高强韧铝硅合金性能研究

1、设计综合实验高强韧铝硅合金的组织研究摘要 铸造铝合金具有较高的强度、良好的铸造性能和耐腐蚀性能，广泛应用于机械、汽车、航空航天等领域。其中铝硅合金主要用于制造活塞、缸体、缸盖和曲轴箱等铸件。对于轻量化的要求，就要提高铝硅合金的力学性能 。 本课题做了两组对比性试验，第一组是在精炼浇注结束后对于试棒进行金相组织微观观察，第二组是在T6处理结束后对于试棒进行了金相组织微观观察，观察两组试验的金相组织。在本次是实验中，从第一组的精炼试验中发现，铸型的预热和浇注温度的提高，都能明显的改善铸件的性能。精炼结束后浇注的第一组中，没有进行精炼，所以铸造缺陷明显。即未精炼的试样发生了较明显的铸造缺陷缩孔，铸造

2、缺陷严重。其余四组当中，缺陷较少，有Al2Si、CuAl2等相。T6处理过程中炉温过高，导致了试样的过烧，晶界复熔。过烧试样的金相组织照片显示符合过烧机理。 关键词：铸造铝硅合金 T6处理 复熔Micro-structure analysis of high strength Al-Si alloyAbstractCast aluminum alloy has many advantages,such as low prices、organization isotropic can get a special organization、easy to produce parts of comp

3、lex shaped.can be small batch and mass production ,and because of its high specific strength、good casting properties and corrosion resistance,widely used in machinery、automotive、aerospace and other fields,Al-Si alloy is mainly used in the manufacture of piston、cylinder、cylinder head and crankcase ca

4、stings. With the automobile industry improve the product lightweight and hight-intensive1 requirements,improve the mechanical properties of Al-Si alloy has become an urgent problem to be solved. This paper presents two experiments, the first group is in&#

5、160;temperature and analysis the microscopic metallographic1 structure of the specimen,the second group is on the basis of the first that are carry through heat-treatment and 

6、analsing1 the microscopic metallographic1 structure of the specimen,with a view to observe the similarites1 and difference among two experiment.Because of the high temperature heat treatment process of this experiment, leads to the burning of the sample, the grain boundary melting. The first gr

7、oup of samples without heat treatment, the sample is unrefined had obvious shrinkage of casting defects, serious casting defects. The microstructure1 of overburnt1 specimen photos show compliance with burning mechanism.Keywords: Cast Al-Si alloy microstructure1 heat treatment目 录1、绪论.2 1.1 高强韧铝硅合金国内外

8、的研究现状.2 1.2课题研究的背景、目的和研究内容.3 1.2.1选题背景和目的.3 1.2.2课题的研究内容.3 1.3 合金元素对于组织的影响.32、实验设备及过程.4 2.1实验设备.4 2.2配料.4 2.3炉前准备.5 2.4熔炼过程.5 2.4.1加料顺序.5 2.4.2浇注过程.5 2.5试样成品制样.63、实验结果分析.6 3.1未精炼的显微组织特征.6 3.2精炼后在不同的浇注温度下的金相组织特征.7 3.3 T6处理后的金相组织照片.8 3.3.1固溶强化处理.8 3.3.2本次T6处理后的金相组织照片.104、结论.11 参考文献 结束语 1绪论 材料、信息、能源被称为

9、现代科学的三大支柱，而材料又是一切技术发展的物质基础，任何新技术的发展，莫不依赖于各种相互匹配的新材料，而新型材料中金属材料又是一个重要的方面。例如航空、航天工业所需的高温合金、轻型合金、核反应堆材料、现代信息技术使用的硅、锗等半导体材料、新型磁性材料等。这些新技术的发展又推动了新的材料品种的研制和新的冶金生产工艺和装备的发展。由此可见，金属材料的开发和研究是科学技术的一个基本领域。 铸造铝合金为传统的金属材料，由于其密度小、比强度高等特点，广泛应用于航空、航天、汽车、机械等行业。近几年我国铝行业的快速发展，尤其是汽车行业和机电制造产业的快速发展，拉动了我国对铝的迫切需求，在需求的强劲带动下，

10、我国的铝产量和产能居全球之首，但是产品的质量、性能、品种、规格尚不能满足国内需求，能够生产的铝合金牌号只有1401余种。为适应交通工具轻量化，家用电器、电子产品微小型化的需求，满足日益广阔的市场需求，广大用户对质量轻、价格低、易加工的铝合金在强度上提出了更高的要求。 在现有的铝合金牌号的基础上，我们在其合金元素的附近探寻一种新的配比方式，以改善目前铝合金材料所不具有的一些性能。1.1高强韧铝硅合金的国内外研究现状 现今，有很多学者不仅对高强韧铸造铝合金有所研究，同时对高强韧变形铝合金也进行了深入的研究，期望能够获得更高质量的铸件。根据最新的研究，1995年美国用于波音777飞机的合金是美国研究

11、开发的7055变形合金，极大地提高了合金的强度、塑性和韧性，突破了原有的工艺技术。德国的GAlCu4TiMg，英国的RR335(Al-Cu-Ni)等均为高强度铝合金。最为典型的是美国的A201合金，其强度高达428MPa-496MPa,这些铸造铝合金已经达到了一些锻铝的水平，弥补了铸造铝合金较差的压力加工性，使其得到了更为广泛的应用2。但是在追求高质量变形铝合金的同时，却体现了生产上的缺点：对设备和工装模具的要求高，工序多、生产周期长、成本高，因此限制了高强韧变形铝合金的发展。而铸造铝合金却有价格低廉、组织各向异性、可进行批量生产、可直接获得形状复杂的零部件等优点，得到了广泛的应用。国内外科研

12、工作者一致致力于通过优化合金设计和改变铸造工艺来开发低成本、高性能的铸造铝合金。 我国在研究高强韧铸造铝合金的领域上，也逐渐取得了举世瞩目的成就。其中北京航空材料研究所作出了很大的成就，早先研制成功了ZL205A合金，其在T6状态下的抗拉强度可达490MPa，伸长率可达7%，在T5状态下抗拉强度可达480MPa,伸长率可达13%3。随后，该所又以ZL205A合金为基础，成功研制了与其成分相接近的合金，其拉伸强度为385MPa-405MPa,伸长率可达19-23%。华南理工大学也研制出了高强韧铝合金，为HGZL-01合金，其化学成分（质量分数）为：Cu（4.5-6.0%），Mn(0.2-0.8%

13、),Mg(0.2-0.8%),并添加了Zr、V、Sc、Ti、B等元素，改变了合金的性能3。而铝硅系合金的有些缺点却限制了其成为高强韧合金，如强度和硬度一般，且韧性较低。针对这一问题，国内外进行了大量的研究，其本质都是通过合金化并发展出了铸铝系的各种牌号的合金来提高其力学性能。1.2课题研究的背景、目的和研究内容 1.2.1选题背景和目的 铸造铝硅合金在当今汽车工业的应用非常广泛，但是铸造铝硅合金的力学 性能并不是太高，使其进一步的推广使用受到限制。航空、航天及汽车发动 机的轻量化已经成为世界研究的重要课题，轻量化可以节约能源，减少排气 量，降低污染量。 1.2.2课题的研究内容 探究未热处理和

14、热处理之后的力学性能变化，并观察金相组织组成成分， 能影响力学性能的因素，还有热处理之后的析出相对力学性能的影响，本次 为探究热处理前后影响力学性能的原因提供金相组织所造成的影响。1.3合金元素对组织的影响 硅：在共晶温度577°C时，硅在固溶体中的最大溶解度为1.65%。尽管溶解度随温度降低而减少，但这类合金一般是不能热处理强化的。铝硅合金具有极好的铸造性和抗蚀性。 镁：镁对铝的强化是明显的，每增加1%的镁，抗拉强度大约升高34MPa，如加入1%以下的锰，可起补充强化的作用。因此加锰后可降低镁含量，同时降低热裂倾向，另外锰还可以使Mg5Al8化合物均匀沉淀，改善抗蚀性和焊接性能。

15、锰：在共晶温度685°C时，锰在固溶体中的最大溶解度为1.82%。合金强度随溶解度增加不断增加，锰含量为0.8%时，延伸率达到最大值。铝锰合金是非时效硬化合金，不可热处理强化。锰能阻止铝合金的再结晶过程，提高再结晶温度，并能显著细化再结晶晶粒。再结晶晶粒的细化主要是通过MnAl6化合物弥散质点对再结晶晶粒长大起阻碍作用。MnAl6的另一个作用是能溶解杂质铁，形成（Fe、Mn、）Al6,减少铁的有害影响。 钛、硼：钛是铝合金中常用添加元素，以Al-Ti或Al-Ti-B中间合金形式加入。钛和铝形成TiAl2相，成为结晶时的非自发核心，起细化铸造组织和焊缝组织的作用。Al-Ti系合金产生包

16、晶反应时，钛的临界含量约为0.15%，如果有彭存在则减小到0.01%。 铜：在548°C时，铜在铝中的最大溶解度为5.65%，温度降低到302°C时，铜的溶解度为0.45%。铜是重要的合金元素，有一定的固溶强化效果，此外时效析出的CuAl2相有着明显的时效强化效果。铝合金中铜的含量通常在2.5-5%，铜含量在4-6.8%时强化效果最好。 锶：锶元素进行变质处理时能够改善合金的塑性加工性能和最终产品质量。由于锶的变质有效时间长、效果和再现性好等优点，近年来子Al-Si铸造合金中取代了钠的使用。对挤压用铝合金中加入0.015-0.03%的锶，使铸锭中-AlFeSi1相变成汉字形

17、-AlFeSi1相，减少了铸锭均匀化时间60-70%，提高了材料力学性能和塑性加工性能；改善制品表面粗糙度。2实验设备及过程2.1实验设备 电阻加热炉、石墨坩埚、金属型模具、钟罩、 热处理炉、坩埚钳、钢锯、虎钳、铁锤、电子秤、砂轮等。 电阻加热炉，加热炉料热处理炉2.2配料 本课题所用到的实验材料都是以铝为基的中间相，设计总的炉料在1Kg 左右，一次配料可浇注四到五次，浇注试棒8到10根。设计成分:Mg 0.5% 、 Si 7%、 Mn0.3%、 Ti-B 0.2%、 Cu3.5%、 Sr0.06% 精炼剂：C2Al6此次实验中的金属有一定的烧损率，下表3.1给出各元素的烧损率元素 AlSiM

18、gMnCu烧损率1%2%40%2%表3.1根据烧损率得出最后的成分配比，如下表3.2 ，本次采用2次精炼，故使用含量0.5%的六氯乙烷。 配料表4 AlMgAl-SiAl-MnAl-CuAl-Ti-BAl-SrC2Al6557.16g8.34g297.5g3g70g40g6g5g×2表3.22.3炉前准备 将所需的工具一一拿到炉前放好，以备使用 （1）铸型准备 本次实验采用的是金属铸型，金属表面需要有一层涂料，为氧化锌。将氧化锌与水配比，制成稠状半融态，对金属型进行预热，预热后进行涂料的涂刷，涂料要抹均匀与金属型内表面，待金属所保留的热量将涂料的水分烘干，刷涂完毕。 （2）开炉加热

19、将炉子通电，打开开关，设置温度750°C，等待其加热。 （3）坩埚预热 预热前检查坩埚内壁有无裂纹、变形等缺陷，并对其表面的熔渣及其它脏物进行清理，装料前预热至250°C左右。 2.4熔炼过程2.4.1 加料顺序 本次材料都是以中间相的形式给出的材料，故可以在第一次加入时将除镁合金之外的其余合金一起加入到坩埚中进行加热。30分钟后，炉料熔化，加入镁合金，将镁合金没入到液态金属当中去，避免过度烧损。 浇注一组原始试样进行对比，也是对铸型的一个预热。 进行精炼，精炼5分钟，进行两次，然后除渣，即可进行浇注。2.4.2 浇注过程 未精炼前已经浇注了一炉，进行标记，精炼后浇注直至将

20、液态金属浇注完全，记录浇注期间各项数据,本人操作水平有限，操作期间得出下列数据。5号试样特别，单独加了一次精炼剂，并加热到750°C，进行浇注类别试样12345浇注温度（°C）750656617595750时间间隔03min3min3min 2.5试样成品制样因浇注出来的样品有毛刺，并且要进行显微照相，所以要对试样进行打磨，在砂轮机上打磨。打磨试样可以避免划伤手指和在进行抛光的时候划破抛光。3、实验结果分析 3.1未精炼的显微组织特征，如图3.3.1 在750°C下浇注的金相组织照片，金属型为冷型 图3.3.1 从图3.3.1的1图中可以看出，除了基体铝之外，还有

21、初生硅，Al2Si相、CuAl2相和一些黑点，从图1中观察到，表面的和黑点较多。黑点放大之后如图2，黑体内部反光，则是铸造缺陷，缩孔，可能还有一些氧化夹杂。3.2精炼后在不同的浇注温度下的金相组织特征 3.2.1 在656°条件下浇注的金相组织照片 预热一次，如图3.2.1 图3.2.1图3.2.1是在精炼结束后浇注的第一组试样，浇注温度656°C，铸型预热不彻底，可以看到表面有黑点，为氧化夹杂或者是铸造缺陷。但与图3.1对比，黑点明显减少，表明铸型预热对于铸造缺陷有很大改善作用。3.2.2 在617°C的条件下浇注的金相组织照片，铸型为热型，如图3.2.2 图3

22、.2.2 从图3.2.2可以看出，随着铸型的温度的提高，表面的氧化夹杂进一步的减少，表明铸造性能进一步的被优化。 3.2.3在595°C条件下浇注的金相组织照片，铸型为热型，如图3.2.3 图3.2.3图3.2.3是在595°C条件下浇注的，金属铸型已经被完全加热，从图中可以观察到铸件组织没有过于明显的黑点，各种合金相存在。与图3.2.1对比发现，本两组试样浇注存在着铸型温度的差异，所表现出的铸造缺陷有着明显的不同。金属铸型的温度越高，对于铸件的性能越有利，有利于铸件的合金相的析出，并且铸造缺陷缩孔有着明显的减少。3.2.4 在750°C下浇注的金相组织照片，铸型

23、为热型，如图3.2.4 图3.2.4 从图3.2.4中可以看出，精炼之后的试样，氧化夹杂和铸造缺陷明显减少， 并且组织均匀，各种预期相出现。 与3.1图的对比发现，在铸造铝硅合金的浇注过程中，对于合金熔炼过程中的精炼和对金属铸型的预热对于合金的性能有明显的影响，能显著提高合金的性能，减少铸造缺陷的产生。3.3 T6处理后的金相组织照片 铝合金的热处理强化原理是以合金组元或金属间化合物在铝固溶体中的溶解度变化为基础的，其热处理强化是通过固溶处理或固溶加人工时效来实现的。当高温固溶体冷却的室温时，强化相呈饱和状态，晶格发生畸变，增加塑性变形抗力，达到固溶强化的目的。3.3.1固溶强化处理 凡是合金

24、组元或金属间化合物在（Al）固溶体内的溶解度随温度下降而减小的合金，理论上都可以进行固溶处理。溶解度的变化越大，溶质原子与溶剂原子的尺寸差越大，则固溶强化效果越好。其实质是将工件加热到尽可能高的温度，在高温度小保持足够长的时间，使强化元素充分溶入到-Al1固溶体内并均匀化，随后快速淬入水或油中冷却，使高温时的固溶体呈饱和状态保留到室温，从而获得室温饱和固溶体。固溶处理可以提高铸件的强度和塑性，改善金属的耐腐蚀性能。固溶处理的效果取决于下列三个因素： （1）固溶处理温度:温度越高，强化元素溶解越快，强化效果越好。一般加热温度的上限低于合金开始过烧温度，而加热温度的下限应使强化组元尽可能多的溶入到

25、固溶体中去。为了获得更好的固溶强化效果，而不使合金过烧，又时采用分级加热法，即先在低于共晶温度（5-10°C）的条件下保温，使组成共晶体的第二相尽可能的溶入中。固溶处理时，应注意加热的升温速度不宜过快，以免铸件发生变形和局部聚集的低熔点组织熔化而发生过烧。固溶热处理的淬火转移时间尽可能的短，一般应不大于15s，以免合金元素的扩散导析出而降低合金的性能。 （2）保温时间：固溶处理的保温时间，与强化相溶入固溶体中所需的是时间有关，若铸件中强化相粗大，则保温时间也要长一点，如砂型、厚壁铸件保温时间比金属型、薄壁铸件要相应的长一点、强化相和扩散速度打，则保温时间也可以缩短，如Mg2Si的扩散

26、速度最大，Al2Cu次之，Mg2Al3最小，所以Al-Si系合金的保温时间可比Al-Cu、Al-Mg合金少些。 （3）冷却速度：当铸件从固溶温度冷却过程中，强化元素的溶解度要减少，（Al）中的溶质将析出并向晶姐扩散。因此，要保持固溶体在固溶温度下的平衡浓度，即获得高的过饱和固溶体，就必须进行快速冷却，从而增加铝合金的时效强化效果。但快速冷却也会导致残余应力产生导致而变形，为此生产中可以通过选用不同的冷却速度介质来改善。 热处理包括固溶处理和时效处理，由于在热处理的过程中固溶处理和时效处理先后进行，不同的工艺参数对铸造铝合金的性能的影响规律不同，因次采用合适的热处理工艺参数相互匹配，对于得到所希

27、望的性能有着至关重要的作用。 固溶处理铝合金是热处理的第一步，它直接一影响合金的晶粒尺寸和形态，过剩相的数量、强化元素的固溶程度。为此固溶处理既要保证最大数量的强化相溶入集体，达到最大的饱和度，又不引起晶粒长大和过烧；在最后的时效处理过程中，促使晶内及晶界的第二相粒子均匀、细小析出，使合金达到时效峰值5。 本次实验热处理采用固溶加时效处理，固溶时间五个小时，固溶温度500°C，时效时间七个小时,时效温度160°C，固溶处理结束后用70°C的水进行淬火，然后进行时效。本次实验固溶处理结束后观察，由于炉温不均衡，温度过高，导致试棒过烧，所以时效时间减少到三个小时，温度

28、160°C。3.3.2本次T6处理后的金相组织照片 因本次实验炉温过高，导致了试样过烧。从图中可以观察到，有椭圆形状的硅存在，说明了过烧的程度比较严重。 当加热温度高于低熔点共晶的温度，使低熔点共晶和晶姐复熔的现象叫过烧。 （1）过烧的宏观组织特征。过烧严重时铸锭和工件表面的色泽变暗、变黑，优势产生表面气泡。 （2）过好的显微组织典型特征。检查铸锭及加工制品是否过烧，只以显微组织特征为依据，其他方法只能作为旁证。对变形铝合金，根据国家标准，过烧的判定依据有三个，即复熔共晶球、晶界局部复熔加宽和三个晶粒交叉处形成复熔三角形。用电子显微镜对复三角形处组织的研究发现，与复熔产物相接触的基体

29、有梯田花样。梯田花样是枝晶露头的结晶台阶，与疏松内壁表面上的枝晶露头一样，表明该出的组织已经发生过复熔。 一般将过烧程度分为轻微过烧、过烧和严重过烧。轻微过烧是过烧特征轻微，过烧是过烧特征明显，严重过烧是过烧特征多，晶界严重复熔粗化和平直，低熔点共晶大量融化和聚集。轻微过烧判断较难，要判断准确须有丰富的经验。 （3）过烧形成机理。变形铝合金中，除（Al）基体外一般都有几种共晶，根据合金的不同，含有共晶的种类和多少也不同。如果在一种合金里有几种共晶，每种共晶的熔化温度不尽相同，当把合金从低温度升到高温度时，熔点最低的共晶首先熔化，这个共晶熔化的温度称为过烧温度，而这种共晶被称为低熔点共晶，即熔点最低的共晶。4、结论【1】通过对金属液精炼和没有精炼的对比实验发现，精炼后的铸件铸造缺陷能明显减少，各种合金相能够均匀存在，性能良好。没有精炼浇注的铸件有肉眼可见的铸造缺陷。【2】在浇注温度相近的条件下，金属铸型的预热和未预热也能构影响到铸件的性能，通过实验发现，影响还是较明显的。未预热的金属铸型，铸造缺陷明显，缩孔较多，通过金相照片观察到，表面黑点较多。性