毕业设计（论文）开提报告-工艺条件对铝硅合金组织和性能的影响

本科毕业设计（论文）开题报告（综述）题目：工艺条件对铝硅合金组织和性能的影响一、本课题来源及意义近年来环保问题越来越受到世界各国的重视，这些压力也直接传递到汽车制造业。汽车工业为了节约燃料、保护环境、不断努力减轻汽车重量，对汽车用材料提出了更高的要求。增加铝材的使用量是其中的重要措施之一。发动机部件用铝合金制造轻量化，一般可减重30%以上。这些社会需求促进了铝合金新材料和新技术的研究和发展[1]。目前，国内外对铸造Al-Si合金强韧化的研究大多集中在亚共晶合金和过共晶合金上。亚共晶铸造Al-Si合金在强韧铸造Al-Si合金中占有重要地位，通过熔体热处理、枝晶细化、共晶Si变质和热处理中Si相颗粒尺寸控制来提高亚共晶合金的强度。但由于这类合金中共晶体的数量相对较少，在铸造过程中难以消除的缩松等铸造缺陷极大地制约了铸件塑韧性的进一步大幅度改善。过共晶Al-Si合金多采用喷涂沉积等方法通过细化初晶Si相来改善强韧性，但这种方法的制备成本较高，因而此类合金的应用存在一定的局限性。近共晶铸造Al-Si合金(Si11.0%-12.0%)的成形性铸造性能优于亚共晶铸造Al-Si合金(Si6%-7%)(以A356、A357为代表)，然而它的应用却不如亚共晶合金广泛，特别是在高质量铸件上。究其原因，主要是受近共晶铸造Al-Si合金较低的力学性能限制。若能用近共晶A-Si合金替代A356合金，将会降低原材料成本，产生巨大的经济效益。然而，Al-Si合金的细化处理是铸造Al-Si合金生产中非常重要的环节，是有效提高合金强度和韧性、改善合金铸造性能、提高切削加工性能的重要手段。因此通过探讨工艺条件的变化来控制Al-Si合金组织及性能是Al-Si合金研究工作者的热门课题。晶粒细化技术在铝加工业中，是提高铝材材质，发展超高强高韧新性铝材，挖掘铝及其合金潜能，提高铝及其合金的使用价值的一个重要的研究途径，具有重要的研究意义。二、文献综述2.1硅铝合金的研究现状Al-Si合金具有优良的铸造性能，如流动性好、气密性好、收缩率小和热倾向小，经过变质和热处理之后，具有良好的力学性能、物理性能、耐腐蚀性能和中等的机加工性能，是铸造铝合金中品种最多，用途最广的一类合金。它的比强度高于铸铁和铸钢，因而被广泛应用于航天、航空、交通运输和机械加工等部门。随着现代工业及铸造新技术的发展，对Al-Si合金的需求量越来越大[2]工业上很重要的硅铝合金可分为3类：（1）亚共晶硅铝合金含硅9％-12％。（2）共晶硅铝合金含硅11％-13％。（3）过共晶硅铝合金硅含量，主要在15％～3O％。过共晶铝硅合金的成分，因Si的含量高低可分为三种，即低硅16-18%中硅19-23%、高硅24-26%。普通铸造法制备的过共晶硅铝合金组织为初生Si加共晶组织(α+Si)，共晶Si呈针状，初生Si呈板条状。随着Si含量的提高，板条状所占的比例也越来越高，初生Si变得十分粗大，严重割裂基体，在Si相的尖角处和棱角处引起应力集中。使合金变脆，力学性能特别是伸长率显著降低，而且切削性能也很差，可以通过细化过共晶合金来改善性能。然而，过共晶合金的细化主要是细化初晶硅，对这类合金主要是细化其初晶硅的结晶晶粒，把原来的板状初晶硅及粗大的长针状共晶硅变为细粒状。初晶硅的细化处理是通过向合金液中提供外来结晶核心种子，使其成为初晶硅的结晶核心，从而使结晶核心数量增多，并抑制其长大，以实现结晶组织细化均匀的目的。因此，如何采用合理的工艺来细化硅铝合金组织，改善硅粒子形态、大小及分布，提高其力学性能，最终制作出能满足各种用途且综合性能优异的硅铝合金材料，是近年来国内外材料研究者研究的重点。2.2硅铝合金的制备方法合金的熔炼技术是铝加工行业的根本技术，铝硅合金的生产主要有电热还原法、电解法和熔配法三种方法：2.2.1电热还原法：电热还原法生产铝硅合金是用合适的含铝矿物加还原剂，经配料、造球，在电热炉中还原获得粗铝硅合金，最后经精炼和成分调配，获得所需的铝硅合金。该工艺俄罗斯一直处于领先地位。我国从上世纪60年代对该工艺进行试验研究，断断续续，到目前仍未过关，只能稳定生产含铝40%左右的粗合金，可以用作炼钢脱氧剂，但提取铸造合金则因提取率太低而很不经济，目前仍不能成为我国铝硅系合金生产的主体。[3]2.2.2电解法：电解法生产铝硅合金是利用铝矿中含有的硅和钦，除去铝土矿中铁等有害杂质，经磨矿、锻烧、成分调配等，获得一种理化性能符合电解合金要求的硅钦氧化铝的原料。然后硅钦氧化铝经熔盐电解，直接获得铝硅钦合金。在电解车间混合炉中适当调整成分，可以获得不同牌号的合金。[3]该方法省去了生产纯铝、纯硅的过程，并在生产中保留了对铝硅合金性能有益的价格昂贵的金属钦，适合我国铝矿资源高硅高钦一水硬铝石型的特点。上述两种方法技术难度大，并且需要专门的大型设备，目前还没有得到广泛的应用，在铝硅生产实际中，主要还是以熔配法为主。采用优良的熔配工艺对稳定产品质量、提高生产效率、降低能源消耗都有很大的好处。2.2.3熔配法：该方法是指将工业纯铝、纯硅在熔炼炉里熔化、熔配成铝硅合金.该工艺简单，适用性广。根据不同的具体操作，该工艺又有许多不同的方法，对比如下：（1）高温加硅法传统的高温加硅工艺:先将铝熔化并过热到950℃左右，用石墨钟罩将预热至200一300℃的碎硅块(粒度为15-20mm)压入到铝液中，并缓慢转动，保温一段时间，降温，除气除渣后浇成铸锭待用[4]Si的熔点为1414℃，且Si的密度比铝小，易上浮。加热温度过高，硅块容易漂浮在铝液表面上，与空气中的氧发生氧化，在硅表面形成一层高达1703℃的氧化膜，使硅块不能熔化。如果加硅温度、加硅方法掌握不好，硅就很难熔化，以致产品质量不稳定，甚至整个熔化工艺失败。该工艺对加入的硅块粒度要求严，碎粒状、粉状硅均不能加入，硅的浪费大:熔炼温度高，能源浪费大，工人的劳动条件也差[4]（2）同时加入硅块与铝块熔炼法硅块与铝块一起装炉、一起升温、一起熔化，这种方法在工厂中应用较普遍。把硅块放在炉底，在硅块的上部放置铝块，然后一起升温。铝的熔点低，比硅先熔化，并覆盖在硅的上面，硅在铝液的包裹下慢慢熔化。这种方法是一种比较好的方法，铝块熔化后就阻止了硅块与大气的接触，防止了硅的高温氧化。可是在铝块未熔化之前(约在700℃之前)，由许多铝块堆积成的覆盖物无法阻隔空气与炉底硅块的接触，并与硅在400℃时发生氧化反应[5]，生成不溶的SiO2粒子，成为细小的夹杂物。这些夹杂物不但对产品的力学性能及表面质量产生不利的影响，而且会缩短模具寿命[6]。（3）中间合金添加法把事先熔炼的Al-Si中间合金锭放入铝熔体中。这种方法的优点是熔化效果好，容易吸收;缺点是需要制备Al-Si中间合金，增多了工艺流程，加大了能耗与铝、硅的烧损，增加了生产成本。用于配制铝硅中间合金的铝纯度一般较低，容易导致最终合金的杂质含量超标[7]。配制中间合金的过程仍然困难，工人的工作条件依然恶劣。（4）速溶硅添加剂法上世纪90年代工业发达国家出现了通过速熔硅添加剂添加硅的方法。速熔硅添加剂是由纯硅粉、催化剂、特种添加剂与微量铝粉经过高压压制而成的饼块，硅的含量高达95%。在使用时把一定质量的饼块投到铝熔体中，饼块迅速溶解[7]。采用速熔硅添加剂可以避免结晶硅的烧损，精确控制硅的添加量，熔化时间极短。此方法虽然有效，但也有其缺点:(l)结晶硅破碎、磨制成硅粉需要很多的能量，增加了成本。若合金中硅的含量较高时，成本较高。(2)硅粉的表面容易氧化形成氧化硅，形成夹渣.(3)工艺步骤繁琐。（5）低温加硅法低温加硅技术是一新兴的技术，是由传统的高温加硅工艺改进而来。在铝熔液温度比较低时(660~770℃)加入碎硅块，再一起升温使硅熔化[7]。该方法即可以精确控制硅的添加量，也能很好的防止硅块氧化，工人的工作条件也温和了许多。过热加硅法,随着液体铝的温度升高,液体铝的比重有所下降液体铝在（658℃、780℃、800℃的比重分别为2.4克/厘米3,2.39克/厘米3和2.36克/厘米3）。由于液体铝的表面张力作用以及加硅时热交换条件变化产生的比重差的影响,硅仍然浮在液体铝的表面,因此要不断的把硅块压入液体中，压力消除后,硅块便又浮在液体铝的表面,这时硅的表面很快就生成一层氧化硅膜，这层氧化硅膜的熔点为703℃,组织致密。这层氧化硅膜能隔绝铝原子和硅原子之间的扩散,大大降低硅的熔解速度,增加金属元素的损耗,浪费能源和工时,严重时造成熔炼失败。由于硅浮在液体铝的表面,硅的熔解过程只在下半部表层与液体铝接触界面上进行,所以在局部区域形成高浓度的硅聚集层。因此,必须不断搅拌,使聚集层的高硅区与底层的低硅区对流,才使结晶硅继续熔解。硅的块度不同,熔解和扩散的速度也不同。一般使用的块度为20-40mm。由于细粒状和细粉状结晶硅表面积大,容易产生氧化硅膜并在熔炼过程的搅拌中容易卷入液体铝表面的氧化渣中,所以,应用过热加硅法。细粒状和细粉状结晶硅均不适用。低温加硅运用合金化能降低合金熔点的原理,为适当降低加硅温度,熔化温度和缩短熔化时间创造较好的条件。根据铝-硅二元相图进行分析在铝的熔点温度附近加硅,适当搅拌,控制温度,使硅在L+α相区域内均匀分布,就可以避免加硅初期硅的上浮现象,同时增加了铝和硅的接触表面。随着液体铝温度的升高和硅的熔解扩散,掖体铝合金和硅互相湿润,掖体铝的比重减小,增加了液体铝合金对硅的粘附作用。有效地防止熔化过程中硅的上浮。而且绩晶硅的块（粒、粉）度越小,表面积越大。防止硅的上浮的现象的效果越明显,则在整个熔炼过程中加快硅的熔解和扩散速度,缩短熔炼时间。因此,即节省能源和工时,还可以减少金属元素一的烧损量,充分应用细粒状和细粉状结晶硅的原材料资源。低温加硅直接熔炼铸造铝合金（铝硅中间合金）开辟了新的途径。综上可得：经过比较得出采用熔炼法中的低温加硅技术来研究初生硅的大小。2.3工艺条件对Al-Si合金的组织和性能的研究2.3.1含量对铝硅合金组织和性能的影响2.3.1.1硅含量对初生硅大小的影响共晶型铝硅合金含硅11-13%，由于含硅量较多，其铸造性、体积稳定性、力学性能都很好，目前已得到十分广泛的应用。过共晶型铝硅合金含硅17-26%，甚至更高，由于初晶硅的大量出现，过共晶合金实际上是一种复合良好的自生Si颗粒增强铝基复合材料。由于含硅量很高，它比亚共晶、共晶铝硅合金更轻、导热性更好、线膨胀系数更低、更抗磨及体积稳定性更高，因此，越来越引起世界各国的重视。根据不同成分铝硅合金熔体混合对初生硅相细化研究，不同硅含量下，随着硅含量的升高，由于其液相线温度随着升高，其最佳的浇注温度也随之升高。但即使在最佳浇注温度下浇注，它们的组织仍随着硅含量的升高而不断恶化。当硅含量为20%时，初生硅以块状为主，此时初生硅等效直径为54.86μm；当硅含量升至25%时，初生硅的形貌变得复杂，以破碎的块状、五瓣星状以及杆状为主，尺寸增加到了71.7μm，组织中的初生硅数量也明显变多;而当硅含量进一步升至30%时，初生硅的等效直径升至95μm，其最大直径则达到了900μm以上，形态以长杆状为主，且初生硅的数量也大大增加。因此，在整个浇注过程中，存在一个最佳的温度。而对于不同硅含量的合金来说，这个最佳温度肯定不一样。因为随着硅含量的增高，熔化过程中，熔体内的硅原子集团就越多，而未熔化的硅原子集团在冷却过程中可以直接成为结晶核心，且在硅晶体的生长过程中，这些微结构又可以作为整体直接附着到硅晶体的生长界面上，促进硅的生长，使得初晶硅在浇注前就已经形核并部分长大。因此在相同条件下，要想获得相对细小的初生硅，硅含量越高，就需要均匀的熔体，也就需要更高的能量，使得浇注温度也不得不随之升高。另外，硅含量越高，其熔体中硅原子也越多，因此硅原子附着在晶核上的机会也大大增加，从而增加了初生硅的长大速度，使得，硅含量越高的合金中初生硅的尺寸也越大。2.3.1.2不同变质剂Al-20Si组织和性能的影响。在铝合金熔炼过程中添加适当的细化剂，可以有效的细化合金凝固组织，由于此法操作简单、作用快、适应性强，目前在国内外工业生产上得到了广泛的应用。晶粒细化剂的发展大致经历了以下几个过程：20世纪四五十年代最先出现盐熔剂或盐块剂；到60年代随着无芯感应炉的出现，细化剂进入中间合金的时代[9]，最早先出现Al-Ti锭，随后又研制出效果更佳的Al-Ti-B锭；70-80年代Al-Ti-B由原先的块锭发展到线材，并研制出了更多钛硼配比的晶粒细化剂；到90年代涌现出一大批新型晶粒细化剂，其中包括Al-Ti-C，Al-Ti-B-RE，Al-Ti-B-C等。(1)盐类细化剂(盐熔剂或盐块剂)一般的制备方法是将K2TiF6、KBF4直接加到铝熔体中反应，产生TiAl3和AlB2细化相粒子而产生细化作用。被普遍采用的盐类细化剂为英国金属研究协会Cibula研制，它由40%Ti粉与B盐及助熔剂等混合压制成块状[9,10]。但是此类细化剂产生的细化效果不均匀，容易产生衰退，反应参数难以控制，Ti和B元素的收得率低，而且制备时容易产生有害气体，对环境和设备都不利，目前这种方法基本被淘汰。(2)Al-Ti中间合金为了克服盐类细化剂的缺点，借助无芯感应炉的出现，中间合金细化剂得到迅猛发展。Al-Ti锭是最早使用的中间合金细化剂，相对盐类细化剂，其细化能力得到明显提高，但是晶粒细化效果不稳定，易衰退。(3)Al-Ti-B中间合金由于B元素的引入，Al-Ti-B中间合金的细化效率比Al-Ti高12倍[11]，是目前广泛采用的晶粒细化剂，世界铝工业大约75%使用该晶粒细化剂。Al-Ti-B块锭中间合金内部起细化作用的细化相粒子易偏聚沉淀，且铝合金中的Zr、Cr、V、Mn元素会使细化相“中毒”而失去细化作用[12]，细化效果由于第二相粒子TiAl3和TiB2的沉淀而存在衰退现象[13]，一般5h-6h后失效。20世纪70年代，美国研制出Al-Ti-B线材中间合金。相比块锭，线材中间合金元素利用率高，细化效果均匀稳定，还可实现细化处理的自动化[14]。国内对Al-Ti-B的研究比较晚，1986年由东北工学院首先研制功[15]。目前不同钛硼配比的Al-Ti-B中间合金相继被开发，其中Ti/B配比有5/1、5/0.5、5/0.2、5/0.1和3/1、3/0.5、3/0.2、3/0.1以及无B的Al-6Ti和Al-10Ti中间合金和无Ti的Al-B合金细化剂。国内外最常用是Al-5Ti-1B[16]。虽然Al-Ti-B中间合金具有优异的细化能力，但是TiAl3和TiB2粒子的聚集沉淀以及“中毒”仍然不可避免。2.3.2工艺条件对铝硅合金组织和性能的影响研究状况2.3.2.1熔炼温度不同对铝硅合金组织和性能的影响低温加硅运用合金化能降低合金熔点的原理,为适当降低加硅温度,熔化温度和缩短熔化时间创造较好的条件。根据铝-硅二元相图进行分析在铝的熔点温度附近加硅,适当搅拌,控制温度,使硅在L+α相区域内均匀分布,就可以避免加硅初期硅的上浮现象,同时增加了铝和硅的接触表面。随着液体铝温度的升高和硅的熔解扩散,掖体铝合金和硅互相湿润,掖体铝的比重减小,增加了液体铝合金对硅的粘附作用。有效地防止熔化过程中硅的上浮。而且绩晶硅的块（粒、粉）度越小,表面积越大。防止硅的上浮的现象的效果越明显,则在整个熔炼过程中加快硅的熔解和扩散速度,缩短熔炼时间。因此,即节省能源和工时,还可以减少金属元素一的烧损量,充分应用细粒状和细粉状结晶硅的原材料资源。低温加硅直接熔炼铸造铝合金（铝硅中间合金）开辟了新的途径。2.3.2.2冷却速度对Al-20Si组织的影响研究状况在实际生产中，为了提高过共晶铝硅合金的力学性能，就必须使该合金中的初生硅和共晶硅得到细化。为了达到这一目的，除了向该合金中加入变质剂来细化晶粒之外，在生产过程中还通常通过加快该合金的冷却速度来细化合金中的初生硅和共晶硅。不少研究表明，冷却速率的增加能够使初生硅略微细化。特别是在铸造件下[5，8]，由于生长受到抑制，初生硅颗粒变得更加细小，同时更趋向于星形颗粒。在较高的冷却速率条件下，还能够观察到羽状的或是薄片状的共晶硅，但该将这种组织归入初生硅中还是共晶硅当中，目前还存在争议。三、实验方案设计3.1实验方案3.1.1工艺条件对铝硅合金组织及性能的影响不同熔炼温度对Al-20Si过共晶Al-Si合金的影响（表1）序号合金成分熔炼温度（℃）保温时间（min）结果分析1#Al-20Si720102#Al-20Si720203#Al-20Si720304#Al-20Si750105#Al-20Si750206#Al-20Si750307#Al-20Si780108#Al-20Si780209#Al-20Si78030根据冷却速度不同来分析Al-20Si合金（表2）序号合金成分冷却方式结果分析11#Al-20Si随炉冷却12#Al-20Si坩埚空冷12#Al-20Si水冷3.1.2熔炼温度不同对铝硅合金组织和性能的影响硅含量对初生硅大小的影响（表3）序号合金成分熔炼温度（℃）保温时间（min）结果分析10#Al-30Si待定待定7#Al-20Si已做已做13#Al-25Si待定待定14#Al-30Si待定待定（表格中待定的内容是以表1的最佳结果为参照标准）不同变质剂Al-20Si组织和性能的影响（表4）序号合金成分细化剂加入量结果分析17#Al-20SiAl-Ti-B0.118#Al-20SiAl-Ti-B0.23.2.2实验材料本实验选用的材料为：Al-50Si（含硅量为50%的铝硅合金），工业纯铝，工业纯硅，Al-Ti-B细化剂。3.2.3实验工具、设备和检测仪器。本实验采用的实验工具、设备和检测仪器如下：50kg中频感应炉；SX2-5-12型箱式电阻炉；布氏/显微硬度计；CSS-55100电子万能拉伸试验机；飞利浦XL30W/SEM型扫描电镜；德国蔡司AxioskopII型金相显微镜；手动压力试样镶嵌机；辅助工具：石墨坩埚，铁模一个，手套，坩埚钳等。3.3性能检测及组织观察为了确定加工工艺对铝硅合金组织和性能的影响规律，需要对实验做出的产品进行检测。需要检测的内容主要有：、硬度，抗拉强度，观察抗拉试样断口形貌特征，Al-20Si合金组织中初晶硅和共晶硅尺寸的大小等。3.3.1力学性能检测测试不同工艺处理后合金的硬度和抗拉强度。(1)硬度测试材料在各种状态下的硬度值用上海材料试验机厂生产的HBE-3000型数显电子布氏硬度计及71型显微硬度计上进行测定。具体方法如下：布氏硬度法按国标GB231-84《金属布氏硬度实验方法》执行，选用中5mm的钢球，负荷250kg，加载时间为30s，测试前表面用7号金相砂纸磨平，每一个状态的试样测三个点后取其平均值；显微硬度法按国标GB231-84《金属显微硬度实验方法》执行，测量载荷为200g，每次加载15秒，测量后按一下公式进行硬度计算。其中p：负荷（公斤）；：金刚石角锥相对两面的夹角；d：压痕两对角线的平均值。(2)拉伸测试合金的抗拉强度及伸长率在CSS-55100电子万能拉伸试验机上进行，拉伸速率为0.1mm/s，每个值取3次试验的平均值。力学性能测试之前，将拉伸试样片用砂纸打磨光滑，以避免应力集中（3）金相组织观察①取样:用锯弓在试样上截取一小块，矩形样品尺寸为3mm×5mm×5mm，尽量使样品具有代表性。②镶样:在上海金相机械设备有限公司生产的手动压力试样镶嵌机上用热固性塑料进行镶样，热固温度为140℃左右，压力为190kg/cm2，时间5-10分钟，压力手动调节，空冷自动控制。③磨光:首先，在国产M-2型金相试样预磨机上依次用120号，240号，400号水磨砂纸打磨成平整的表面，然后在玻璃板上依次用01号，03号，05号，07号金相砂纸磨光，使样品表面平整，无较深划痕。磨光时不能过热，以免塑料发软以及合金表面氧化。④抛光:a.粗抛:用Cr2O3浮液及细昵布在抛光机上抛至试样表面无明显划痕。b.精抛:用W0.5的金刚石抛光膏抛光，直至无划痕、污迹、拖尾等成为光滑无痕的镜面。⑤腐蚀液：用1%HNO3+1.5%Hcl+2.5%HF+95%H2O腐蚀液腐蚀，观察金相组织。⑥观察：金相显微组织观察采用德国产蔡司AxioskopII型型金相显微镜。主要观察Al-20Si合金中的初生硅晶粒形貌和共晶硅形晶粒形貌，尺寸大小以及分布。四论文提纲及进度安排：第5周下达论文任务书后，明确工作目的及要求第5~6周文献调研、翻译英文文献，设计实验方案第6~7周撰写开题报告，熟悉实验设备第7~9周开题，进行相关的实验研究第10~12周整理实验数据及分析结果第13~15周撰写毕业论文、论文评阅五主要参考文献和书目：[1]邵光杰，张恒华，许路萍.汽车用铝合金材料及热处理进展.金属热处理.2004(29):29-32.[2]K.Matsuura,M.Kuudoh,H.Kinoshita.H.Takahashi.PrecipitationofSiParticlesinasuper-rapidlysolidifiedAl-Sihypereutecticalloy.Materialschemist