Sr＋B＋RE联合细化变质对Al-30Si合金热处理性能的影响

材料导报B研究篇2015年3月下第29卷第3期SRBRE联合细化变质对A130SI合金热处理性能的影响王中江西建设职业技术学院管理工程系，南昌330200摘要通过正交试验、金相实验和硬度实验研究了SRBRE联合细化变质后的AT30SI合金的固溶温度、保温时间对合金显微组织及硬度的影响，得出了SRBRE联合细化变质后的A130SI合金的最佳热处理工艺参数。结果表明，固溶温度与保温时间对合金显微组织与硬度均有影响。当保温时间一定时，随着固溶温度的升高，初晶硅溶入基体越来越充分，被基体分割的效果越来越明显，共晶组织变得粗大，圆整度变高，合金硬度提高。当固溶温度一定时，随着保温时间的延长，初晶硅溶入基体越来越充分，被基体分割的效果越来越明显，共晶组织变得粗大，圆整度变高，合金硬度提高，当温度达到540时，保温时间的延长使共晶组织圆整度变差，合金的硬度反而下降，固溶温度为540、保温时间为7H时硬度最高。SRBRE联合细化变质后的A130SI合金的最佳热处理工艺参数为5407H。关键词热处理工艺SRBRE细化变质A130SI组织力学性能中图分类号TGLLL文献标识码ADOI10I1896JISSN1005023X201506025EFFECTOFREFINEMENTANDMODIFICATIONOFSRBREONHEATTREATMENTOFAI30SIALLOYWANGZHONGMANAGEMENTENGINEERINGDEPARTMENTOFJIANGXICOLLEGEOFCONSTRUCTION，NANCHANG330200ABSTRACTTHEEFFECTOFA130SIALLOYSSOLUTIONTEMPERATUREANDHOLDINGTIMEONALLOYMICROSCOPICSTRUCTUREANDHARDNESSAFTERTHEJOINTREFININGANDMODIFICATIONOFSR，BANDREWASSTUDIEDBYORTHOGONALTEST，METALLOGRAPHICEXPERIMENTANDHARDNESSTEST，WHICHOBTAINEDTHEBESTHEATTREATMENTPROCESSPARAMETERSOFA130SIITTURNEDOUTTHATBOTHSOLUTIONTEMPERATUREANDHOLDINGTIMEHADANEFFECTONALLOYMICROSCOPICSTRUCTUREANDHARDNESSWHENHOLDINGTIMEWASCERTAIN，PRIMARYSILICONDISSOLVEDINTOMATRIXMOREFULLYWITHTHERISINGOFSOLUTIONTEMPERATURE，ANDTHESEGMENTATIONEFFECTBYMATRIXWASMOREANDMOREOBVIOUSEUTECTICSTRUCTUREBECAMEBULKYANDROUND，WHILETHEHARDNESSOFTHEALLOYTURNEDTOBEHIGHERWHENSOLUTIONTEMPERATUREWASCERTAIN。PRIMARYSILICONDISSOLVEDINTOMATRIXMOREFULLYWITHTHEPROLONGATIONOFHOLDINGTIME，ANDTHESEGMENTATIONEFFECTBYMATRIXWASMOREANDMOREOHVIOUSEUTECTICSTRUCTUREBECAMEBULKYANDROUND，WHILETHEHARDNESSOFTHEALLOYTURNEDTOBEHIGHERWHENTHESOLIDTEMPERATUREREACHEDTO540。THEROUNDNESSOFTHEEUTECTICSTRUCTUREBECAMEWORSEWITHTHEPROLONGATIONOFHOLDINGTIME，ANDTHEHARDNESSOFTHEALLOYWASDOWRL540OFSOLIDTEMPERATUREWITH7HOURSOFHOLDINGTIMECAUSEDTHEHIGHESTHARDNESSTHEBESTHEATTREATMENTPROCESSPARAMETERSOFAI30SIAFTERTHEJOINTREFININGANDMODIFICATIONOFSR。BANDRESHOULDBE540。COFSOLIDTEMPERATREWITH7HOURSOFHOLDINGTIMEKEYWORDSHEATTREATMENTPROCESS，SRBRE，REFININGANDMODIFICATION，A130SI，STRUCTURE，MECHANICALPROPERTY0引言过共晶铝硅合金具有密度小，热膨胀系数低，尺寸稳定性高，耐磨、耐蚀性能强，高温性能好，铸造成本低等一系列优点，是制造发动机活塞、生产精密耐磨件的理想材料_17。但随着硅含量的增加，合金组织中出现了大量块状初晶硅，合金铸态组织中存在不规则的、粗大的块状初晶硅和针片状共晶硅，使合金成为难以加工的硬脆合金材料，因而在工业上未能得到广泛的应用，严重恶化合金的力学性能，使合金丧失使用价值引。因此，此类合金在使用之前必须进行变质处理。单独的变质处理只能在一定程度上提高其力学性能，经热处理后过共晶铝硅合金的综合力学性能将大大提高。国内外对含硅量小于18质量分数，下同的铝硅合金的硅相变质研究得较多，并取得了一定的进展R】引，AL一7SIL_5CUMGTIMN合金的最佳热处理工艺为52015湖北省教育厅重点资助课题2008B23王中男，1983年生，讲师，从事金属材料各向异性研究EMAIL15197195170163COMSRBRE联合细化变质对A130SI合金热处理性能的影响王中115H十1607H1。生产实践表明采用该热处理工艺，可获得抗拉强度OB400MPA、伸长率5的较理想的综合力学性能_2。AL一15SH2MG06CU一03MN铝合金在5OO555之间进行固溶处理时，随着固溶温度升高，基体中残留的第二相数量逐渐减少，而再结晶晶粒尺寸形态变化不大，合金板材的强度和延伸率单调增大2。但是，硅含量大于2O的铝合金的研究主要集中在快速凝固、半固态铸造方面，而这两种成形方法工艺复杂，成本高，难以推广，致使这类合金目前应用较少24,25。本课题以A130SI合金为研究对象，经SRBRE变质后，再研究经过热处理的组织及力学性能，探索合金的最佳热处理工艺。本实验将研究变质处理过的铝硅合金，在固溶处理温度与固溶处理时间两个变量条件下，找出最合适的热处理工艺。主要采用正交试实验方法来设计热处理实验方案；采用金相显微分析系统观察合金的显微组织；采用洛氏硬度计测试热处理SRBRE细化变质A130SI的硬度；在此基础上对合金的热处理工艺制度进行优化；分析热处理对SRBRE复合细化变质A13OSI中的各种晶相的形貌及其力学性能的影响；找出热处理工艺与SR、B、RE、SRBRE复合变质AL一30SI力学性能及显微组织的变化规律并分析其原因。1实验11实验材料的制备实验材料采用质量分数，下同A130SI0036B0044SR一01RE合金，将工业纯铝999和结晶硅置于石墨坩埚电阻炉加热到800。C，待合金熔化后加入0036B、0044SR、080,4RE变质剂B、SR、RE分别以AL一4B、A110SR、A110RE的中间合金形式加入，保温2OMIN后用1OG的六氯乙烷进行除气精炼，除渣后静置约5MIN浇注，获得一批铸态试样，再进行固溶处理。12正交试验本文依据32选优方案，选取了表1所示的2因素3水平进行正交试验，进而分析对硬度影响最大的固溶处理因素。表1影响合金硬度的因素水平表TABLE1FACTORLEVELTABLEOFINFLUENCINGTHEHARDNESSOFALLOYINFLUENCINGFACTORSSOLUTIONTEMPERATURECINCUBATIONTIMEH13固溶处理实验131固溶处理因素合金的热处理工艺为固溶处理后自然时效处理，即仅考虑固溶处理因素对组织及性能的影响。工艺参数涉及到固溶温度、保温时间、淬火介质、冷却速度、时效处理温度、时效保温时间。1固溶温度最佳的固溶温度是能保证最大数量的强化相溶入基体，但又不引起过烧及晶粒长大的温度。普通铝合金的过烧温度约为550，在实验中将实验温度因素设定为520、530、540。2保温时间保温时间要保证能溶入固溶体的强化相充分溶入，以得到最大的过饱和度。但是保温时间过长会引起合金的晶粒长大，从而影响合金的性能。保温时间主要根据铸件厚度来决定，但是对于相同厚度的铸件，美国标准中的固溶保温时间远低于国内现行制度L】。因此，本实验中将保温时间作为重要因素考虑，将实验保温时间因素设定为6H、7H、8H。3淬火介质及冷却速度由于铸件含硅量较高而偏析严重，为了防止淬火变形和开裂，一般在6O100。C的水中冷却。国内外对铝硅合金的固溶处理，都是用水作为介质。固溶处理冷却速度低，此过程中就会产生固溶体的分解，使过饱和度降低，影响时效效果；冷却速度太高，又会产生过大变形和内应力。但是根据相关文献可知，铸造铝硅合金对冷却速度的敏感性较小。将淬火水温从2O升高到6O，合金的力学性能保持不变，将淬火水温升高到100OC，合金的抗拉强度和屈服强度仅下降不到5。因此为了降低淬火应力和淬火应变，采用沸水淬火。4时效温度与时效时间时效强化效果随时效温度的升高而逐渐增强，但超过一定温度后，强化效果开始下降，时效时间对时效强化效果的影响与时效温度有关。在低温下时效，达到强化的时间较长，且强化作用弱；在较高温度下时效，达到时效峰值的时间缩短，且强化作用增强。本实验的重点不在时效处理，故9个样品均采用自然时效，且时效时间相同。132实验步骤1将铸态试样加工成Q,2OMM40MM标准形圆柱，检查实验仪器箱式电阻炉；2将箱式电阻炉温度调节到指定温度；3待到温度升到目标温度时，用火钳将试样置入箱式电阻炉内；4保温到指定时间后，用火钳取出试样，夹稳浸入沸水中，待到试样剧烈反应效果完全结束，取出并放人指定试样袋中。14金相实验1取出固溶处理后试样，将其某一横截面依次用180、360、500、800、1000砂纸打磨，使得端面平整，光滑，无明显划痕；2将打磨好的试样在抛光机上先粗抛2ORAIN粗抛氧化铝水溶液的抛光，再精抛40MIN左右精抛清水的抛光，最后使得横截面光亮，在显微镜下观察无划痕；3准备1HF溶液20ML、无水乙醇50ML、清水100ML，将端面浸入HF水溶液中腐蚀，再立刻用清水清洗端面，再用脱脂棉蘸上无水乙醇擦拭干净；4将腐蚀好的试样置于物镜4O、目镜1O的WV_CP47O1CH金相显微镜图像分析系统上进行观测及分析，并将试样的金相组织拍摄出来；5对金相组织图片进行合理的整理和分类。120材料导报B研究篇2015年3月下第29卷第3期时，随着保温时间的延长，初晶硅溶人基体越来越充分，被基体分割的效果越来越明显，共晶组织变得粗大，圆整度变高，合金硬度提高，当温度达到540时，保温时间的延长使得共晶组织圆整度变差，合金的硬度反而下降，此时保温时间为7H时硬度最高。3固溶处理两种因素对硬度影响程度的主次顺序为固溶温度保温时间。4最佳热处理工艺参数为5407H。参考文献I潘复生，张丁非铝合金及应用M北京化学工业出版社，2006172MEYERSCWSOLUTIONHEATTREATMENTEFFECTSINA357ALLOYSEJAFSTRANS，1985，1157413CROWELLN，SHLVKUMARSSOLUTIONHEATTREATMENTEFFECTSINCASTA1一SICUALLOYS口AFSTRANS，1995，1037214SINAICHAOONGRANULATIONOFEUTECTICSILICONINALUMINIUMPISTONSJAUTOMOBILETECHNOLOGY，1991，21938INCHINESE司乃潮铝活塞中共晶硅的粒化口汽车技术，1991，219385LIUBINGYI。IMPROVEMENTSOFTHEMICROSTRUCTURESANDPROPERTIESOFA1一SICASTALLOYSEJJNANJINGINSTITUTEOFTEEHNOLOGYNATSCIED，2004，211INCHINESE柳秉毅改善铝硅铸造合金组织与性能研究的若干进展J南京工程学院学报自然科学版，2004，2116JIANHAIGEN，JIANGFENG，GUANDIKAI，ETA1EFFECTOFSOLUTIONTREATMENTONMICROSTRUCTUREANDPROPERTIESOF71304ALUMINUMALLOYEJTRANSACTIONSOFMATERIALSANDHEATTREATMEN，2007，17327INCHINESE蹇海根，姜锋，官迪凯，等固溶处理对7B04铝合金组织和性能的影NEJ材料热处理学报，2007，173277LIUQIYANG，LIQINGCHUN，ZHUPEIYUEKINETICSOFGRANULATIONOFTHEMINORPHASEINEUTECTICALLOYSEJMETALSCITECHN，1987，539INCHINESE刘启阳，李庆春，朱培钺共晶合金中第二相粒状化学动力学J金属科学与工艺，1987，5398LIUBINGYIRESEARCHANDPRACTICEOFA1SIALLOYANDSTRONTIUMDETERIORATIONJJNANGINSTITUTEOFMECHANICALTECHNOLOGY，2000，17247INCHINESE柳秉毅铝硅合金加锶变质的研究与实践J南京机械高等专科学校学报，2000，172479QIANHANCHENG，WUQIFENG，ETA1GREENIZATIONPLANNINGONTHEHYPOEUTECTICCASTAL_SIALLOYSJ_SPECIALCASTINGNONFERROUSALLOYS，2002，2261INCHINESE钱翰城，吴奇峰，等铸造亚共晶铝硅合金绿色化规划探讨J特种铸造及有色合金，2002，226110LINJIAPING，XUJIANQIU，XIAOYUDE，ETA1INFLUENCEOFMODIFICATIONONMICROSTRUCTUREANDMECHANICALPROPERTIESOFHYPEREUTECTICA1一SIALLOYJMATERMECHANENG，2011，50331INCHINESE林家平，徐建秋，肖于德，等变质处理对过共晶铝硅合金组织和性能的影响J机械工程材料，2011，5033111SUNYU，ETA1EVOLUTIONOFSIPHASEINA1一SIALLOYANDITSEFFECTONMECHANICALPROPERTIESJSPECIALCASTINGNONFERROUSALLOYS，2001，2161INCHINESE孙瑜，等铝硅合金硅相演变及其对力学性能的影响J特种铸造及有色合金，2001，216112LIAOHENGCHENG，SUNGUOXIONG，DINGYIEFFECTOFSTRONTIUMONGROWTHOFDDENDRITEINNEAREUTECTICAISIALLOYSJACTAMETALLRUGICASINICA，2002，383245INCHINESE廖恒成，孙国雄，丁毅SR对近共晶A1SI合金中D枝晶生长行为的影响J金属学报，2002，38324513ZHANGLIANGMING，LIAOHENGCHENG，SUNGUOXIONGROLEOFDENDRITEAINIMPROVINGMECHANICALPROPERTIESOFA1SICASTINGALLOYSJSPECIALCASTING8LNONFERROUSALLOYS，2002。22245INCHINESE张良明，廖恒成，孙国雄枝晶A在ALSJ铸造合金中的作用J特种铸造及有色合金，2002，2224514LIAOHENGCHEN，FANGXINXIAN，SUNGUOXIONGMELTTREATMENTFORA1SICASTINGALLOYSGRAINREFININGJSPECIALCASTINGNONFERROUSALLOYS，1999，19349INCHINESE廖恒成，方信贤，孙国雄铸造AISI合金熔体处理一晶粒细化J特种铸造及有色合金，1999，1934915SUNYU，LIAOHENGCHENG，ETA1INFLUENCEOFZRONTHEMICROSTRUCTUREOFNEAREUTECTICA1SICASTINGALLOYSMODIFIEDWITHSREJJSOUTHEASTUNIVWRSITYNATURALSCIENCEEDITION，2000，30647INCHINESE孙瑜，廖恒成，等ZR对SR变质近共晶A1一SI铸造合金组织的影响J东南大学学报自然科学版，2000，3064716YANGMINGBO，DAIBINS，QIANHANCHENGRESEARCHONTHEOPTIMIZEDHEATTREATMENTPROCESSOFTHEHIGHSTRENGTHANDTOUGHNESSCASTA1一SIALLOYA17SI15CUMGTIMNJFOUNDRY，2002，40874INCHINESE杨明波，代兵，钱翰城高强韧铸造铝硅合金AL一7SI一150ACUMGTIMN最佳热处理工艺的研究J铸造，2002，4087417TIANNI，ZHAOGANG，LIUCHUNMING，ETA1EFFECTSOFSOLUTIONTREATMENTONTHEMICROSTRUCTURESANDMECHANICALPROPERTIESOFAI15SI12MG06CU03MNALUMINUMALLOYSHEETSJJMATERMETALL，2007，25115INCHINESE田妮，赵刚，刘春明，等固溶处理对AT一15SI一12MG06CUO3MN铝合金组织性能的影响J材料与冶金学报，2007，2511518CHENCHONG，LIUZHONGXIA，YANGMINGSHENG，ETA1EFFECTSOFPREMODIFICATIONONMIEROSTRUCTUREANDMECHANICALPROPERTIESOFHYPEREUTECTICA120SIALLOYJSPECIALCASTINGNONFERROUSALLOYS，2007，273218INCHINESE陈冲，刘忠侠，杨明生，等PRE对过共晶A1SI合金组织和性能的影响J特种铸造及有色合金，2007，273218下转第134页134材料导报B研究篇2015年3月下第29卷第3期7SANNISHKHADIRANAIKARRBPERFORMANCEOFGEOPOLYMERCONCRETEUNDERSEVEREENVIRONMENTALCONDITIONSEJINTJCIVILSTRUCTENG，2012，323968WALLAHSE，HARDJITOD，SUMAJOUWDMJ，ETA1PERFOR_MANCEOFFLYASHBASEDGEOPOLYMERCONCRETEUNDERSULFATEANDADDEXPOSURECGEOPOLYMER，GREENCHEMISTRYANDSUSTAINABLEDEVELOPMENTSOLUTIONSPROCEEDINGSOFTHEW0RLDCONGRESSGEOPOLYMER2005GEOPOLYMERINSTITUTE，20051539中国建筑科学研究院GBT50O8220O9普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准S北京中国建筑工业出版社，200910KUMARAVELS。GIRIJAKACIDANDSALTRESISTANCEOFGEOPOLYMERCONCRETEWITHVARYINGCONCENTRAATIONOFNAOHJJENGRESSTUDIES，2013，44111JINYANNAN，ZHOUSHUANGXITHETYPESANDACTIONMECHANISMOFCONCRETESULFATEATTACKJJEASTCHINAJIAOTONGUNIVERSITY，2006，2354INCHINESE金雁南，周双喜混凝土硫酸盐侵蚀的类型及作用机理J华东交通大学学报，2006，235412CAOZHENGLIANG，YUANXIONGZHOU，XINGFENG，ETA1EVALUATIONOFTHECONCRETESULFATEATTACKTESTMETHODOFAHTERICAJJSHENZHENUNIVERSITYSCIENG，2006，233201INCHINESE曹征良，袁雄洲，刑锋，等美国混凝土硫酸盐侵蚀试验方法评析J深圳大学学报理工版，2006，23320113XIYAOZHONGTHENEWPROGRESSOFCEMENTCHEMISTRYINRECENTYEARSTHENINTHINTERNATIONALCONFERENCEONCEMENTCHEMISTRYUJCHINESECERAMSOC，1993，216577INCHINESE席耀忠近年来水泥化学新进展记第九届国际水泥化学会议LJ硅酸盐学报，1993，21657714SANTHANAMM，COHENMD，01EKJSULFATEATTACKRESEARCHWHITHERNOW7LJCEMCONCRRES，2001，31684515QIAOHX，ZHOUMR，HEZM，ETA1THESTUDYONRELATIVEDYNAMICMODULUSOFELASTICITYANDMICROSTRUCTUREOFCONCRETEJFLYASHCOMPREHENSIVEUTILIZATION，200956INCHI一NESE乔宏霞，周茗如，何忠茂，等混凝土相对动弹性模量及微观机理研究IJ粉煤灰综合利用，20095616QIAOHONGXIA，HEZHONGMAO，LIUCUILANDYNAMICELASTICMODULUSANDMICROSTRUCTURESTUDYOFCONCRETEINSULFATEENVIRONMENT口JHARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY，2008，4081302INCHINESE乔宏霞，何忠茂，刘翠兰硫酸盐环境混凝土动弹性模量及微观研究J哈尔滨工业大学学报，2008，408130217BAKHAREVTDURABILITYOFGEOPOLYMERMATERIALSINS