重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文中文摘要 摘要 過(guò)共晶舢s i 合金具有低密度及熱膨脹系數(shù)、高耐磨性及抗腐蝕性、優(yōu)良鑄 造性能等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的活塞材料。然而組織中存在粗大的硅相，惡化合金 力學(xué)性能和機(jī)加工性能，嚴(yán)重制約合金適用范圍。變質(zhì)處理是細(xì)化硅相組織的簡(jiǎn) 單而有效的工藝措施。 本文針對(duì)目前鋁硅合金相關(guān)應(yīng)用和理論研究多集中在亞共晶和共晶合金的情 況，在前人的研究成果和研究方法基礎(chǔ)上，對(duì)過(guò)共晶a 1 2 4 s i 合金變質(zhì)進(jìn)行較為 系統(tǒng)的分析。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)向a 1 2 4 s i 合金熔體中加入混合稀土( r e ) 、鍶，進(jìn)行 單一變質(zhì)及兩者的復(fù)合變質(zhì)，通過(guò)現(xiàn)代檢測(cè)手段，研究了不同變質(zhì)劑對(duì)過(guò)共晶鋁 硅合金中初晶硅和共晶硅的形貌、尺寸及分布的影響，并探討變質(zhì)劑的變質(zhì)機(jī)理。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明：混合稀土對(duì)合金組織中的初晶硅及共晶硅均具有良好的 變質(zhì)效果，但組織中硅相分布不均勻具有局部團(tuán)聚現(xiàn)象，且變質(zhì)不完全；鍶對(duì)初 晶硅幾乎無(wú)細(xì)化效果相反組織卻呈現(xiàn)骨骼化趨勢(shì)，對(duì)共晶硅完全細(xì)化成纖維狀， 但變質(zhì)組織中針孔顯著增加，致密度降低；復(fù)合變質(zhì)處理后，組織中初晶硅尺寸 明顯細(xì)化，形貌與混合稀土變質(zhì)相比產(chǎn)生了骨骼化趨勢(shì)，共晶硅完全細(xì)化，組織 致密性顯著提高。通過(guò)合金組織分析可以看出：混合稀土和鍶復(fù)合變質(zhì)與單一變 質(zhì)相比，合金中初生硅和共晶硅細(xì)化明顯，變質(zhì)效果好。 稀土與氧反應(yīng)形成稀土氧化物，能為初晶硅結(jié)晶提供異質(zhì)核心，細(xì)化初晶硅， 共晶轉(zhuǎn)變時(shí)，稀土在生長(zhǎng)界面處富集，導(dǎo)致硅相以孿晶凹谷機(jī)制生長(zhǎng)，從而細(xì)化 共晶硅；鍶對(duì)初晶硅沒(méi)有明顯細(xì)化作用，鍶的共晶變質(zhì)機(jī)理與混合稀土變質(zhì)相似； 復(fù)合變質(zhì)時(shí)，稀土和鍶兩者不發(fā)生反應(yīng)，不會(huì)干擾彼此變質(zhì)效果，因而使變質(zhì)效 果得到強(qiáng)化。 關(guān)鍵詞：過(guò)共晶鋁硅合金，變質(zhì)處理，組織，變質(zhì)機(jī)理 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 英文摘要 a b s t r a c t a sh y p e r e u t e c t i ca 1 - s ia l l o yh a st h ec h a r a c t e r so fl o wd e n s i t y , l o we x p a n s i o n c o e f f i c i e n t ，e x c e l l e n tw e a r i n ga n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，a n ds a t i s f i e dc a s t i n gp r o p e r t i e s ， i th a sb e c o m eav e r yi d e a lk i n do fp i s t o nm a t e r i a l h o w e v e ri nn o r m a lm i c r o s t r u c t u r e o f 燦一s ia l l o y s ，e x i s tc o a r s ep r i m a r ys i l i c o na n dn e e d l e l i k ee u t e c t i cs i l i c o n ，w h i c h g r e a t l ya g g r a v a t e st h em a c h i n a b i l i t y ，a n dl i m i t st h ea p p l i c a t i o no ft h e m m o d i f i c a t i o n i sa s i m p l ea n de f f e c t i v et e c h n o l o g yt or e f i n et h ep r i m a r ys i l i c o na n d e u t e c t i cs i l i c o n t h ec u r r e n tt h e o r ya n da p p l i c a t i o no fa i s ia l l o ym a i n l yf o c u so nt h es t u d yo f h y p o e u t e c t i ca n de u t e c t i c ，t h e r e f o r ew es y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e dt h em o d i f i c a t i o n p r o c e s so fh y p e r e u t e c t i ca 1 - s ia l l o yb a s e do nt h em e t h o d sa n dr e s u l t so fp r e d e c e s s o r s w eu s er e ，s ra n dc o m p o u n do ft h e mt om o d i f yt h ea 1 - 2 4 s ia l l o y b yt h em o d e m t e s t i n gt o o l s ，w es t u d yt h ee f f e c t st ot h ec o m p o s i t i o n ，f u n c t i o na n dp e r f o r m a n c e so f p r i m a r ys i l i c o na n de u t e c t i cs i l i c o n , a n dd i c u s st h em o d i f i c a t i o nm e c h a n i s m t h er e s u l t so fe x p e r i m e n ts h o wt h a t ，r eh a sg o o de f f e c t st om o d i f yp r i m a r y s i l i c o na n de u t e c t i cs i l i c o n b u tm o d i f i c a t i o ni sn o tc o m p l e t e ，a n ds i l i c o nd o e s n tw e l l d i s t r i b u t e d s rh a sn og o o de f f e c tt op r i m a r ys i l i c o n ，i th a so b v i o u st r e n dt oh a v e b r a n c h e s b u ti th a sg o o de f f e c tt oe u t e c t i cs i l i c o n ，a n di t ss h a p eh a sc o m p l e t e l y b e c o m ef i b r es h a p e s rm a yi n c r e a s et h ep o r o s i t yi nm i c r o s t r u c t u r e a f t e rc o m p o u n d m o d i f i c a t i o n ，p r i m a r ys i l i c o nh a sb e c o m ev e r ys m a l l ，a n di t h a s t h et r e n dt oh a v e b r a n c h e s e u t e c t i cs i l i c o nc o m p l e t e l yb e c o m eg r a n u l e 、p a r t i c l e ，m i c r o s t r u c t u r eh a s c o m p l e t e l ym o d i f i e d c o m p a r e dt oa l l o ym o d i f i e db ys r , m i c r o s t r u c t u r ec o m p a c t n e s s i n c r e s s e sd i s t i n c t l y w ec o u l dd r a wt h ec o n c l u s i o nt h a t ：c o m p a r e dw i t ht h ea l l o yb y s i n g l em o d i f i c a t i o n ，t h ea l l o yw h i c hw a sc o m p o u n d m o d i f i e db yr e 、s rh a sa c h i e v e d t h eb e s tm o d i f i c a t i o ne f f e c t m i s c h m e t a l la n do x y g e nc a nm a k er e a c t i o n , t h ep r o d u c t i o nc o u l ds u p p l y h e t e r o g e n e o u sn u c l e u st op r i m a r ys i l i c o n ，a n dr e f i n ep r i m a r ys i l i c o n ；d u r i n ge u t e c t i c t r a n s f o r m a t i o nr ec a ne n r i c ha tt h eg r o w i n gi n t e r f a c e ，a n de u t e c t i cs i l i c o nc o u l dg r o w i nt h ew a yo ft p r et or e f m ei t s rc o u l e n tm o d i f yp r i m a r ys i l i c o n ，t h em o d i f i c a t i o n m e c h a n i s mo fe u t e c t i cs i l i c o ni ss i m i l a rt or e r ea n ds rc a n tp r o d u c er e a c t i o nw h e n t h e yj o i n e dt o g e t h e r , t h e yc o u l d n td i s t u r be a c ho t h e r , s ot h em o d i f i c i o ne f f e c th a s e n h a n c e d i i 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 英文摘要 k e y w o r d s ：h y p e r e u t e c t i ca 1 - s ia l l o y , m o d i f i c a t i o ne x p e r i m e n t , m i c r o s t r u c t u r e ， m o d i f i c a t i o nm e c h a n i s m i i i 學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的絲礁士學(xué)位論文血壁彰磁壟廈4 f = 齠幺經(jīng)么璽墓唇基 醒掘娑是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所 知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人己經(jīng)發(fā)表或撰 寫(xiě)過(guò)的研究成果。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均己在論文中作 了明確的說(shuō)明并表示了謝意。 學(xué)位論文作者簽名：藹 翩始勢(shì) 一， 辛牟簽字日期：步，7 簽字日期：砷門(mén)矽 學(xué)位論文使用授權(quán)書(shū) 本人完全了解重慶大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。本人完全同意中 國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)、中國(guó)優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)出版章程( 以 下簡(jiǎn)稱(chēng)“章程) ，愿意將本人的蘭! 羔z 丞士學(xué)位論文q 匝復(fù)壘望壓4 c 耀磁互盔酲i c f 如逝握出提交中國(guó)學(xué)術(shù)期刊( 光盤(pán)版) 電子雜志社( c n k i ) 在中國(guó)博士學(xué) 位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)、中國(guó)優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)以及重慶大學(xué)博碩 學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)中全文發(fā)表。中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)、中國(guó)優(yōu) 秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)可以以電子、網(wǎng)絡(luò)及其他數(shù)字媒體形式公開(kāi)出版， 并同意編入c n k i 中國(guó)知識(shí)資源總庫(kù)，在中國(guó)博碩士學(xué)位論文評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù) 中使用和在互聯(lián)網(wǎng)上傳播，同意按“章程 規(guī)定享受相關(guān)權(quán)益和承擔(dān)相應(yīng)義務(wù)。 本人授權(quán)重慶大學(xué)可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文，可以公開(kāi)論文 的全部或部分內(nèi)容。 作者簽名：箍牽聾 導(dǎo)師簽名營(yíng) 沖年r 月7 日 備注。審核通過(guò)的涉密論文不得簽署。授權(quán)書(shū)刀，須填寫(xiě)以下內(nèi)容： 該論文屬于涉密論文，其密級(jí)是，涉密期限至年一月一日。 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文1 緒論 1緒論 1 1 課題研究的背景意義 鋁合金材料具有比重小、導(dǎo)熱性能好、易于成形、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛 應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、輕工建材等部門(mén)，是輕合金中應(yīng)用最廣、用量最多 的合金。舢s i 合金是鋁合金中品種最多，用途最廣的一類(lèi)合金【l 】。在砧s i 合金 中硅是主要合金化元素，硅的熔點(diǎn)為1 4 1 4 ，密度2 3 4 9 c m 3 ，比鋁輕，舢s i 合 金在5 7 7 發(fā)生共晶反應(yīng)，生成含硅量為1 2 6 的舢s i 共晶體。在舢s i 合金中 加硅，能顯著改善鋁硅合金的流動(dòng)性，降低合金的熱膨脹系數(shù)，減少合金熱裂傾 向，減輕合金比重，提高合金的耐磨性、強(qiáng)度、剛度和疲勞強(qiáng)度，并且能減少疏 松，提高組織致密性。按合金中硅元素含量的多少，鋁硅合金可分為三類(lèi)：亞共 晶、共晶和過(guò)共晶砧s i 合金【2 1 。 過(guò)共晶舢s i 合金具有良好的耐磨性、耐腐蝕性、流動(dòng)性、而且熱裂傾向小， 體積穩(wěn)定性高，近年來(lái)此類(lèi)鋁合金應(yīng)用發(fā)展很快。但是，合金組織中共晶硅呈粗 大的長(zhǎng)針片狀，初晶硅呈規(guī)則的多邊形、板塊及五瓣星等多種形態(tài)，尺寸也非常 粗大。組織中粗大的硅相嚴(yán)重地割裂了a l 基體的連續(xù)性，且很容易在硅相的尖端 和棱角處引起強(qiáng)烈的應(yīng)力集中，容易沿晶粒邊界處開(kāi)裂而形成裂紋，使合金變脆， 降低合金的強(qiáng)度和塑性，力學(xué)性能特別是伸長(zhǎng)率顯著降低，切削加工性能也明顯 變差，從而惡化合金的綜合力學(xué)性能，嚴(yán)重制約過(guò)共晶鋁硅合金的適用范圍【3 】。 這是推廣應(yīng)用過(guò)共晶鋁硅合金的主要障礙。改變合金中硅相的形貌，減小其對(duì)鋁 基體性能的削弱作用，是提高過(guò)共晶鋁硅合金綜合性能的有效途徑。 變質(zhì)處理是改善過(guò)共晶a 1 s i 合金中硅相形貌和尺寸的簡(jiǎn)單而有效工藝措施， 在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)實(shí)踐中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)外常用的過(guò)共晶礎(chǔ)s i 合金 變質(zhì)劑多為赤磷、含磷化合物、混合稀土、鍶、鈉等物質(zhì)。磷及含磷化合物對(duì)初 晶硅具有良好的變質(zhì)作用，但p 元素不能細(xì)化共晶硅，且變質(zhì)處理過(guò)程中產(chǎn)生的 有毒p 2 0 5 氣體會(huì)嚴(yán)重污染工廠環(huán)境，對(duì)操作工人的身體健康會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重危害；鍶 元素對(duì)共晶硅具有很好的變質(zhì)效果但對(duì)初晶硅沒(méi)有變質(zhì)作用，相反卻會(huì)使組織中 初晶硅產(chǎn)生嚴(yán)重骨骼、分枝化趨勢(shì)，且鍶變質(zhì)處理后合金組織含氣量增加，致密 度顯著降低；鈉與鍶類(lèi)似，對(duì)共晶硅細(xì)化效果明顯，但鈉變質(zhì)有效期短，容易出 現(xiàn)衰退現(xiàn)象；p 、s r 復(fù)合變質(zhì)時(shí)兩者之間會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)反而降低彼此的變質(zhì)效 果；中國(guó)具有非常豐富的稀土資源，變質(zhì)成本相對(duì)低廉，研究認(rèn)為混合稀土對(duì)共 晶硅具有很好的變質(zhì)效果，但是對(duì)初晶硅變質(zhì)效果的研究相對(duì)較少。為了尋找一 種變質(zhì)方式能同時(shí)細(xì)化組織中的初晶硅及共晶硅，本實(shí)驗(yàn)以a 1 2 4 s i 合金為原 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文i 緒論 料，研究了混合稀土( i 迮) 、鍶( s r ) 的單一變質(zhì)以及兩者的復(fù)合變質(zhì)，分析其 對(duì)初晶硅及共晶硅的變質(zhì)效果并探討其變質(zhì)機(jī)理，從而探索一種經(jīng)濟(jì)、適用的變 質(zhì)工藝，拓寬過(guò)共晶鋁硅合金的使用范圍。 1 2 過(guò)共晶鋁硅合金的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 目前國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的a 1 s i 合金主要有兩種，即亞共晶型和共晶型砧s i 合金。長(zhǎng)期以來(lái)，共晶、亞共晶s i 合金由于具有較低的熱膨脹系數(shù)、較高的 耐磨性能和優(yōu)良的熔鑄及加工性能，常成為中小型內(nèi)燃機(jī)活塞的首選材料，國(guó)內(nèi) 常用的該類(lèi)合金以z l l 0 8 和z l l 0 9 為典型代表。目前這兩種合金的制備工藝已趨 于成熟，在實(shí)際生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。但隨著內(nèi)燃機(jī)向高速度、高功率的發(fā)展， 傳統(tǒng)的共晶成分砧s i 合金活塞已經(jīng)滿(mǎn)足不了發(fā)展的需要。于是出現(xiàn)了屬于第二 代的過(guò)共晶砧s i 合金活塞，但過(guò)共晶燦s i 合金仍處于開(kāi)發(fā)研究階段，國(guó)內(nèi)外正 形成系列合金【4 5 j ( 見(jiàn)表1 1 ) 。 表1 1 國(guó)內(nèi)外有代表性的過(guò)共晶a 1 s i 合金化學(xué)成分 t a b l e1 1c h e m i s t r yi n g r e d i e n to fr e p r e s e n t a t i v eh y p e r e u t e c t i ca 1 - s ia l l o yi nt h ew o r l d 2 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文1 緒論 過(guò)共晶一s i 合金具有熱膨脹系數(shù)小、密度小、體積穩(wěn)定性高、導(dǎo)熱能力強(qiáng)、 耐磨、耐蝕性好等多種優(yōu)異的特性，因而它將成為一種極有發(fā)展前途的鋁合金材 料。目前過(guò)共晶礎(chǔ)s i 合金在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用主要是摩托車(chē)、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞材料， 部分企業(yè)已將過(guò)共晶鋁硅合金投入應(yīng)用【6 7 j ，例如：重慶建設(shè)機(jī)床廠利用z a s 2 3 型過(guò)共晶鋁硅合金生產(chǎn)的j s 5 0 和c y 8 0 摩托車(chē)活塞；福建冶金工藝研究所用 f y z l 0 3 型過(guò)共晶魁s i 合金生產(chǎn)的5 1 9 5 柴油機(jī)活塞，與z l l 0 8 活塞比較，排氣 溫度降低了1 0 2 0 ，當(dāng)負(fù)載大于2 5 時(shí)燃油消耗率降低了1 9 “8 9 k w h 。國(guó)外 除制作鑄造活塞外，還替代灰鑄鐵，應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸蓋、油泵外殼和排氣管， 如：美國(guó)的a 3 9 0 、德國(guó)的k s 2 8 0 、k s 2 8 2 等，已經(jīng)進(jìn)入批量生產(chǎn)階段。另外， 相關(guān)的合金牌號(hào)還有德國(guó)的m a h l f l 3 8 。在日本，摩托車(chē)活塞已經(jīng)全部選用這種 材質(zhì)的合金，并擴(kuò)大應(yīng)用于載重汽車(chē)上。 但是在過(guò)共晶a 1 s i 合金中，隨著硅含量的提高，初晶硅尺寸變得十分粗大， 通常長(zhǎng)成粗大的板塊、多邊形、五瓣星狀等。在常規(guī)鑄造條件下，如果不通過(guò)有 效的細(xì)化變質(zhì)處理，硅含量超過(guò)1 8 后就難以澆鑄出合格的鑄件，因而在工業(yè)上 過(guò)共晶鋁硅合金尚未得到廣泛的應(yīng)用。為了進(jìn)一步挖掘該材料的性能潛力從而擴(kuò) 展其使用范圍，必須對(duì)過(guò)共晶a 1 s i 合金進(jìn)行相關(guān)的細(xì)化變質(zhì)工藝研究。常見(jiàn)的 細(xì)化變質(zhì)方法有很多【8 - l0 1 ，例如：超聲波振動(dòng)法、激冷法、噴射沉積法、低溫鑄 造、高壓下結(jié)晶等等。這些方法雖然取得了一定的細(xì)化效果，但是由于生產(chǎn)規(guī)模 以及工廠實(shí)際的生產(chǎn)工藝條件的限制，在實(shí)際生產(chǎn)中很難將其廣泛推廣。加入變 質(zhì)劑進(jìn)行細(xì)化處理，基本不改變傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝且生產(chǎn)規(guī)模也不受限制，所以具有 良好的發(fā)展前景。 1 3 課題研究的目的、內(nèi)容和技術(shù)路線 1 3 1 課題研究目的 本課題擬通過(guò)研究不同變質(zhì)材料對(duì)過(guò)共晶鋁硅合金的變質(zhì)效果，尋求能同時(shí) 細(xì)化初晶硅和共晶硅的優(yōu)良變質(zhì)劑，從而達(dá)到細(xì)化合金中硅相形態(tài)，提高觸s i 合金的綜合力學(xué)性能以及機(jī)械加工性能的目的。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析鍶、混合稀土對(duì) a l - s i 合金變質(zhì)效果，探討其變質(zhì)機(jī)理，進(jìn)而拓寬過(guò)共晶舢s i 合金在現(xiàn)代工業(yè)生 產(chǎn)中的應(yīng)用范圍。 1 3 2 課題研究?jī)?nèi)容 本課題擬采用混合稀土( r e ) 、鍶及混合稀土和鍶兩者復(fù)合變質(zhì)劑對(duì)過(guò)共晶 a i 一2 4 s i 合金進(jìn)行變質(zhì)處理，對(duì)試樣的變質(zhì)效果進(jìn)行比較分析，并探討編制材料 的變質(zhì)機(jī)理。 本課題擬研究?jī)?nèi)容如下： 3 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文1 緒論 選定過(guò)共晶a 1 2 4 s i 合金，分析其合金的化學(xué)成分，及其金相組織。 熔煉合金，向舢s i 合金液中加入變質(zhì)劑，進(jìn)行變質(zhì)處理。 在金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡下分析合金的變質(zhì)組織，進(jìn)而確定最佳變 質(zhì)方案。 通過(guò)掃描電鏡等現(xiàn)代檢測(cè)手段對(duì)鋁硅合金的變質(zhì)組織進(jìn)行分析，探討變質(zhì) 劑的變質(zhì)機(jī)理。 1 3 3 研究技術(shù)路線 本課題以a 1 2 4 s i 合金為研究對(duì)象，探討采用一種新型的s r 、r e 復(fù)合變質(zhì) 劑來(lái)細(xì)化過(guò)共晶砧s i 合金，改善其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，提高合金的力學(xué)性能。 本課題的研究技術(shù)路線設(shè)計(jì)如圖1 1 所示： 圖1 1 課題研究技術(shù)路線圖 f i g1 1r o u t ed i a g r a mo f t h ed i s s e r t a t i o n 4 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 過(guò)共晶a 1 s i 合金特點(diǎn)分析 2 過(guò)共晶a 1 s i 合金特點(diǎn)分析 過(guò)共晶鋁硅合金的成分，按硅含量高低可分為三組，即低硅1 6 - 1 9 ，中硅 2 0 2 3 ，高硅2 4 2 6 。過(guò)共晶鋁硅合金由于在析出初晶硅時(shí)能釋放出大量的結(jié) 晶潛熱，因而與共晶鋁硅合金相比具有更好的流動(dòng)性。然而，隨著硅含量的增加， 合金的結(jié)晶溫度區(qū)間范圍變寬，增大疏松傾向，組織氣密性顯著降低；而且由于 硅含量的增加使得合金中氫的溶解度降低，合金形成針孔的傾向增加，合金液粘 性增加。上述結(jié)果導(dǎo)致過(guò)共晶鋁硅合金鑄造工藝性能隨硅含量的增加而逐漸變差， 從而不利于合金的熔鑄生產(chǎn)。 2 1 過(guò)共晶a 1 s i 合金的組織和性能 過(guò)共晶a 1 s i 合金的金相組織主要由初晶硅和共晶體( 蚴+ s i ) 構(gòu)成，此外 還有因加入不同合金元素而形成的金屬間化合物強(qiáng)化相，如：c u a l 2 、m 9 2 s i 和 a 1 2 ( s i c u ) 2 r e 等，其中初晶硅、共晶硅的尺寸、形貌和分布對(duì)合金的力學(xué)性能影 響很大，是關(guān)鍵性的顯微組織。概括起來(lái)過(guò)共晶舢s i 合金具有以下特點(diǎn) 2 1 1 合金的力學(xué)性能 過(guò)共晶舢s i 合金的力學(xué)性能主要取決于組織中硅相形貌、尺寸及分布狀況。 若合金未經(jīng)過(guò)任何細(xì)化變質(zhì)處理，則其機(jī)械性能很難滿(mǎn)足使用性能要求；若經(jīng)過(guò) 合適的變質(zhì)處理，合金仍能獲得滿(mǎn)意的機(jī)械性能。隨著鋁硅合金溫度的升高，合 金的強(qiáng)度逐漸降低而其塑性、韌性顯著的提高。蔡宗德【l l 】等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)過(guò)共晶 砧s i 合金和共晶砧s i 合金的高溫強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 1 所示。從表 中可以看出，在成分選擇合適并經(jīng)過(guò)有效變質(zhì)處理的條件下，過(guò)共晶a 1 s i 合金 的高溫強(qiáng)度甚至可以超過(guò)共晶合金。 5 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 過(guò)共晶a 1 s i 合金特點(diǎn)分析 表2 1 過(guò)共晶a 1 s i 合金和共晶a 1 s i 合金的高溫性能對(duì)比表 t a b l e 2 1h i g ht e m p e r a t u r ep r o p e r t i e sc o n t r a s to fh y p e r e u t e c t i ca 1 - s ia l l o ya n de u t e c t i ca l l o y 2 1 2 合金的鑄造性能 過(guò)共晶m s i 合金具有良好的流動(dòng)性，這是由于析出初晶硅時(shí)將放出大量的 結(jié)晶潛熱。因此，常用的過(guò)共晶鋁硅合金比共晶鋁硅合金具有更好的流動(dòng)性。隨 著合金中硅含量的增加，合金的線收縮率降低。據(jù)測(cè)定【l ，含硅量1 7 - - 2 0 的鋁 硅合金的線收縮率在o 8 2 1 之間。然而，隨著硅含量的增加，結(jié)晶溫度范圍變 寬，合金的疏松傾向加大，合金的氣密性降低。此外，隨著硅含量的增加，氫在 合金中的溶解度降低，合金液的粘度增加。因而，合金形成針孔的傾向加大，總 之隨著硅含量的增加，合金鑄造工藝性能逐漸下降。 2 1 3 良好的耐磨性 過(guò)共晶舢s i 合金中，隨著硅含量的增加，合金組織中的初晶硅體積百分?jǐn)?shù) 增加。初晶硅是硬的質(zhì)點(diǎn)，硅相的顯微硬度為h v l 0 0 0 1 3 0 0 ，而鋁的顯微硬度為 h v 6 0 1 0 0 ，在合金的軟基體上分布著很多硅相硬質(zhì)點(diǎn)，從而提高了合金的耐磨性。 因此，過(guò)共晶砧s i 合金是一種理想的耐磨材料。隨著硅含量增加，合金的耐磨 性也相應(yīng)提高。鄭州大學(xué)陳沖【1 2 】通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明：在相同的試驗(yàn)條件下，含硅量2 6 的合金磨損量只有含硅量1 7 的合金的一半左右。 2 1 4 合金的物理性能 過(guò)共晶鋁硅合金是現(xiàn)有鋁合金中熱膨脹系數(shù)最低的合金，合金的熱膨脹系數(shù) 隨著組織中硅的增加直線減小，如圖2 1 所示【”】。 6 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 過(guò)共晶a l - s i 合金特點(diǎn)分析 s i 圖2 1 含s i 量對(duì)a 1 s i 系合金熱膨脹系數(shù)的影響 f i g 2 1i n f l u e n c eo fs i l i c o no nd i l a t a b i l i t yo f a l - s ia l l o y s 除了低的熱膨脹系數(shù)外，與共晶鋁硅合金相比過(guò)共晶鋁硅合金具有更好的尺 寸穩(wěn)定性和導(dǎo)熱系數(shù)，特別是當(dāng)合金中含有c u 、n i 、c r 、c o 等耐熱合金元素時(shí)， 所形成的s i c r - a 1 f e 耐熱相在5 3 0 的高溫下仍能保持穩(wěn)定，c 喇2 相可以通過(guò) 熱處理從過(guò)飽和固溶體中析出，從而增加合金的尺寸穩(wěn)定性。表2 2 比較了a 3 9 0 過(guò)共晶鋁硅合金和z l l 0 9 共晶鋁硅合金的物理性能【13 1 ，從表中可以看出，過(guò)共晶 鋁硅合金的導(dǎo)熱系數(shù)優(yōu)于共晶合金，熱膨脹系數(shù)也低于共晶鋁硅合金。 表2 2a 3 9 0 和z l l 0 9 物理性能對(duì)比 t a b l e2 2 p h y s i c a lp r o p e r t yc o n t r a s tb e t w e e na 3 9 0a n dz l 10 9 2 2 過(guò)共晶a 1 s i 合金細(xì)化變質(zhì) 眾所周知雖然過(guò)共晶a 1 s i 合金具有較低的熱膨脹系數(shù)、較高的耐磨性能和 優(yōu)良的熔鑄及機(jī)加工性能，但由于硅含量很高，在其組織中出現(xiàn)大量的板塊、五 瓣星、多邊形狀初晶硅及長(zhǎng)針片狀共晶硅，這些硅相嚴(yán)重割裂了鋁基體的連續(xù)性， 惡化了合金的力學(xué)性能。為了提高過(guò)共晶舢s i 合金的性能使其得到廣泛的應(yīng)用， 必須對(duì)合金中初晶硅及共晶硅進(jìn)行變質(zhì)處理。盡管幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外科技工作者 致力于過(guò)共晶觸s i 合金中硅相( 初晶硅和共晶硅) 的細(xì)化變質(zhì)研究，并取得了 7 貓 弘 忽 扣 船 0 m 0 1 n ，p-d【：廿籟嗡顰墜霰 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文2 過(guò)共晶a l s i 合金特點(diǎn)分析 一定的效果。但并沒(méi)有真正徹底解決硅相的細(xì)化問(wèn)題，對(duì)合金變質(zhì)機(jī)理的研究仍 處于探討階段。 2 2 1 初晶硅的變質(zhì) p ( 磷) 變質(zhì) 初晶硅的變質(zhì)是過(guò)共晶鋁硅合金變質(zhì)處理最為關(guān)鍵的一環(huán)。p 是過(guò)共晶舢一s i 合金中實(shí)際應(yīng)用最廣泛的變質(zhì)材料。添加微量的p ( 通常p 的添加量約為合金重 量的o 5 左右) 就可以使初晶硅細(xì)化成多邊形或顆粒狀且硅相均勻分布。雖然p 對(duì)初晶硅具有良好的變質(zhì)效果但對(duì)共晶硅效果很不明顯。作為變質(zhì)劑的p 常常以 含磷中間合金、磷化合物、磷酸鹽等形式加入合金中【1 4 】，例如p c u 、p s i 、p - n i 、 p f e 等。其中以c u - p 中間合金加入為最常見(jiàn)，變質(zhì)效果最明顯。研究表明磷酸 鹽具有變質(zhì)效果好，使用方便，價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)又能明顯改善合金的性能。但其 也有很多缺陷存在，例如：加磷合金回收率低，變質(zhì)效果不穩(wěn)定，污染環(huán)境、操 作復(fù)雜。 混合稀土( r e ) 變質(zhì) 加入單獨(dú)稀土元素，如c e 、l a 、n d 等雖然也能獲得一定的變質(zhì)效果。但由 于稀土元素分離比較困難，因此，稀土元素一般以混合稀土( r e ) 形式加入?；?合稀土一般含5 0 5 2 c e 、2 0 - 2 2 l a 、15 17 n d ，以及少量其它稀土元素。有 些學(xué)者認(rèn)為僅僅加入l a 、y 不能細(xì)化初晶硅，在p 細(xì)化初晶硅的基礎(chǔ)上，稀土可 進(jìn)一步細(xì)化初晶硅。也有報(bào)道稱(chēng)c e 與氧的親合力大于鋁，故可奪取合金液中或 a 1 2 0 3 中的氧原子形成彌散分布的c e 0 2 【1 5 】。硅是金剛石立方晶體結(jié)構(gòu)，c e 0 2 也 是面心立方晶體結(jié)構(gòu)，前者晶格常數(shù)為0 5 4 3 n m ，后者為0 5 4 1 n m ，它們的晶格 常數(shù)十分接近，所以結(jié)晶過(guò)程中硅很容易以c e 0 2 為異質(zhì)核心長(zhǎng)大，從而能細(xì)化 初晶硅。 2 2 2 共晶硅的變質(zhì) 鈉變質(zhì)【1 6 】 原子量：2 2 9 9 ；原子半徑：1 8 5 5 a ；晶體結(jié)構(gòu)：體心立方，a - = 4 2 9 a ；熔點(diǎn)： 9 7 7 ；沸點(diǎn)：8 8 2 。 1 9 2 0 年，p a c z 發(fā)現(xiàn)鈉對(duì)共晶硅具有良好的細(xì)化作用，然而，使用金屬鈉變質(zhì) 時(shí)，由于變質(zhì)溫度( 7 4 0 7 8 0 c ) 與n a 的沸點(diǎn)比較接近，鋁液容易沸騰，產(chǎn)生飛 濺，操作不安全。其次，n a 的密度小，在鋁液表面富集，容易造成合金上部過(guò)度 變質(zhì)而底部變質(zhì)不充分，使變質(zhì)效果不穩(wěn)定；并且鋁液表面的金屬n a 極易與爐 氣中的水蒸氣發(fā)生反應(yīng)生產(chǎn)h 2 ，從而增加a 1 s i 合金中氣體含量。此外，n a 成本 較高且不易保存，因此在實(shí)際生產(chǎn)中很少使用。在生產(chǎn)實(shí)踐中多使用n a 鹽對(duì)共 晶硅進(jìn)行變質(zhì)處理，例如：3 0 n a f + 5 0 n a c i + 1 0 n a 3 a 1 f 6 + 1 0 k c l ，其中n a f 8 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文2 過(guò)共晶a 1 s i 合金特點(diǎn)分析 起變質(zhì)作用，n a c l 、n a a a l f 6 、k c l 作為精煉劑，對(duì)合金進(jìn)行精煉除氣。雖然n a 或n a 鹽的變質(zhì)效果較好，但其變質(zhì)的有效時(shí)間很短，變質(zhì)經(jīng)過(guò)3 0 - - 6 0 m i n 后會(huì)出 現(xiàn)衰退現(xiàn)象，重熔即會(huì)失效；并且變質(zhì)處理不當(dāng)易產(chǎn)生夾雜、氣孔、過(guò)變質(zhì)或變 質(zhì)不足等問(wèn)題。所以，目前這類(lèi)變質(zhì)劑很少采用。 鍶變質(zhì)【1 6 】 原子量：8 7 6 3 ；原子半徑：2 1 4 5 5 l ；晶體結(jié)構(gòu)：體心立方，a = 6 0 7 5 a ；比重： 2 6 9 c m 3 ；熔點(diǎn)：7 7 0 ：沸點(diǎn)：1 3 5 0 。 1 9 6 6 年t h i e l 發(fā)現(xiàn)s r 對(duì)共晶硅具有明顯的變質(zhì)效果，而且變質(zhì)效果具有長(zhǎng)效 性。舢s i 合金用s r 變質(zhì)后，合金得到細(xì)化，共晶硅形貌由長(zhǎng)針片狀細(xì)化為纖維 狀，從而使合金的性能得到提高。但由于鍶的化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，極易氧化，所 以一般是以含5 1 0 s r 的a 1 s r 中間合金形式加入。s r 變質(zhì)潛伏期較長(zhǎng)，吸氣傾 向嚴(yán)重，合金易產(chǎn)生疏松，從而使合金組織致密性下降。由于s r 的氯化反應(yīng)使 s r 燒損嚴(yán)重，所以s r 變質(zhì)時(shí)，不宜用氯鹽精煉，最好用氫氣、氮?dú)狻４送?，?質(zhì)元素t e 、s b 等對(duì)s r 的變質(zhì)具有干擾作用，不能混合使用。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)s r 變質(zhì)的研究較多，但應(yīng)用并不廣泛，除了以上的不足，其價(jià)格較貴，也是其中的 一個(gè)原因。 銻變質(zhì)【l 刀 原子量：1 2 1 7 5 ；晶體結(jié)構(gòu)：斜方；比重：6 6 7g c m 3 ；熔點(diǎn)：6 3 0 5 ；沸點(diǎn)： 1 6 7 5 。 1 9 6 0 年法國(guó)鑄造技術(shù)中心m m a s c r e 的研究結(jié)果證明，s b 對(duì)含9 11 5 s i 的 a 1 s i 合金的變質(zhì)效果是永久性的。近些年來(lái)，有關(guān)報(bào)道更多，以至s b 被稱(chēng)為代 替n a 的永久變質(zhì)劑。但其變質(zhì)效果對(duì)冷速過(guò)于敏感，因此限制了它的應(yīng)用。s b 比重約為舢的2 5 倍，直接加入易偏析，故常以a 1 s b 中間合金加入。以含5 - 8 s b 的礎(chǔ)s b 中間合金的形式，可于鋁液精煉后加入或同爐料一起加入。精煉后加入 時(shí)，處理溫度可比n a 處理稍高，澆注后1 0 h 也能保持變質(zhì)效果。 s b 變質(zhì)有效時(shí)長(zhǎng)，重熔需重新變質(zhì)。工藝簡(jiǎn)便可靠，對(duì)坩堝無(wú)侵蝕作用。s b 來(lái)源豐富，價(jià)格便宜。但使用s b 變質(zhì)，其變質(zhì)效果對(duì)冷速敏感性強(qiáng)，僅適用于 激冷鑄件生產(chǎn)，對(duì)于厚壁鑄件和砂型鑄件效果不明顯。s b 不能與n a 鹽變質(zhì)的回 爐料相混，否則易形成n a 2 s b ，不僅抵消各自的變質(zhì)效果，而且產(chǎn)生夾雜，惡化 合金的性能，另外s b 還易產(chǎn)生比重偏析。 混合稀土變質(zhì) 稀土金屬原子半徑在1 7 4 2 0 4a 之間，比舢的原子半徑1 4 3 a 大，它易填 補(bǔ)生長(zhǎng)中的舢- s i 合金晶粒新相的表面缺陷，阻礙晶粒繼續(xù)長(zhǎng)大，使晶粒細(xì)化。 稀土變質(zhì)細(xì)化共晶硅，使針片狀的共晶硅細(xì)化成短桿狀或顆粒狀，而且形成含稀 9 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文2 過(guò)共晶a 1 s i 合金特點(diǎn)分析 土的金屬間化合物，細(xì)化初晶硅，使其塊度也稍有減小。用混合稀土變質(zhì)可以得 到全變質(zhì)組織，并且合金的高溫性能切削加工性能有所改善。所以稀土( 如l a 、 c e 等) 金屬是一種優(yōu)良變質(zhì)劑【1 5 , 1 8 a 9 。 鋇變質(zhì) b a 對(duì)共晶硅具有良好的變質(zhì)作用，具有長(zhǎng)效、工藝簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)， 不足之處是對(duì)鑄件的壁厚敏感性較大，對(duì)厚壁鑄件的變質(zhì)效果差。b a 對(duì)亞共晶、 共晶、過(guò)共晶舢s i 合金都有變質(zhì)效果，b a 允許的變質(zhì)工藝參數(shù)范圍比較寬。學(xué) 者周繼楊充分肯定了b a 的變質(zhì)效果及發(fā)展前景，且初步確認(rèn)，b a 的變質(zhì)機(jī)理與 n a 相似。國(guó)內(nèi)外對(duì)于b a 的研究只有少量報(bào)導(dǎo)，認(rèn)為與n a 、s r 、s b 相比較，b a 比較長(zhǎng)效，價(jià)格比鍶便宜，加入量范圍寬，加入0 0 1 7 到0 2 的b a ，都能獲得 良好的變質(zhì)組織。b a 長(zhǎng)效性可達(dá)9 個(gè)小時(shí)，重熔5 次后組織和性能基本不變。但 為了獲得良好的變質(zhì)效果，必須快冷。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)b a 對(duì)亞共晶、共晶、過(guò)共 晶舢s i 合金的組織和性能的影響具有顯著的作用，抗拉強(qiáng)度明顯提高，連續(xù)重 熔，變質(zhì)效果仍能保持，與n a 、s r 相比較，其變質(zhì)效果令人滿(mǎn)意。 2 2 3 初晶硅和共晶硅的復(fù)合變質(zhì) 上述分析可知，過(guò)共晶鋁硅合金的變質(zhì)要求同時(shí)細(xì)化初晶硅和共晶硅。但是 前述變質(zhì)劑大多只能變質(zhì)初晶硅或者共晶硅，難以同時(shí)對(duì)初晶硅和共晶硅進(jìn)行細(xì) 化變質(zhì)，因此需要采用復(fù)合變質(zhì)劑對(duì)過(guò)共晶鋁硅合金進(jìn)行變質(zhì)。新型高效復(fù)合變 質(zhì)劑的研究是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外變質(zhì)技術(shù)的研究熱點(diǎn)。研究證明：復(fù)合變質(zhì)劑不僅能減 少變質(zhì)劑的加入量，而且一些變質(zhì)劑的變質(zhì)作用還可以互相疊加、互相彌補(bǔ)，使 變質(zhì)效果大大增強(qiáng)。 p 、s 復(fù)合變質(zhì) 蘇聯(lián)雅羅斯拉夫發(fā)動(dòng)機(jī)廠用硫?qū)χ簊 i 合金變質(zhì)結(jié)果分析表明【2 0 】：硫不僅能 細(xì)化初晶硅而且能細(xì)化共晶硅，如果同時(shí)加如磷和硫變質(zhì)效果會(huì)更好。國(guó)內(nèi)一些 單位在這方面進(jìn)行了系列的研究。桂滿(mǎn)昌等【2 1 】人用磷和硫?qū) 1 1 8 s i 合金進(jìn)行 了復(fù)合變質(zhì)處理，結(jié)果表明：復(fù)合變質(zhì)不但對(duì)初晶硅的細(xì)化效果比單獨(dú)用磷或硫 好，而且對(duì)共晶硅也有良好的變質(zhì)效果，初晶硅尺寸被細(xì)化到2 0 b t m 以下，共晶 硅形貌變成短小桿狀，且二者分布都很均勻。 p s 復(fù)合變質(zhì)劑中以p 2 s 5 + n a c l 和p ( 或p c u ) + s 的效果最好。p s 復(fù)合變 質(zhì)劑的優(yōu)點(diǎn)是具有雙變質(zhì)作用，既能細(xì)化初晶硅又能細(xì)化共晶硅，有效時(shí)間長(zhǎng)， 能滿(mǎn)足批量生產(chǎn)的需要。二者聯(lián)合使用時(shí)，它們之間沒(méi)有互相抵消的作用，各自 在單獨(dú)起作用。 p 、r e 復(fù)合變質(zhì) 磷能細(xì)化初晶硅、稀土能細(xì)化共晶硅的現(xiàn)象引起學(xué)者的極大興趣。向過(guò)共晶 1 0 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文2 過(guò)共晶a 1 s i 合金特點(diǎn)分析 s i 合金中同時(shí)添加磷和混合稀土作為變質(zhì)劑，目前國(guó)內(nèi)已開(kāi)展了許多研究工 作。金大洲等【捌通過(guò)電子顯微分析證明，p 和r e 之間不會(huì)發(fā)生相互作用，復(fù)合 變質(zhì)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生變質(zhì)效果的相互抵消現(xiàn)象。這一結(jié)論為p 、r e 復(fù)合處理過(guò)共晶 砧s i 合金提供了依據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，利用p 、r e 復(fù)合變質(zhì)含硅量2 l 2 3 的過(guò)共晶 鋁硅合金，得到鈍化角狀和塊狀初晶硅尺寸2 5 - - 4 0 “m ，比未變質(zhì)規(guī)則角狀初晶硅 尺寸7 0 9 0 p r o 有明顯改變；共晶硅得到細(xì)化，共晶硅由長(zhǎng)針狀變成短桿狀或顆粒 狀；且合金強(qiáng)度比未變質(zhì)合金提高3 8m p a ，延伸率提高5 0 。 p 、s r 復(fù)合變質(zhì) 鍶和鈉都是共晶硅變質(zhì)元素。和鈉相比鍶的變質(zhì)效果更好，且具有長(zhǎng)效性。 在過(guò)共晶烈s i 合金中同時(shí)添加p 和s r 時(shí)，如果添加的數(shù)量與單獨(dú)添加時(shí)一樣， 那么p 對(duì)初晶硅的變質(zhì)作用和s r 對(duì)共晶硅的變質(zhì)作用不如單獨(dú)加p 和s r 的作用 明顯。造成此現(xiàn)象的原因是在高溫鋁液中p 和s r 發(fā)生如下反應(yīng)【2 j ： 彳，+ p 專(zhuān)a l p 2 a l p + 3 s r 專(zhuān)a i + 眈最 由于反應(yīng)消耗了鋁液中a l p 、s r ，因而相互抵消了各自的變質(zhì)作用。 s r 、r e 復(fù)合變質(zhì) 混合稀土雖然對(duì)觸s i 合金中的初晶硅和共晶硅具有良好的變質(zhì)效果，但變 質(zhì)組織不均勻。s r 變質(zhì)后合金共晶硅顯著細(xì)化，但加劇合金吸氣傾向，使合金具 有明顯的針孔，組織致密度較低。當(dāng)向過(guò)共晶a 1 s i 合金中同時(shí)添加混合稀土及 鍶作為變質(zhì)劑后，混合稀土與鍶之間不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不會(huì)削弱彼此的變質(zhì)效 果，反而會(huì)進(jìn)一步強(qiáng)化變質(zhì)作用。此外，混合稀土中的l a 和c e 能與鋁液中氫發(fā) 生反應(yīng)，形成稀土氫化物【2 3 】，增加了化合態(tài)h 的量，減少了原子態(tài)的h ，從而降 低了合金中游離氫的含量，因此砧s i 合金中的氣孔率明顯降低。 2 3 其它細(xì)化過(guò)共晶a 1 s i 合金方法 2 3 1 動(dòng)力學(xué)方法 動(dòng)力學(xué)方法細(xì)化過(guò)共晶舢s i 合金主要是促使枝晶折斷、破碎、使晶粒數(shù)量 增加，從而減小硅相尺寸。近年來(lái)，一些學(xué)者將半固態(tài)加工技術(shù)應(yīng)用到過(guò)共晶a l s i 合金，如k i m ，d i e w w a n t 等人【2 4 】采用機(jī)械攪拌方法細(xì)化、改善初晶硅的尺寸和形 貌。毛衛(wèi)民等人【2 5 j 研究了電磁攪拌方法細(xì)化、改善初晶硅的尺寸和形貌，該研究 表明，合金中s i 2 4 時(shí)，電磁攪拌會(huì)使初晶硅顯著細(xì)化和尖角鈍化，但當(dāng)合金 中s i 一 3 0 時(shí)，電磁攪拌雖然使大部分初晶硅細(xì)化，但無(wú)法完全消除粗大的板片 狀初晶硅。在電磁攪拌條件下，過(guò)共晶舢s i 合金中的初晶硅發(fā)生細(xì)化和球團(tuán)化 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 過(guò)共晶a 1 s i 合金特點(diǎn)分析 的主要原因是，攪拌引起合金溫度場(chǎng)、溶質(zhì)場(chǎng)的均勻化，引起初晶硅的機(jī)械破碎、 相互摩擦、熟化和抑制初晶硅各向異性生長(zhǎng)。張守魁【2 6 】研究了過(guò)共晶a 1 2 2 s i 合金在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下的凝固組織，發(fā)現(xiàn)由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用，試樣表層初晶硅 破碎、脫落，增加了晶核數(shù)量，從而使初晶硅得以細(xì)化；同時(shí)，硅結(jié)晶要放出大 量的結(jié)晶潛熱，因而抑制了內(nèi)部初晶硅的析出，使硅原子較易向表面擴(kuò)散，形成 了初晶硅富集層( 約1 - - - 4 r i m ) ，使試樣表面硬度和耐磨性得到明顯提高。 2 3 2 快速凝固技術(shù) 常規(guī)鑄造冷卻速度一般小于1 0 0 s ，而在快速凝固條件下冷確速度可以達(dá) 到1 0 4 1 0 9 c s ，遠(yuǎn)高于常規(guī)鑄造工藝，因此會(huì)產(chǎn)生組織結(jié)構(gòu)上的新特征【2 7 1 。主要 表現(xiàn)在細(xì)化的微觀組織；提高合金的固溶極限；合金成分的高度均勻、少偏析或 無(wú)偏析；形成新的亞穩(wěn)相等。目前，對(duì)快速凝固技術(shù)的研究非常多。有報(bào)道稱(chēng)【2 引， 快速凝固技術(shù)是提高過(guò)共晶觸s i 合金強(qiáng)度和耐磨性的最好方法?？焖倌碳夹g(shù) 對(duì)過(guò)共晶舢s i 合金的影響主要有以下兩點(diǎn)例： 提高硅在鋁基體中的固溶度：在平衡條件下，硅在鋁中的極限溶解度僅為 1 6 5 ，而在快速凝固條件下，其溶解度達(dá)1 0 1 6 ，遠(yuǎn)超過(guò)極限溶解度，甚至超 過(guò)共晶成分，使硅過(guò)飽和固溶于鋁基體中，對(duì)基體起到強(qiáng)烈的固溶強(qiáng)化作用。 細(xì)化晶粒：快速凝固可細(xì)化鋁基體，抑制硅相的形核和生長(zhǎng)，改善硅相的 形態(tài)和分布，使初晶硅由鑄造條件下的大塊多角形改為細(xì)小顆粒狀，均勻分布在 鋁基體上，對(duì)基體造成第二相彌散強(qiáng)化作用。 1 2 重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 a i 一2 4 s i 合金制備及變質(zhì)方案設(shè)計(jì) 3a i 2 4 s i 合金制備及變質(zhì)方案設(shè)計(jì) 3 1a 1 2 4 s i 合金制備 3 1 1 主要合金化元素的作用 為了提高合金的綜合力學(xué)性能，鋁合金中往往需要加入較多的合金元素，主 要的合金化元素有：s i 、m g 、c u 、n i 、t i 、m n 等，而且工業(yè)生產(chǎn)中還不可避免 地含有雜質(zhì)元素f e 。這幾種元素的作用和影響分析如下： s i s i 是過(guò)共晶鋁硅合金中最主要的合金化元素。它能固溶于鋁中形成固溶體， 5 5 7 時(shí)硅在鋁中的固溶度為1 6 5 ，室溫時(shí)僅為o 2 。s i 能顯著改善鋁合金的 流動(dòng)性，降低合金熱膨脹系數(shù)，減少熱裂傾向，并提高耐磨性和高溫強(qiáng)度。試驗(yàn) 表h a 3 0 ，鋁合金中含s i 在5 以上時(shí)，已具有相當(dāng)好的充型能力；s i 含量增至6 時(shí)，可消除熱裂；當(dāng)增至9 時(shí)已基本無(wú)疏松現(xiàn)象，可獲得組織致密的鑄件。研 究同時(shí)表明【3 1 1 ，a 1 s i 合金的熱膨脹系數(shù)隨著s i 含量的增加而直線下降，因此， 提高合金中s i 含量可顯著提高合金高溫狀態(tài)下的體積穩(wěn)定性。 m g 、c u 、n i m g 具有彌散強(qiáng)化作用【3 2 1 ，對(duì)舢s i 合金組織和性能的影響很大。當(dāng)m g 含量 小于o 7 時(shí)，生成的硬化相m 9 2 s i 對(duì)合金起明顯的強(qiáng)化作用，超過(guò)此限度則既不 會(huì)產(chǎn)生進(jìn)一步的強(qiáng)化也不會(huì)產(chǎn)生母體金屬的軟化現(xiàn)象。砧s i 合金中m g 元素的含 量一般為0 4 加7 。m g 加入量超過(guò)固溶極限就以粗大的初晶出現(xiàn)，典型的呈 漢字狀或魚(yú)骨狀，對(duì)機(jī)械性能提高較小。對(duì)舢s i 合金進(jìn)行熱處理時(shí)，m g 與鋁基 體共格沉淀析出，但肉眼很難分辨。然而，m g 會(huì)增加合金的熱膨脹系數(shù)，特別 是不加c u 時(shí)，熱膨脹系數(shù)變得非常大；而添加少量c u 時(shí)，熱膨脹系數(shù)急劇變小。 這是由于c u 、m g 同時(shí)存在時(shí)，形成a 1 5 m g s c u 2 s i 6 的緣故。 c u 固溶于鋁基體中或