1、鋁硅合金細(xì)化變質(zhì)處理,張緒平,鋁硅合金細(xì)化變質(zhì)處理,一、實(shí)驗?zāi)康?1. 熟悉A1-Si合金的組織演變的物理化學(xué)過程。 2. 熟悉A1-Si合金的熔煉、精煉、細(xì)化和變質(zhì)處理過程。 3. 了解A1-Si合金晶粒細(xì)化和組織變質(zhì)處理的基本原理和方法。 4. 了解細(xì)化劑和變質(zhì)劑對A1-Si合金組織的影響。,二、實(shí)驗原理概述 1. Al-Si合金概述 如汽車工業(yè)，正面臨著三大問題：能源、公害及安全，其中能源問題最為突出節(jié)能的有效途徑是提高發(fā)動機(jī)效率，減少汽車行駛阻力，改善傳動機(jī)構(gòu)，降低汽車自重等。特別是一些關(guān)鍵零部件材料，如汽車發(fā)動機(jī)連桿、活塞空調(diào)壓縮機(jī)、葉片等運(yùn)動部件，其材質(zhì)輕量化在降低燃料消耗、尾氣排

2、放及噪聲污染方面效果尤為顯著。輕量化有兩大途徑，更改結(jié)構(gòu)設(shè)計、縮小零部件尺寸和采用輕質(zhì)材料。因此研究開發(fā)高性能輕質(zhì)材料和先進(jìn)的制備工藝手段以實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能綠色環(huán)保運(yùn)輸機(jī)械產(chǎn)品用材將是21世紀(jì)一個重要的發(fā)展方向。 鋁硅合金熔化后，液體金屬的流動性好,鋁硅合金細(xì)化變質(zhì)處理,鋁合金的高的質(zhì)強(qiáng)比，被用于： 車體、汽缸、散熱器部件等不動部件。 一些關(guān)鍵運(yùn)動部件，因工作在高溫高壓高速運(yùn)動、滑動條件下，對材料的性能要求除了相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度之外，還需要有良好的耐熱耐磨性及尺寸穩(wěn)定性，主要還是采用傳統(tǒng)的鑄鐵、鑄鋼等鐵合金。 Al-Si系合金結(jié)合了Al基體輕質(zhì)導(dǎo)電導(dǎo)熱性好以及Si 粒子熱膨脹系數(shù)小、硬度高、耐磨的特點(diǎn)，有

3、望滿足上述要求。實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化。,鋁硅合金細(xì)化變質(zhì)處理,Al-Si二元合金相圖,鋁硅合金細(xì)化變質(zhì)處理,由相圖可以看出，室溫下形成和兩種相。相是Si溶于Al中的固溶體，性能和純鋁相似。在共晶溫度577時，Si的最大溶解度是1.65%，室溫時只有0.05%; 是Al溶于Si的固溶體，其溶解度難以確定，其量極微小，可將相看作純Si。,在亞共晶合金中，隨含硅量的增加，合金的結(jié)晶溫度范圍不斷變小，組織中共晶體的數(shù)量逐漸增加，合金流動性顯著提高；硅相的增加提高了合金的抗拉強(qiáng)度。但硅相在變質(zhì)處理以前，一般呈片狀分布，嚴(yán)重地割裂了基體，由于應(yīng)力集中的結(jié)果，延伸率顯著降低;,鋁硅合金細(xì)化變質(zhì)處理,在過共晶合金

4、中，當(dāng)硅量在13-14%時，延伸率只有1%以下，抗拉強(qiáng)度也只有100MPa。變質(zhì)處理后，抗拉強(qiáng)度可提高到160-190MPa，延伸率可達(dá)6-12%。含硅量大于14%時，合金基體中有大量大塊狀的初晶硅析出，抗拉強(qiáng)度和延伸率都急劇下降。 因此必須改變初晶硅形態(tài)，減少其對機(jī)體的割裂作用。,鋁硅合金細(xì)化變質(zhì)處理,幾種常用的Al-Si合金的化學(xué)成分及性能列于表2.,鋁硅合金細(xì)化變質(zhì)處理,鋁硅合金細(xì)化變質(zhì)處理,ZL101 為亞共晶合金，可以用于砂型鑄造、殼型鑄造和熔模鑄造（均為非金屬型鑄造）。無論用哪種方法生產(chǎn)，均應(yīng)進(jìn)行變質(zhì)處理。合金的強(qiáng)度、硬度及塑性均較低，適合做要求不高的產(chǎn)品。 ZL102 為共晶合金

5、，是應(yīng)用最廣泛的合金，由于材料的致密度高，所以它的強(qiáng)度、硬度及塑性（延伸率）均較高。生產(chǎn)方法同ZL101，同樣必須進(jìn)行變質(zhì)處理。適合做室溫下使用的，強(qiáng)度要求高的產(chǎn)品。,ZL108 為含有多種合金元素的共晶合金。這是一種常用的壓鑄合金（金屬型鑄造），在壓鑄條件下，由于合金的冷卻速度快（幾秒鐘以內(nèi)就完成結(jié)晶），所以共晶硅來不及長大，故在此生產(chǎn)條件下，該合金不需要進(jìn)行變質(zhì)處理。常用于生產(chǎn)重要的壓鑄產(chǎn)品。 ZL111 這是一種含有多種合金元素的亞共晶合金。在成分方面的另一特點(diǎn)是加入了0.100.35%Ti用于細(xì)化晶粒，晶粒細(xì)化后可使材料的強(qiáng)度（b）及塑性（）均得到提高。該合金通常采用砂型鑄造，所以必須

6、進(jìn)行變質(zhì)處理。該合金常用于在較高溫度下使用的產(chǎn)品。,鋁硅合金細(xì)化變質(zhì)處理,鋁硅合金細(xì)化變質(zhì)處理,美國Al-Si系鑄造鋁合金的化學(xué)成分,2. 鋁硅合金的細(xì)化處理 目的：細(xì)化合金基體-Al的晶粒； 晶粒細(xì)化是通過控制晶粒的形核和長大來實(shí)現(xiàn)的。細(xì)化處理的最基本原理是促進(jìn)形核，抑制長大。 對晶粒細(xì)化劑的基本要求是： (1)含有穩(wěn)定的異質(zhì)固相形核顆粒，不易溶解； (2)異質(zhì)形核顆粒與固相-A1間存在良好的晶格匹配關(guān)系； (3)異質(zhì)形核顆粒應(yīng)非常細(xì)小，并在鋁熔體中呈高度彌散分布； (4)加入的細(xì)化劑不能帶入任何影響鋁合金性能的有害元素或雜質(zhì)。,鋁硅合金細(xì)化變質(zhì)處理,晶粒細(xì)化劑的加入一般采用中間合金的方式。

7、常用晶粒細(xì)化劑有以下幾種類型：二元Al-Ti合金、三元Al-Ti-B合金、Al-Ti-C合金以及含稀土的中間合金。 生成TiAl3、TiB2、TiC、B4C等金屬間化合物。這些化合物相在鋁熔體中以高度彌散分布的細(xì)小異質(zhì)固相顆粒存在，可以作為-A1形核的核心，從而增加反應(yīng)界面和晶核數(shù)量，減小晶體生長的線速度，起到晶粒細(xì)化的作用。,鋁硅合金細(xì)化變質(zhì)處理,晶粒細(xì)化劑的加入量與合金種類、化學(xué)成分、加入方法、熔煉溫度以及澆鑄時間等有關(guān)。,鋁硅合金細(xì)化變質(zhì)處理,3鋁硅合金的變質(zhì)處理 鋁硅合金中，Si相在自然生長條件下會長成塊狀或片狀的脆性相，嚴(yán)重地割裂基體，降低合金的強(qiáng)度和塑性，因而需要將它改變成有利的形

8、態(tài)。 變質(zhì)處理使共晶硅由粗大的片狀變成細(xì)小纖維狀或?qū)悠瑺?，從而改善合金性能?變質(zhì)處理一般在精煉之后進(jìn)行，變質(zhì)劑的熔點(diǎn)應(yīng)介于變質(zhì)溫度和澆鑄溫度之間。變質(zhì)處理時處于液態(tài)，有利于變質(zhì)反應(yīng)的完成；而在澆鑄時已變?yōu)轲こ淼娜墼?，便于扒渣，不致形成熔劑夾雜。,鋁硅合金細(xì)化變質(zhì)處理,鋁硅合金細(xì)化變質(zhì)處理,堿金屬中的K、Na，堿土金屬中的Ca、Sr，稀土元素La、Ce和混合稀土，氮族元素Sb、Bi，氧族元素S、Te等均具有變質(zhì)作用。其中Na、Sr的效果最佳，可獲得完全均勻的纖維狀共晶硅。,鋁硅合金細(xì)化變質(zhì)處理,鋁硅合金常見變質(zhì)劑,鋁硅合金細(xì)化變質(zhì)處理,三、實(shí)驗設(shè)備及材料 井式坩堝電阻爐，石墨坩堝，鐘罩，模具，

9、Al-7Si合金，A1-5Ti-1B中間合金，A1-10Sr中間合金，C2Cl6，鋁箔，金相試樣預(yù)磨機(jī)和拋光機(jī)，HF，王水，砂紙等。,鋁硅合金細(xì)化變質(zhì)處理,四、實(shí)驗步驟與方法 1在經(jīng)預(yù)熱發(fā)紅的兩個石墨坩堝中分別加入1000g的Al-7Si合金原料，升溫至720，熔化后保溫1h以促進(jìn)成分的均勻化。在熔融A1-7Si合金中加入0.6的C2Cl6進(jìn)行精煉除氣。 2對精煉除氣處理后的A1-7Si合金取樣澆鑄一組試樣。 3向一個石墨坩堝中加入0.03%的Ti(以Al-5Ti-1B中間合金形式加入)進(jìn)行晶粒細(xì)化處理。處理方法是，將按比例稱量好的中間合金用純鋁箔包好后用鐘罩壓入熔體中。,4向另外一個石墨坩堝中加入0.03的Sr(以Al-10Sr中間合金形式加入)進(jìn)行變質(zhì)處理。處理方法是，將按比例稱量好的A1-10Sr中間合金用鐘罩壓入熔體中。 5每隔30min澆鑄一組試樣。經(jīng)細(xì)化處理和變質(zhì)處理的試樣分別至少澆鑄4組。 6