過共晶Al-20%Si合金Si相形態(tài)的演變及性能研究.pdf

1、隨著汽車發(fā)動(dòng)機(jī)向著高速、大功率和低排放等方向的發(fā)展，對(duì)材料耐磨性能、機(jī)械性能以及尺寸穩(wěn)定性的要求越來越高。過共晶Al-Si合金由于具有優(yōu)良的鑄造性能、低的密度、低的熱膨脹系數(shù)、優(yōu)良的導(dǎo)熱性能、高的強(qiáng)度、較好的耐磨和耐腐蝕性能被廣泛地應(yīng)用在航空航天和汽車領(lǐng)域。在汽車領(lǐng)域，過共晶Al-Si合金作為傳統(tǒng)鑄鐵的理想替代材料用以制作汽車發(fā)動(dòng)機(jī)用活塞和缸套等耐磨零部件，不僅可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率，而且可以減輕汽車重量、提高燃油利用率和減少尾氣排放

2、。然而，過共晶Al-Si合金鑄造組織中，初生Si為粗大不規(guī)則的塊狀、五瓣星狀和板片狀，共晶Si為粗大的針片狀，它們?cè)诨w上的分布嚴(yán)重割裂了基體的連續(xù)性，并且尖端導(dǎo)致局部的應(yīng)力集中，明顯降低了合金的力學(xué)性能和耐磨性能，限制了過共晶Al-Si合金的工業(yè)化應(yīng)用。為進(jìn)一步開發(fā)過共晶Al-Si合金的性能潛力，擴(kuò)大工業(yè)化的應(yīng)用范圍，開展過共晶Al-Si合金中初生Si和共晶Si形態(tài)演變的研究具有現(xiàn)實(shí)意義。
　　目前，國內(nèi)外常用的過共晶Al-Si

3、活塞合金的含Si量為17％-22％。該范圍的合金相比較高Si含量的Al-Si合金具有窄的結(jié)晶溫度間隔，具有優(yōu)良的流動(dòng)性，從而使合金具有良好的鑄造性能。因此，本論文選用Al-20％Si合金為研究對(duì)象，研究了能夠同時(shí)細(xì)化和變質(zhì)初生Si和共晶Si的單一變質(zhì)劑或細(xì)化處理技術(shù)，包括稀土變質(zhì)劑、添加合金元素、原位自生γ-Al2O3顆粒、熔體的熱速處理技術(shù)和熱擴(kuò)散處理技術(shù)，為過共晶Al-Si合金廣泛地工業(yè)化應(yīng)用提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。
　　過共

4、晶Al-20％Si合金中加入單一的稀土元素Ce和Er后，發(fā)現(xiàn)稀土Ce和Er不僅能夠細(xì)化初生Si，而且能夠變質(zhì)共晶Si組織。隨著稀土Ce含量從0.3％增加到1.0％，初生Si的形態(tài)從粗大不規(guī)則塊狀、板片狀和五瓣星狀轉(zhuǎn)變成邊緣和端部鈍化的塊狀，且較均勻地分布在合金基體上，其平均尺寸從192μm減小到大約為33μm;共晶Si由原始鑄態(tài)時(shí)的粗大針片狀細(xì)化為細(xì)小的纖維狀組織和粒狀組織;當(dāng)加入0.5％Er時(shí)，初生Si細(xì)化為端部和邊緣鈍化的細(xì)小塊狀，

5、平均尺寸減小到41μm，共晶Si變質(zhì)為細(xì)小的珊瑚狀纖維組織。但是，當(dāng)添加量為0.8％時(shí)出現(xiàn)了初生Si和共晶Si的粗化現(xiàn)象;α-Al的二次枝晶間距發(fā)生了先減小后增大的現(xiàn)象。
　　已有的研究都集中在合金元素的添加對(duì)Al-Si合金中析出相以及對(duì)合金性能的影響，而沒有研究合金化處理對(duì)過共晶Al-Si合金中Si相形貌和尺寸的影響。本論文通過向過共晶Al-20％Si合金中加入Mg、 Ni和Mn元素進(jìn)行合金化處理，發(fā)現(xiàn)加入2.0％Mg使初生Si

6、細(xì)化成平均尺寸大約為29μm的細(xì)小規(guī)則塊狀，共晶Si細(xì)化為具有多分支的細(xì)小纖維組織;添加1.5％Ni可以使初生Si細(xì)化成細(xì)小的規(guī)則塊狀組織，分布趨于更加的均勻，平均尺寸減小到42μm，共晶Si細(xì)化為細(xì)小多分枝的纖維組織;加入0.1％Mn時(shí)，初生Si的形貌和尺寸發(fā)生了突變，其形貌由尺寸較大的塊狀和板片狀轉(zhuǎn)變成了細(xì)小塊狀和少部分長度小于50μm，寬度小于10μm的片狀初生Si，其平均尺寸減小到39.7μm，共晶Si細(xì)化為細(xì)小的粒狀和纖維狀組

7、織。
　　將去結(jié)晶水的NH4Al(SO4)2無機(jī)鹽加入到Al-20％Si合金熔體中，通過攪拌和保溫后能夠原位反應(yīng)生成微米尺度的γ-Al2O3顆粒。原位自生的γ-Al2O3顆粒通過非均質(zhì)形核和抑制生長有效地細(xì)化Al-20％Si合金中的初生Si和共晶Si組織。原位自生γ-Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.8％時(shí)，初生Si被細(xì)化成邊緣鈍化的細(xì)小塊狀組織，其平均尺寸減小為40μm。然而，進(jìn)一步使生原位自生的γ-Al2O3顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)到1.0％時(shí)，

8、出現(xiàn)了粗化現(xiàn)象，其平均尺寸為41μm。隨著原位生成γ-Al2O3顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，共晶Si的片層間距減小，長度變短，尖端和邊緣鈍化，由原來的粗大針片狀向細(xì)小的棒狀和粒狀轉(zhuǎn)變，而非細(xì)小纖維狀組織。
　　熔體熱速處理技術(shù)既能細(xì)化初生Si相，也能細(xì)化共晶Si組織。當(dāng)熔體經(jīng)過1050℃的過熱處理后，初生Si的平均尺寸減小到38μm，共晶Si以細(xì)小的粒狀均勻分布在金屬基體上。
　　合理的熱擴(kuò)散處理工藝條件下能夠獲得端部和邊緣鈍化的初

9、生Si和細(xì)小的纖維狀共晶Si。610℃經(jīng)過15min的熱擴(kuò)散處理能夠獲得邊緣鈍化的小塊狀和細(xì)小的近球狀初生Si，平均尺寸大約為11μm;共晶Si以細(xì)小的顆粒狀和纖維狀從液相中重新析出并包圍了球狀的α-Al組織。580℃經(jīng)過40min的熱擴(kuò)散處理獲得了平均尺寸為35μm的近球狀初生Si;共晶Si以細(xì)小的纖維狀從熔化的液相中重新析出。550℃經(jīng)過90min的熱擴(kuò)散處理后，初生Si未發(fā)生明顯的鈍化和球化，形態(tài)以相互交叉的類樹枝狀存在;共晶Si