了该种合金的应用前景。因此，对铝硅 合金凝固组织晶粒的细化方法研究，一直是铝合金处理工艺研究中的一个活跃领 域。 目前，金属组织细化采用的方法主要有两类；第一类是在液态金属中加入细 化剂的化学细化法；第二类是对金属凝固过程进行动力学处理的物理细化法。下 面，我们将进一步阐述这些细化工艺的原理及其研究现状 1 2 化学细化工艺的研究概况 化学细化工艺由于具有效果明显的特点，一直以来都是晶粒细化研究的重 点。经过多年的系统研究已经形成了一套较为完整的理论体系和运用方法【l i 】。本 节将对钛、硼等元素的细化效果，化学细化的中毒和衰退现象进行深入描述。 1 2 。l - 镘元素对铝熔体晶粒的细化效果及其机理 自从上世纪4 0 年代开始，人们已经发现在铝及其合金中加入微量钛能大大细 化晶粒，提高力学性能。数十年来，发表了很多相关的学术论文，提供了大量的 上海交通大学硕士学位论文王荣 试验数据和资料，积累了丰富的生产实践经验。目前，已经发现的钛对铝及其合 金的晶粒细化现象主要有： 1 纯铝中加入微量钛能大大细化晶粒( 见图1 - 1 ) 。随着铝液静置时间的延 长，细化效果逐渐衰退( 见图1 - 2 ) 。 2 铝的纯度从9 9 9 9 9 降到9 9 9 9 后，钛的晶粒细化效莱提高了将近一倍， 说明铝中舍有的微量元素对晶粒的细化作用很敏感。在众多微量元素中，最敏感、 使用最明显的是硼，在强化细化效果的同时能够延缓衰退过程( 见图1 2 ) 但硼 本身对纯铝的晶粒细化作用很小。 3 在经过细化处理的合金组织中已经证实有下列相组成；t t a l 3 ，田b 2 ， ( y t , a i ) b 2 ，( t i , b ) a 1 3 ，t i c 等。它们能够促进晶粒的细化，此外，在高速冷却时 ( 1 0 4 k ，s ) 曾发现不稳定的1 ”d x 。 s i z e p m 见参考文献【u 】 t r a i n 图1 - 1 l 加入o 0 1 i t i 保持时阔和晶粒大小的关系 f i g l - i t h er e l a t i o n s h i p b e q w e c i l h o l d i n g t i m e a n d d e n d r i t e s i z e w h e n 0 0 1 t i a d d e d 见参考文献【“1 目1 - 2 晶粒尺寸和保温时间的变化曲线 f i g1 - 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e nd e n d r i t es i z ea n dh o l d i n gt i m e 如今利用该原理的晶粒细化工艺已经成为铝铸件和型材生产中的重要组成 上海交通大学颈士学位论文王荣 工序。人们对于钛对铝合金晶粒的细化机理的认识也不断深化，提出了不少观点 和理论主要包括： 1 包晶理论 由c r o s s l e y 和m o n d o l f o 提出，在6 6 5 1 2 时，有包晶反应： l + t l a l y m z ( a 1 ) t i a l 3 和柚在( 0 0 1 ) a i 和( 1 1 0 ) 面上存在良好的共格关系，铝原子可 以在几个t t a l 3 晶面上同时外延生长。试验中在a ( a 1 ) 晶粒中心找到了1 i a l 3 ，出 现最大细化效果的成分往往是包晶点的成分( 1 1 2 t i ) 。但这一理论不能解释 t i 低于0 1 5 时的晶粒细化现象 2 t i c 核心理论 c i b u l a 通过分离铝熔体中的生核质点，进行了x 射线衍射结构分析，发现a ( a 1 ) 中心往往有t i c ，t i c 在高温下稳定，且点阵常数与铝晶体的点阵常数非常接近， 有较好的共格关系，铝熔体中即使只有万分之几的碳原子就能形成大量t i c ，起 异质形核的作用。这一理论解释了钛低于o 1 5 时的晶粒细化现象，但是它不能 解释高纯铝加钛的细化现象。 3 晶粒增殖理论 认为钛在铝中的分配系数小，则在a l - 氍相图中铝的液相线很陡，凝固时结 晶前沿严重成分过冷，枝晶形成缩颈，凝固时期的晶粒自型壁游离，脱落，分裂 增殖是晶粒细化的原因，这一理论无法解释钛、硼等元素的细化作用。 4 抑制n 一越晶粒生长学说 m a x w e l l 和h e l l a w e l l 认为溶质t i 是一种高效抑制a ( a j ) 晶粒生长的元素，并 给出了理论上的证明，他们假定以一定体积的等温铝熔体按经典理论计算了 a i - t i ，a i - z r , a i - c r 的异质形核速度，作出了每单位体积内的晶粒数n c v 与加入到 单位体积细化元素的质点数n p v 的关系曲线( 见图l 一3 ) 。可见当n c v 超过某一 临界值后，不是所有潜在结晶基底都能起作用，这是由于戚越灶长时释放出结 晶潜热，使温度升高，超过异质形核温度，抑制了进一步形核，球形姒1 ) 晶体 的生长速度与m c o ( k q ) 成反比，其中m 为j 啪【相图中液相线斜率( x 是瓦z c r 的代号) ；c o 为晶体生长界面上固相的成分；k 为分配系数；k = c j c l ：s 5 为温 度t 时液相的溶质成分：c l 为温度t 时液相的溶质成分。此数值越大，晶粒生 上海交通大学硕士学位论文王荣 长速度越小，使大量结晶基底活化，细化晶粒，此数值很小时，很快发生再辉， 超过异质形核温度，抑制进一步形核，可见n p v 的值对m c o ( k - 1 ) 彳艮敏感，计算得 瓢，z c r 的m o o ( k 4 ) 值分别为3 1 ，5 ，0 5 ，证明了溶质钛是很好的a ( a 1 ) 晶粒生 长抑制剂，从而细化了晶粒。 7 童 心 l o i “n 音 砖y o ，k e 见参考文献【l l 】 1 2 2 硼的晶粒细化作用 田i 一3n 钳，之间关系 f i g1 - 3r e l a t i o n s h i p 咖n r v m dn c 含钛的铝熔体中仅含3 1 0 r 6 的硼时，只有0 8 的氍a 1 3 粒子起到细化作用， 当加入l x l 旷的硼后，有2 4 的n a l 3 粒子起细化作用，增加了三倍。 有人认为硼降低t i a l 3 在铝熔体中的溶解度，并使液相线变陡，这样，在相 同过冷度下将增加钛在铝熔体中的过饱和度，能够析出更多的t i a b 粒子，成为 a ( a i ) 的核心，细化晶粒，但有人根据热力学数据计算，认为在0 3 ) = 1 0 - 6 ， c n 户1 5 x l 旷处，存在下列三元包晶反应：l + t i a l 3 + ( t i b 2 ) - - a ( a i ) + o i b 0 ，从 而指出硼对t t a l 3 在铝熔体中的溶解度无影响。 另一种观点认为硼在铝熔体内生成t i b 2 ，他2 在铝熔体中稳定，存在( 2 0 1 ) 馏2 ( 3 1 l h 共格关系，因此t i b 2 起异质晶核的作用，细化a ( a 1 ) 相。经过观察有 人认为在a ( a 1 ) 中有硼b 2 存在，但另一些人却发现凝固时n b 2 被a ( a 1 ) 晶粒推向 最后凝固区域，它不是a 1 ) 的异质晶核，a ( a 1 ) 与m 2 的点阵常数缺少共格关系， 而是丽b 2 阻挡了a ( 柚的生长，从而细化晶粒最后，这两种观点都没能解释细 化效果一保持时间曲线会出现“w ”型的原因。 还有一种观点认为硼加入含钛的铝熔体后，会生成( 魅t i ) b 2 ，它本身不稳定， 会逐渐变为t t b 2 ，但能改变n a l 3 粒子的形态，在其表面上富集硼化物，具有租 上海交通大学硕士学位论文王荣 糙或网纹表面，称为。二重复合颗粒”是a ( a i ) 最好的形核剂，而且长效但这 种观点尚缺乏直观的证据 总而言之，硼的细化作用机理尚待继续探明。 1 2 3 化学晶粒细化的衰退和中觏象 有人发现若铝熔体中存在的t i a l 3 粒子数目大于包晶反应时的t i a l 3 粒子数 时，高温保持后t i a l 3 将陆续溶解，造成细化作用减弱，这种现象称为细化现象 的衰退。硼元素的加入能够延缓衰退是因为形成t ( a i ，t i ) b 2 或馏2 ，成为新的 异质核心 若所需细化的铝熔体中存在锆、铬、锰等元素，钛和硼的细化作用将被大大 减弱，甚至完全失去细化效果，这种现象称为晶粒细化中的。中毒”现象。 造成中毒现象的原因有以下几种： 1 锆在铝熔体中生成z r b ，它的点阵常数很大，和喊柚也没有共格关系， 包覆在t i b 2 的表面，取消了t i b 2 的细化效果也有人认为在t i b 2 的粒子表面富 集锆原子，抑制了t i b 2 的细化作用。最新的中毒理论认为儆1 3 ，t i b 2 中的部分 钛被锆所取代，形成了( 伍l 。，z r 。) a 1 3 和( t i l i z r x ) b 2 ，改变了点阵常数，形核作 用消失。 2铬中毒的原因基本和锆相似，是铬取代了t i a l 3 ，t i b 2 中的部分钛，形成 了f n c r 。) a 1 3 和( r i j 。，c r x ) b 2 ，同样改变了点阵常数，发生中毒。 3 锰在铝液中形成劣质的 血3 c ，破坏了t i c 质点，m n 3 c 的点阵常数与a 1 ) 的差别大，因而细化效果下降。 1 2 4 稀土的有效抗衰退作用 已知铝熔体中加入币- b 细化剂后，将在熔体内形成1 匍b 2 ，有促进细化作 用，但它不溶于铝中，易聚集沉于底部，发生细化衰退，如制成a i - t i - b 线材， 直接在浇注前加入流槽中，虽有效果，但提高了成本。 有人发现在m i - b 细化剂中加入稀土元素能阻止t i b 2 发生聚集、沉淀，延 缓衰退稀土元素镧能降低铝熔体的表面张力，增加铝熔体对硼化物c r m 2 ) 的润 湿性，增大铝熔体在硼化物c r i b 2 ) j 嗫粒表面上的铺展系数，既能充分发挥协2 的 上毒交通大学颈士学位论文王荣 异质形核作用，又能够防止b 2 ) 的聚集长大试验证明，用含1 l a 的混合稀 士加入a l 用b 合金中形成a i - t i - r e 合金细化剂，可延缓衰退现象。加入h 后 f r m 2 ) 的平均直径d 2 p m ，即使发生聚集，只能生成疏松的m 2 团块或与t t a l 3 生成“复合”颗粒，疏松团块或复合颗粒在铝熔体中溶解后，析出时又成为1 ) = i p m 的颗粒分散在铝熔体中，仍能细化晶粒 总之，随着现代测试技术的出现，人们对a 1 s i 合金晶粒的化学细化方法由 浅到深，由宏观到微观，从静态到动态，从表现至机理，已有了较全面、准确的 认识，形成了较完整的理论。 1 3 物理细化工艺的研究概况 近年来，随着化学细化理论的全面完善，物理细化方式也逐渐成为了学者们 研究的重点。物理细化最大的特点就是不会对细化合金造成污染，仅仅通过对合 金熔体凝固前热力学状态的改变，来达到细化合金晶粒的目的【1 2 1 。 非平衡热力学理论表明，一个热力学定态是温度、压力等的函数，体系从一 个定态到另一个定态需要一定的驰豫时间t 。因此，缓交过程与急变过程将沿 循不同的路径。若过程进行时间t 大于系统驰豫时间t ，则认为过程是整体平 衡的；若t 0 ，则合金液中a 1 - s i 原子对 的数日比理想状态下的少，这意味着合金液中发生了a 原子和b 原子的偏聚。 合金凝固后的组织应由以a 和b 为基的固溶体组成若t o d 塌 01 - 6 通过复杂的理论推导 a i - s i 可以以下式计算： = 争k + 扣等一争 - ， 式中：h 。为a l 的熔化潜热，t 皿为a l 熔点，r 为气体常数，m - 为合金固相线 斜率，m l 为合金液相线斜率。m l 、m l 应该取合金成分接近纯a l 时的值。 上式说明一定温度下从s i 合金中a l - m 原子对和s i s i 原子对多于它们在理 想状态下( 2 f f i 0 ) 的数值，这意味者a i - s i 合金中会发生硅原子和铝原子的偏聚， a i - s i 合金凝固后的组织应由以m 和s i 为基的固溶体组成。并且低温下a l - s i 合金液是一种有大量s i 原予和a l 原子偏聚团存在的非均匀体。面高温下的触s i 合金液接近于理想状态的均匀体。 若t 0 a 1 s i 已知，则 随t 的升高而减小。这说明升高温度可以使合金液偏离 原子均匀分布理想状态的程度减小。高温熔体更趋于理想溶液，而在低温熔体中， 则存在较多的原子偏聚团或有序分布原子团且( 0 a i - s i 的绝对值越大，这种差异 越明显。我们知道金属熔体温度处理对合金组织的细化，利用的正是低温熔体中 原子偏聚团或有序分布原子团对合金先析出相的形核作用。所以，不同合金熔体 上海变通大学硕士学位论文王荣 温度处理后的效果应受到合金f 0 的控制f 0 的绝对值越大，则熔体温度处理的效 果越明显 1 本研究的目的意义与主要研究内容 1 , 4 1 本研究的目的和意义 在以上提到的这些细化晶粒方法中，化学细化法虽然具有效果明显、操作简 单的特点，但是细化的同时会在合金中掺入其他的杂质元素，影响合金的纯净度 并对合金的某些性能产生不良影响；而现行的物理细化法通常要求有专用设备， 操作复杂，成本很高，不适合大规模工业生产并且，对a i - s i 合金晶粒物理细 化的研究，目前主要集中于对过共晶a 1 - s i 合金初生硅相的细化研究。对亚共晶 a 1 s i 合金的研究还鲜见报道。 亚共晶a i - s i 合金由于具有重量轻、成本低、力学性能好等诸多优点而普遍 受到人们的重视。近年来。亚共晶铝硅合金已经被广泛运用到汽车工业的各个角 落。在常规铸造条件下的亚共晶a l s i 合金铸件晶粒粗大，因此均采用细化剂方 法进行处理，由于前文所述原因，其细化效果常常不稳定，因而往往影响力学性 能。本文研究的熔体温度处理工艺是全新的合金晶粒物理细化方法。该工艺通过 一定的熔体熟处理方式，控制合金熔体的预结晶状态和形核生长特征，从而显著 改善铝硅合金的组织、性能及其熔炼质量。该方法操作简单、能耗低、不要专用 设备，因而有望成为在工业生产中广泛运用的细化工艺。 本研究的目的和意义在于探索适用于亚共晶a 1 掰合金，可以同时细化a - a l 相和共晶s i 相的熔体温度处理工艺，从而改善亚共晶铝硅合金铸件微观组织， 提高铸件的力学性能。为该物理细化方法的实际应用提供必要的实验基础。 1 4 2 主要研究内容 根据本课题的研究目的，其主要研究内容包括以下几个方面： 1 亚共晶a 1 s i 合金熔体温度处理工艺的主要参数研究。这些参数主要包 括：高温熔体温度、低温熔体温度、冷却速度、混熔后停留时间。分别分析这些 参数对于整个细化工艺的影响规律，探索最佳工艺参数。 上海交通大学硕士学位论文壬荣 2 由于低温熔体被认为在熔体温度处理细化工艺中具有提供形核核心的独 特作用，所以重点研究低温熔体的不同状态对熔体温度处理工艺及其效果的影响 规终 3 完善亚共晶铝硅合金熔体温度处理工艺，力求获得最佳的细化效果和最 佳的力学性能。 4 分析熔体温度处理工艺对于亚共晶铝硅合金细化效果的作用机制。 上海交通大学硕士学位论文王荣 第二章亚共晶a i - s i 合金熔体温度处理主要工艺参数研究 对于任何一种物理细化工艺的研究，首先应弄清这种工艺是否适用于需细化 的合金材料如果试验证明该工艺对于该种合金确有细化效果，则应从该工艺的 参数研究着手，即找到制约该工艺处理效果的参数并研究这些工艺参数影响工艺 效果的变化规律，得出最佳的工艺参数组合。以前的研究表明，熔体温度处理工 艺对过共晶铝硅合金的初生硅相具有很显著的细化效果，制约其工艺效果的参数 主要包括：高温熔体的温度、低温熔体的温度、混熔后的冷却速度、混熔后的停 留时间本章将首先初步研究熔体温度处理工艺对亚共晶铝硅合金的处理效果， 然后通过对不同工艺参数的重点研究，力求找到最佳的参数搭配，以得到最好的 亚共晶a 1 掰合金温度处理效果。 2 。1 试验方法 2 1 1 试验材辩 本论文所有试验用铝硅合金材料为工业生产中广泛运用的亚共晶a i - s i 合 金。其牌号为a 3 1 9 具体成分如下表2 1 ： 表2 - 1 试验所用亚共晶铝硅合金a 3 1 9 化学成分( 质量分数) i元素 s i m g f ec uz n1 ia i 其他i 含量 6 1 60 1o 7 53 2 0 0 3 01 合金的常规凝固曲线如图所视： 暖2 - 1 试验用亚共晶铝硅合垒a 3 1 9 的常规凝固曲线 f i g2 - 1t h ec o o l i n gc m eo f a 3 1 9 胡a y 上海交通大学硕士学位论文王荣 2 1 2 试验装置 采用硅铝棒高温炉( s s g 2 - 1 2 - 1 6 ) 和电阻炉( s g 2 - 7 5 - 1 3 ) 作为商低温熔体 的熔化装置采用6 号或8 号石墨坩埚作为容器。采用o 7 c 2 c 1 6 作为精炼剂。 浇铸成型的拉伸试样在液压拉伸试验机上进行拉伸试验并通过l e ( d - i a 3 2 图像 分析仪分析凝固组织 2 1 3 试验过程 首先将合金按照2 ：1 的比倒分剐放入一个8 号坩埚和一个6 号坩埚，置入熔 化炉中加热至7 2 0 c 熔化，静置2 0 分钟后经o 7 c 2 c 1 6 精炼，再静置保温2 0 分 钟 1 4 ，悯，然后将小坩埚转入已经预热至高温温度的熔化炉中，原熔化炉同时降到 低温温度，等两熔体分别升温或降温到高，低温熔体所需温度保温静置2 0 分钟 后，迅速混合并停留相应时间，在预热到2 5 0 c 的金属拉伸试样模和v 型模内浇 铸试样，浇铸温度为7 2 0 2 0 ，最后进行拉伸试验并制作金相 田2 - 2 熔体温度处理试验的工艺过程 f i g2 - 2t h ea e a t i n gp t o c , e ao f m 3 t 为了考察不同高温熔体的温度对熔体温度处理工艺效果的影响，我们进行了 高温熔体温度分别为9 5 0 1 2 、9 0 0 c 、8 5 0 c ，低温烙体温度为6 5 0 c 的试验。为 了考察不同低温熔体的温度对熔体温度处理工艺的影响效果，我们还进行了高温 熔体温度为8 5 0 c ，低温熔体温度分别为6 0 0 c 、6 3 0 c 、6 5 0 c 的熔体温度处理 试验，并测试浇铸所得试样棒的拉伸强度。图2 3 为所用试样模具的示意图 为了考察不同混熔后停留时间对熔体温度处理效果的影响，我们选择伽、 2 0 s 、4 0 s 、6 0 s 、8 0 s 、l o o s 、1 2 0 s 七个混熔后停留时间，停留之后浇铸试样棒， 并测试其拉伸强度。 为了考察不同混熔后冷却速度对熔体温度处理效果的影响，我们进行了熔体 上海交通大学硕士学位论文王荣 混熔后以0 6 k s 、2 4 k s 、8 5 k s 三个冷却速度凝固的金相组织观察。图2 - 4 为 所用v 形模的示意图。 v , - e 厦s v o c 2 皿, 8 v r l l 3 1 嘴 鲴2 - 3 所用拉仲斌样模示意图 f i g2 - 3d 艳u s e df o rm e c h a n i c s t e s t 霾 簏 霆 雾 o = l 一k m t 一 鹰2 4v 形模冷却速度示意因 f i 9 2 - 4 d i eu s e d t o g e t d i f f e r e n t o t m s r a t e 2 。2 熔体温度处理工艺的细化效果 我们观察了a 3 1 9 合金在7 2 0 1 2 下常规熔炼的试样金相组织，并观察了经过 熔体温度处理( 高温熔体8 5 0 ( 2 ，低温熔体6 5 0 1 3 ) 后直接在7 2 0 c 下相同试样 模中浇铸的试样的金相组织。其金相照片如下图。 上海交通大学硕士学位论文主荣 a 经过熔体温度处理的试样岔相 b 没有经过熔体温度处理的试棒盒相 图2 - 5 熔体温度处理工艺的细化效果2 旦q 竖 f i g2 - 5t l zc 描c c to f m t t 两个试样组织均由初生a o a l 和共晶硅组织组成，其中黑色孔洞为夹杂，灰 色针状组织为共晶硅相，白色部分为初生“k 对比两张照片我们可以看出，熔 体温度处理工艺对亚共晶铝硅合金a 3 1 9 的细化作用主要体现在对初生“l 相的 晶粒形貌改善作用。其晶粒细化主要体现在对一次枝晶臂生长的抑制作用。但我 们发现经过熔体温度处理的试样中黑色夹杂的数量增加了，且试样的力学性能也 上海交通大学硕士学位论文王荣 没有得到大幅提高。这说明单纯的熔体温度处理工艺可以改善晶粒形貌，但还需 要优化工艺参数并配合其他的细化手法共同使用，以达到提高试样力学性能的目 的。 2 3 最佳高低温熔体温度的确定 熔体温度处理工艺中茼低温熔体的温度，是我们需要研究的首要试验参数。 我们要从能耗和力学性能这两方面来综合考虑，以确定高低温熔体温度在熔体温 度处理工艺中的最佳配比。 2 3 1 量佳高混熔体温度的确定 图2 - 6 是a 3 1 9 合金采用低温熔体6 5 0 ，高温熔体分别为8 0 0 ( 2 、8 5 0 、9 5 0 温度处理的试样拉伸强度与不处理试样的对比图( 采用金属试样模浇铸，混熔 后立即浇铸) 。 ob m p a l 。 不处理 高温8 0 0 度高温8 5 0 度高温9 5 0 度 田2 _ 6 高温熔体温度时处理后材料抗拉强度的影响 f i g2 - 6t h ee f f e c to f d i f f e r e n th t mt e m p e r a t u r e 由上图的试验结果我们发现，高温熔体的温度温度越高，所得试样的抗拉强 度越高，也就是说熔体温度处理工艺的效果更好。但是经过对上图的迸一步分析 我们发现，高温熔体温度由8 0 0 上升到8 5 0 ，试样的抗拉强度上升了i i m p a ； 高温熔体温度由8 5 0 上升到9 5 0 ，试样抗拉强度仅仅上升了5 m p 8 ，抗拉强 度随高温熔体温度的升高其上升趋势逐渐减小。考虑到我们在研究熔体温度处理 m瑚l兰m|墨m|銎姗 上海交通大学硕士学位论文王荣 工艺的细化效果时发现经过熔体温度处理后的试样金相中夹杂和空洞增多了。我 们认为过高的高温熔体温度会使高温熔体严重氧化，使浇铸试样的氧化夹杂和气 孔增多，从而直接导致试样的力学性能受到影响。另外，在实际运用中，过高的 高温熔体温度会导致能耗过大，成本增加所以我们建议在熔体温度处理工艺的 实际运用中应当根据产品需要而适当调节高温熔体温度。一般情况下高温熔体 8 5 0 即可，且一定要做好保护，防止高温熔体氧化和吸气。 2 3 2 最佳低温熔体温度的确定 图2 - 7 是a 3 5 6 合金采用高温熔体8 5 0 。低温熔体分别为6 0 0 、6 3 0 、6 5 0 温度处理的试样拉伸强度与不处理试样的对比图( 采用金属试样模浇铸，混熔 后立即浇铸) o 蚰i p a 入 、 卢 不处理低温6 0 0 度低温6 3 0 度高温6 5 0 度 圉2 - 7 最佳低温熔体温度的获得 f t g2 - 71 h ce 丘鳅o f d i f ml t mt e m 非档n l 托 从图2 - 7 的试验结果可以看出，在高温熔体温度一定的情况下，采用6 3 0 的低温熔体温度所得试样的性能较好。6 5 0 的低温熔体由于温度比较高，其温 度处理的效果不明显，所以无法得到最佳的性能。而6 0 0 的低温熔体由于已经 低于合金的熔点，所以低温熔体组织十分不均匀，混合后这种特性得到一定程度 的保留，导致处理后试样性能不高。但是可以预测，若低温熔体的温度越高，则 熔体温度处理作用的效果越弱。而如果能够使低温熔体在较低的温度下仍然保持 很好的均一性和流动性，那么采用较低的低温熔体温度将会使熔体温度处理的效 果显著提高。这也说明低温熔体的状态是决定熔体温度处理工艺效果的决定性因 素之一。我们将会在后一章着重研究低温熔体的状态对熔体温度处理工艺效果的 踮诣骚 上海交通大学颈士学位论文王荣 影响。 2 4 冷却速度对于熔体温度处理效果的影响 冷却速度是影响合金凝固组织的重要因素之一。经过熔体温度处理的亚共晶 铝硅合金由于强烈的物理混合作用导致合金凝固前熔体处于非稳态。不同的冷却 速度会对其凝固后的组织产生一定影响，非稳态的组织会在一定条件下被保留下 来。因此，我们进行了a 3 1 9 合金经过相同温度处理过程( 高温熔体8 5 0 ，低 温熔体6 3 0 ) 之后，以不同冷却速度冷却后形成组织的金相观察试验。 图2 - 8 是在不同冷却速度下，a 3 1 9 合金熔体温度处理以后凝固组织的金相照 片 图2 - 9 是在不同冷却速度下，a 3 1 9 合金没有经过熔体温度处理的凝固金相组 织。 冷却速度为0 6 e s 上海交通大学硕士学位论文王荣 b 冷却速度为2 4 e s c 冷却速度8 5 k s 图2 8 经过熔体温度处理后的试样金相组织 f i g2 - 8s a m p l e so f d i f f e t e mc o o l i n gr a t ew i t hm t t 2 6 上海交通大学硕士学位论文王荣 t 冷却速度0 6 x l s b 冷钾速度为2 4 1 1 s ” 上海交通大学顽士学位论文王荣 c 冷却速度3 5 x s 图2 - 9 没有经过熔体温度处理的试样金相组织三璺! 磐 f i g2 - 9 p l 鹪o f 击t y e r e n tc o o l i n gr a t ew i t h o 啦m t t 图中白色相为初生舡a l 相，共晶s i 为针片状，其中还有其他晶间化合物相 从圈中的组织来看，一次枝晶尺寸和二次枝晶臂尺寸随冷却速度的增加而显著减 小，在相同的冷却速度条件下，经过温度处理的试样和没有经过温度处理的试样 最大区别在于共晶硅相的分布不同，其中经过温度处理后，试样共晶硅相的尺寸 明显小于没有经过温度处理的试样，并且晶间化合物相的大小和形貌也发生了变 化。这些析出相的尺寸取决于冷却速度的大小，试样冷却速度越小，这种不同越 明显；反之，这种不同则越不明显。 从图中的初生a - a 1 相组织来看，经过熔体温度处理的试样，其一次枝晶譬 尺寸较小，而没有经过熔体温度处理的试样则一次枝晶臂明显较长。这再次说明 熔体温度处理工艺有抑制树枝晶生长的作用。 2 5 混合熔体停留时间对熔体温度处理效果的影响 一般的细化处理工艺与对过共晶铝硅合金熔体温度处理工艺的研究均表 明，细化处理工艺具有一定的时效性。为此我们对亚共晶铝硅合金的熔体温度处 理工艺的时效性也进行了研究。 以下的抗拉强度停留时间曲线是由亚共晶铝硅合金a 3 1 9 经过熔体温度 上海交通大学硕士学位论文王荣 处理( 高温熔体温度8 5 0 ，低温熔体温度6 3 0 c ) ，混合熔体经过不同停留时间 后在相同的试样模具中浇铸的铸件，经拉伸试验后的结果。 ob m p a 2 2 0 2 1 0 2 0 0 1 9 0 1 8 0 1 7 0 厂 l 一 0 s2 0 s4 0 s6 0 s 8 0 s1 0 0 s1 2 0 s h o l d i n g t i m e ( s ) 图2 一1 0 不同停留时间经过熔体温度处理以后铸件的抗拉强度 f i g2 1 0s a m p l e si nd i f f h e n th o l d i n gt i m ew i l hm t f 由图2 一l o 可以看到，经过熔体温度处理以后，铸件的抗拉强度呈现出先变 大，后变小的趋势。我们认为高低温熔体混合之后，熔体中存在多个因素对其性 能产生影响而导致如图的抗拉强度变化趋势。首先，由于高温熔体还不能及时渗 入到低温熔体组织当中致使高低温熔体混合后熔体内区域温度场分布极为不均 匀，需要静置一段时间才能够达到熔体内温度均匀。另外，机械混合是一个十分 强烈的物理迁移过程，混合过程中会有强烈的卷气作用，而卷入的气体需要静置 一段时间才能够排出。这两个因素要求在熔体混合后需要停留一定时间再浇铸。 而熔体温度处理工艺细化效果本身随时问的延续将逐渐减弱，混合后的熔体放置 时间太长其作用就会消失，所以不宜停留过长时间。在上述因素的交互作用下， 试验试样的力学性能呈现出如图的尖峰状分布。其峰值为停留时间6 0 秒。也就 是说，经过熔体温度处理之后的亚共晶铝硅合金熔体停留6 0 秒之后浇铸，得到 的试样力学性能最好。 上海交通大学磺士学位论文王荣 2 6 本章小砖 通过初步研究亚共晶铝硅合金的熔体温度处理工艺直接细化效果，并对影响 熔体温度处理细化效果的几个工艺参数进行研究之后，我们可以得到以下结论： 1 熔体温度处理工艺对亚共晶铝硅合金凝固组织中初生a - j 相晶粒形貌有 良好的改善作用。 2 若高温熔体温度确定，在保证低温熔体宏观均一性和流动性的前提下， 采用较低的低温熔体温度有利于增强熔体温度处理工艺的细化效果。 3 若低温熔体温度确定，则高温熔体温度越高，所得熔体温度处理后试样 的抗拉强度越高，但过高的高温熔体温度会导致高温熔体的强烈氧化，致使熔体 中氧化夹杂增多并且增加能耗。所以在实际运用中，应选择适当的高温熔体温度。 4 加快冷却速度，能够促进晶粒细化。在较小冷却速度下经熔体温度处理 的熔体中析出的共晶s i 相尺寸较小。冷却速度越大，这种趋势越弱同时在较 大冷却速度下，熔体温度处理工艺对一次枝晶的抑制作用较强。 5 熔体温度处理具有时效性，通过选择适当的熔体混合后停留时间，可以 控制熔体温度处理的效果，起到增强试样力学性能的作用。 上海交通大学顿士学位论文王荣 第三章低温熔体获得方式对熔体温度处理效果的影响 由于熔体温度处理所得铸件是由低温熔体和高温熔体混合后浇铸而成的，所 以商低温熔体的状态必然会对混熔后组织的性能起到决定性的影响高温熔体由 于温度远远高于熔点，其性质为标准的液态金属，熔体内长程有序的原子团簇数 量很少，所以高温附近的温差变化对熔体的性质不会带来大的影响。而低温熔体 由于温度处于合金熔点附近，熔体内影响温度处理效果的有序分布原子团数量很 多，熔体内部温度和成分分布非常不均匀。并且温度越低，这种现象越明显。往 往温度相差几度的熔体，其性质就大不相同 而即使相同温度，使用不同手段得 到的熔体其性质也会不同。因此我们认为低温熔体的性质对亚共晶铝硅合金熔体 温度处理工艺后的细化效果起着十分重要的作用。低温熔体预结晶状态的不同必 然对金属的形核、生长及结晶后的组织和性能产生直接的影响。因此，本章拟通 过改变低温熔体的获得方式来研究低温熔体结构对熔体温度处理后合金凝固组 织和力学性能的影响。 3 。1 试验方法 3 1 1 试验装置 采用两台电阻炉( s g 2 - 7 5 。1 3 ) 作为高低温熔体的熔化装置。采用6 号或8 号石墨坩埚作为熔体容器。采用c 2 c l e 作为精炼剂。搅拌所用搅拌机为直流电动 搅拌机。浇铸以后成型的拉伸试样在液压拉伸试验机上进行拉伸试验并通过 l e c o - i a 3 2 图像分析仪分析凝固组织。 3 1 2 试验过程 首先将a 3 1 9 铝合金按照质量比2 ：1 分别放入8 号坩埚和6 号坩埚中，升温 到7 2 0 ( 2 熔化，熔化后保温静置2 0 分钟，用0 7 w t 的六氯乙烷进行精炼，静置 1 0 分钟后将装有高温熔体的8 号坩埚转入另一预热到8 5 0 的电阻炉进行升温， 原熔化炉则降温到预先确定的低温温度，各自达到预期温度后保温2 0 分钟根 据实验需要将搅拌器叶片伸入低温炉中的低温熔体中进行搅拌，时间为3 0 秒 上海交通大学硕士学位论文王荣 之后迅速将高温熔体从高温炉中取出，浇入低温熔体中成混合熔体，测量混合熔 体温度，保证在7 2 0 2 0 区间内。然后将混合熔体迅速从炉内取出，浇注到 预热至2 5 0 ( 2 的金属模中成拉伸试样。 最后，将试样从模内取出，处理试样，在液压拉伸试验机上进行拉伸试验， 记录拉伸强度，并通过l e c 0 - i a 3 2 图像分析仪分析凝固组织。试验流程图如下： 3 1 | 试验条件参数 图3 - l 低温熔体状态试验的工艺过程 f j g3 - 1t h ep m c e o f t h e “p e f i m e m 为了考察不同低温熔体的状态对熔体温度处理细化效果的影响。我们选取了 a 3 1 9 合金的三个不同状态进行试验。试验所用a 3 1 9 合金的熔点为6 0 5 8 ，其 硅含量为6 1 6 我们选择了6 3 0 、6 0 0 、5 7 0 ( 2 三个温度状态，可以根据如 下图的棚一s i 二元合金相图来确定这三种不同温度对应的不同低温熔体状态。 限 y 纠 l ；胡2 5 汀7 c 旭6 毛 口( a i ) + si i l o 2 ( 3 0 4 05 06 0 6 1 觎 一重量s l 困3 - 2a l - $ i 二元合金相躅( 亚其晶部分) f i 9 3 - 2 p h a s ed i a 鲫o f a l - s i a l l o y 根据相图，当合金低温熔体处于6 3 0 时，所有合金熔体均处于液态，此时 没有圃相成分析出。当低温熔体处于6 0 0 度时，熔体呈半固态，由已经析