（有色金属冶金专业论文）铝硅合金快速凝固雾化工艺及粉体特性的研究.pdf

海人学坝j ：学位论义 摘要 随着汽车、摩托车工业、航空航天业的高速发展，对发动机中的关键部件一 活塞的要求越来越高。目前具有优异的耐磨性、低的热膨胀系数以及优良的铸造 性能和焊接性能的过共晶铝硅合金普遍用来作为活塞材料。传统铸造工艺的过共 晶铝硅合金其铸态组织主要由大块初晶硅和共晶体组成。在过共晶铝硅合会中初 晶硅相的大小很大程度上决定了过共晶铝硅合金的力学性能。所以，细化初晶硅 相是改善过共晶铝硅合金性能的有效方法。传统的铸造工艺是通过变质处理来细 化初晶硅相，但是这种处理工艺因无法使硅相质点细化到微米级，而应用受到限 制。所以，必须探索一种新的快速凝固工艺，赋予过共晶针：硅合金更细的组织， 以获得更优异的性能。 本论文采用了快速凝固方法中的气体雾化法，以空气为雾化介质，自行设计 制造了一台雾化实验装置，采用正交试验，系统地丌展雾化制粉工艺及其对雾化 粉体的特性影响规律的研究。并考察了粉体颗粒形状、分却和显微组织，讨论了 雾化粉体的形成机制，取得了如下结果： 1 喷嘴间隙6 是影响雾化效果的显著因子。随着6 的减小，粉体平均粒度明显 细化。并且，粉体的9 0 5 pm 的粉末总含量逐渐变多。但过窄的削隙由于 使气流阻力加大，严重影响了喷雾气体的流量，而使液体会属碎化动量减小， 从而，使液滴的粘附严重，不利于金属液的碎化。 2 气体流量q 是影响雾化效果的第二显著因子。气体流量的增大有利于雾化效 果，粉体平均粒度减小，而细粉总含量增多；另外，粉体粒度随着金属液过 热度的增加( 从2 0 - 2 2 0 ) ，先是减小而后增大。在1 7 0 。c 时达到最小值， 细粉产出率也是最大；粉体粒度在喷嘴角度小于4 5 。范幽内，随角度增大而 减小。当其达到4 5 。时，发生倒喷现象。 3 雾化试验的最佳工艺参数为：最佳的喷嘴间隙为0 5 5 m m 、较佳的气体流量取 本实验所能达到的最大值( 3 4m 3 h ) 、最佳的喷嘴角度为3 0 。、雾化合会的过 热度以1 7 0 为宜。 4 相同条件下，合金，随其含硅量的增大，粘度下降，雾化粉体的质量改善。 实验中，a 3 9 0 粉末的平均粒度最小。共晶合金次之，纯铝的平均粒度最大。 j 海人学埘 i 学位论立 而当s i 含量大于1 8 时，流动性下降，雾化效果变差，a 1 3 0 s i 合金的 平均粒度明显大于a 3 9 0 合金。 5 雾化粉体的最细颗粒的微观组织中发现，极高的冷却速率使共品合金及过共 晶铝硅合金中出现了树枝状初生q ( a 1 ) 组织；在a 】- - 3 0 s t 粉体最细颗粒 的组织中出现了没有初生硅相的非平衡( a + s i ) 共晶组织。高冷却速率使 台金在极度偏离平衡的条件下凝固，组织发生了对平衡极度偏离的变化。 6 粉体的微观组织中初生s i 相的尺寸与粉末微粒的粒度早近似线性反比关系。 这与微粒的冷却速度随微粒的尺寸减小而增大有关。雾化工艺c 卜i 一些参数如 气体流量、过热度等因素，通过其对雾化液滴的碲化及冷却的影响而产生了 对组织中的硅相尺寸的影响。 7 微粒的冷却速度与微粒的半径成线性反比关系：v ：0 3 6 6 ( k s ) 。 ， 8 铝硅合金液雾化形成的粉体形态呈五花八门的长棒j 佚和1 不规则形状，少数颗 粒呈球形或类球形特征。雾化过程中动态的能量交换引，建的合金液滴液态保 持时间和其凝固时间的相对长短的复杂而不规则的变化足雾化粉体形态呈五 花八门的原因。 关键词：快速凝固，气体雾化，过共晶铝硅合会，冷却速度 ! ：塑叁兰些! 兰垡堡塞 a b s t i 认c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r i e ss u c ha s m o b i l ea n da s t r o n a u t i c s ，t h e r e q u i r e m e n t so ft h ep i s t o nw h i c hp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ee n g i n eb e c o m e s t r i c t e r f o ri t sg o o db e h a v i o ri n c l u d i n gs u p e r i o rw e a r i n gr e s i s t a n c e ，l o wt h e r m a l e x p a n s i o nc o e f f i c i e n ta n ds oo n ，t h eh y p e r e u t e c t i ca 1 - - s ia l l o yp r e s e n t l yi st h em o s t w i d e ) u s e da st h ep i s t o nm a t e r i a l t h em i c r o s t r u c t u r eo fh y p e r e u t e c t i ca i - - s i c a s t i n ga l l o y si nt r a d i t i o n a lt e c h n o l o g yc o n s i s t so fm o r ec o a l s ep r i m a r ys ip h a s e s a n de u t e c t i cs i s i n c et h ep r i m a r ys i p h a s e so fs u c hc o a r s es i z e e f f e c to nt h e p r o p e r t i e so ft h eh y p e r e u t e c t i ca 1 - - s ia l l o y sb a d l y , i ti sv a r yi m p o r t a n tt ot h e p r i m a r ys ip h a s e sf o rt h eh y p e r e u t e c t i ca i - - s ia l l o y s t i r em o d i f i c a t i o ni st h e g e n e r a lw a yw h i c hc a l lr e f i n et h ep r i m a r ys ip h a s e sa n di m p r o v et h em i c r o s t r u c t u r e o ft h e a l l o y b u tt h e r e s u l to ft h em o d i f i c a t i o ni sn o tv e r yp e r f e c ts i n c et h e d i m e n s i o n so ft h ep r i m a r ys ip h a s e sa r en o tr e a c h i n gm i c r o nd e g r e e t h e r e f o r ea n e wm e t h o dw i t ht h ea t o m i z a t i o nr a p i ds o l i d i f i c a t i o ns h o u l db e e x p l o r e d i tc a n e n d o wt h eh y p e r e u t e c t i ca l s ia l l o yw i t hf i n e rm i c r o s t r u c t u l ef o rm o r ee x c e l l e n t p e r f o r m a n c e t h ep o w d e r so f t h eh y p e r e u t e c t i ca l s ia l l o yw e r eo b t a i n e db ya i ra t o m i z a t i o n i no u re x p e r i m e n t s t h ea t o m i z a t i o nd e v i c ew a sd e s i g n e db yu st h r o u g ho r t h o g o n a l t e s t st h ep r o c e s sp a r a m e t e r sw h i c hm a ye f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ep o w d e r sw e r e s y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d t h es u r f a c em o r p h o l o g ya n dt h es i z ed i s t r i b u t i o no ft h e p o w d e r sw e r er e v i e w e di nt h i sa r t i c l e t h em i c r o s t r u c t u r e so fp o w d e r sw e r ea l s o o b s e r v e d t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo ft h ep o w d e r sw a sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h e m a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h eg a po ft h ea i rs p o u t ( 6 ) i sad r a m a t i cf a c t o rt ot h ee f f e c to nt h ef e a t u r e so ft h e g a sa t o m i z a t i o n t h er e d u c i n go f 6r e s u l t si nal o w e rg j a n u l a r i t ya n do b t a i n s m o r ep o w d e r si ns i z eo fl e s st h a no re q u a lt o9 0 5ui l l b u tw h e nt h eg a pi st o o n a r r o w , t h ef l u xa n dm o m e n t u mo ft h eg a sd i m i n i s hf o rt h er e s i s t a n c et ot h eg a si s m o u n t i n gu p c o n s e q u e n t l yt h em o l t e nm e t a la d h e r e ss oe x c e s s i v e l yt h a tt h e m o l t e nm e t a li sd i f f i c u l tt ob r e a ku pa n dt of o r mf i n ep a r t i c l e s 上海太学蠛一l ：学攮论文 2 t h ef l u xo f g a s ( q ) i st h es e c o n di m p o r t a n tf a c t o rt ot h ee f f e c to f a t o m i z a t i o n t h e a u g m e n to fqi sa v a i lt or e d u c i n gi nt h ea t o m i z a t i o ng r a i ns i z ea n di n c r e a s i n go n t h ea m o u n to ff i n e rp o w d e r s i na d d i t i o nw i 搬t h ei n c r e a s i n go fs u p e r h e a t ( t ) ， t h es i z eo f p o w d e r sd i m i n i s h a t1 7 0 * ct h eg r a i ns i z ei sm i n i m u ma n dt h ea m o u n t o ff i n e rp o w d e r si sm a x i m a l 袖es i z eo fp o w d e r sd i m i n i s hw i t ht h ee n h a n c eo f t h ej e ta n g l el e s st h a n4 5 。a tt h ej e ta n g l eo f4 5 。t h em o l t e nm e t a ls p r a y si n c o n t r a r yd i r e c t i o n 3 t h eo p t i m a lp a r a m e t e r so fa t o m i z a t i o na r ea sf o l l o w s ：t h ef i g u r eo ft h eo p t i m a l g a pi so 5 5 r a m t h eb e t t e rv a l u eo fg a sf l u xi so f3 4m 3 hw h i c hi su l t i m a t ei no u r t e s t s + t ko p t i m a a n g l ei s3 0 。，t h ef e a s i b l es u p e r h e a to ft h em o l t e na l l o yi sa t 1 7 0 4 i nt h es a m ec o n d i t i o n s t h ev i s c o s i t yo f t h ea l s ia l l o y sd e s c e n d sw i t ht h ea d d i n g c o n t e n to fs i 。t h i sr e s u l t si na l li m p r o v e dq u a l i t yo fp o w d e r s i na l le x p e r i m e n t s t h ea v e r a g eg r a d i n go fa 3 9 0p o w d e r si sm i n i m a l 。t h ep a r t i c l es i z eo ft h ee u t e c t i c a l l o yi st h es e c o n da n dp u r ea l u m i n u mi st h em a x i m a l w h e nt h ec o n t e n to fs ii s a b o v e18 ，t h ee f f e c to fa t o m i z a t i o nt u r n st op o o rw i t ht h el i q u i d i t yf a l l i n g t h e f a c tt h a tt h em e a ng r a i ns i z eo fa 1 - - 3 0 s ii sh i g h e rt h a nt h a to fa 3 9 0a l l o y w h i c hi st h eb e s te x p l a i n 5 ，i tc a r lc o m ei n t ov i e wf r o mt h ef i n e s tp o w d e r st h a tt h ee x t r e m ec o o l i n gc o n d i t i o n c a u s e st oc h a n g et h em i c r o s t m c t u r e so ft h ep o w d e rp a r t i c l e t h ed e n d r i t i c n ( a i ) p h a s ea p p e a r si nb o t he u t e c t i ca n dh y p e r e u t e c t i ca l s ia l l o y s a m o n gt h ef i n e s t p o w d e r s o f a l 3 0 蹦s i t h e e u t e c t i c ( n ( a i ) + s i ) c o m e s i n t o f o r t h w i t h o u t t h e p r i m a r ys ip h a s e t h er a p i dc o o l i n gr a t e sl e a dt ot h es o l i d i f i c a t i o no f t h ea l l o yi n u t m o s td e v i a t ef r o me q u i l i b r i u m 。强em i c r o s t r u c t u r e so ft h ea l l o y sc h a n g ei ns u c h a w a y 6 。t h e r ei sa p p r o x i m a t e l ya ni n v e r s ea n dl i n e a rr e l a t i o nb e t w e e nt h ed i m e n s i o no f t h ep o w d e ra n dt h es i z eo f t h ep r i m a r ys ip h a s e si nt h ea l l o ys i n c et h ec o o l i n gr a t e r i s e sw i t hr e d u c t i o no ft h eg r a i ns i z e s o m ep a r a m e t e r s ，s u c ha sg a sf l u xa n d s u p e r h e a t ，r e f l e c to nt h eb r e a k i n ga n dc o o l i n go fm o l t e nd r o p s a c c o r d i n g l yt h e y r e a c to nt h es i z eo fs ip h a s e s 1 v ! ：塑丛兰塑l ：兰竺堡兰 一一一 7 w i t ha na s s u m p t i o nt h a tt h ep a r t i c l ei ss p h e r i c a la n dt h es a m ec o o l i n gr a t ei n i m e r i o ra n ds u r f a c eo ft h eg r a i n ，i td e d u c e sa r e l a t i o nb e t w e e nt h ec o o l i n gr a t e ( v ) a n dt h er a d i u s ( r ) a sf o i l o w s ：v ：0 3 6 6 ( k ，s ) ， 8 f r o mt h es u r f a c ea n d m e c h a n i c a ls c r e e n i n go ft h ep o w d e r s ，m o r e o v e r t h e m o r p h o l o g i e so ft h ea t o m i z a t i o np a r t i c l e si nt h el a r g e s tp a r ta r ev a r i o u s ：l i n e a ro r i r r e g u l a r af e wp a r t i c l e s a r es p h e r i c a lo rc l o s et os p h e r e t h c l e i sam a i n e x p l a n a t i o nf o rt h i sp h e n o m e n o n t h a tt h ee n e r g yc o n v e r s i o nt ? o mt h ej e tg a st ot h e f l y i n gl i q u i dd r o p so ft h ea l l o yd u r i n ga t o m i z a t i o nm a k e sf o r t h ec o m p l e xa n d i r r e g u l a rv a r i e t yb e t w e e nt h eh o l d i n ga n df r e e z i n gt i m eo f t h ef l y i n gl i q u i dd r o p s t k e y w o r d s ：r a p i ds o l i d i f i c a t i o n ，g a sa t o m i z a t i o n ；h y p e r e u t e c t i ea i s ia l l o y s ， c o o l i n gr a t e s 海人学坝l 学位论文 第一章文献综述 1 1 铝及其合金 铝及其合金是有色金属中用途最广的轻金属之一。化。、 符号为a l ，在元素 周期表中属i i i a 族，原子序数1 3 ，原子量2 6 9 8 1 5 4 ，面心芷方晶体，常见化合 价为+ 3 。它具有密度小，重量轻，比强度高，导电导热性能好，且具有较好的刑 蚀性能。铝合金的使用量在日益增加，例如，在航空、航海、高速列车等交通运 输工业中大量采用密度小、强度高的铝合金制作构件，如飞机机身、机翼的蒙皮 等。随着汽车速度的提高，设法改进其设计，减轻自重，故发动机的壳体、活塞、 工作缸与主缸等采用铝合金制造。在其他如印刷机械、电力与电器设备等行业， 铝合金都获得了极其广泛应用。由于铝制品轻便，耐腐蚀盹好，表面光洁美观 等优点，铝材还广泛应用于制造同常用品，包装和装潢等许多方面。因而在国民 经济中占有重要地位。 根据合金元素的含量和加工工艺性能特点，铝合金可分为加工变形铝合金 和铸造铝合金两类。变形铝合金是经熔炼注成铸锭后，再经热挤压加工形成各种 型材、棒材、管材和板材。因此，要求合会具备优良的冷、热加工工艺性能，组 织中不允许有过多的脆性第二相。所以变形铝合金中合金元素含量比较低，一般 不超过极限溶解度成分。与变形铝合金不同之处在于，铸造铝合会是直接用铸造 方法浇注或压铸成零件或毛坯的铝合金。其所含合会元素的数量比较高，合金元 素总的质量百分数在8 2 5 范围内。主要有简单的铝硅合余z l l 0 2 和 a 1 s i c u ( z l l 0 7 ) 、a i s i m g c u n i ( z l l 0 9 ) 等特殊铝硅合会。 1 2 铸造a 1 s i 系合金 1 2 1 铝硅合金的特性 铝硅二元合金具有简单的共晶型相图，见图1 1 。室温下只有n ( a 1 ) 和 b ( s i ) 两种相，a ( a 1 ) 的性能和纯铝相似，0 ( s i ) 的性能和纯硅相似。从图中 可看到硅在q 固溶体中溶解度随温度升高而增加，室温卜仅济o 0 5 硅，而在5 7 7 时可溶解1 6 5 硅，超过该限度时硅以8 相存在，b 相中从能溶解极少量的铝， 因此可看作纯硅相。a 1 s i 系介于含1 ：6 5 w t 的铝固溶体f h f , l 硅之削，成分为a i 海人学坝i j 学位论殳 一1 2 5 w t s i 处，在5 7 7 ( 8 5 0 k ) 时有一个共晶反应，形成“+ 口二元其晶相。 以s i 为主要合金元素的a l s i 合金是最重要的铸造合金，j 圈为这些合会的流动 性好，铸造时收缩小，充型能力较好，热裂、缩松倾向较小，热膨胀系数( c t e ) 低。过共晶合会中硬的初生硅粒子赋予合金良好的俐磨性，s 管机械加工时存在 困难。但过共晶合金仍在摩擦副零件上获得了广泛应用，岔硅达1 3 - - 2 6 s i 的 过共晶合金具有热稳定性高、耐磨性好、线膨胀系数低等优点，是制造活塞的理 想材料。 1 4 i r l l - b l + a l7 、l 5 7 7 f ， p 到(9吼器)si 图1 一l 铝硅二元合金相图口1 1 2 2 过共晶铝硅合金中硅的形态特征【3 硅晶体是金刚石立方晶体，晶胞是面心立方品格内多4 个原子( 图1 - 2 a 中影线球所示) ，图中箭头示出硅原子的位置可以从面一l = | l i t i 格上的位置，沿体对 角线平移1 4 距离而得到。故各品胞内的原子( 影线球) 也构成个面心立方 ( f c c ) 晶格。它和原来的晶格( 白球) 相比，只是沿体对角线相对平移了1 4 。 所以硅晶体的金刚石晶格可以看作是由两个f c c 晶格套在起构成的。它的 1 1 1 j 密排面是双重的，图l - - 2 b 中水平面就是双层( 1 1 1 ) 面。其中每个双层面内的 每个原子都有三个共价键与另一层相结合，所以双层面内结合很强；而在两个j i ( j ( 层面之间距离较大，每两个原子才有一个共价键，致使双层面之问结合较弱。别 海人学倾i j 学位论文 ( a ) 晶胞 f 1 1 1 双艨 双餍 双屡 ( b ) 双层密排面 图l 一2 硅晶体的金刚石晶型结构 此晶格缺陷及孪晶容易在双层面内形成和扩展。双层密排而结合牢吲，它的能量 低，故在晶体生长中有使晶体表面为 1 1 1 晶面的趋势。同时f c c 品格内共有4 个不同方向的 1 1 1 ) 面围成f 四面体，它的棱都是 方向，两个 1 1 1 面之 间的夹角为7 0 。3 2 ，三角形的 1 1 1 ) 面上与各棱垂直的中线 就是优势生 长方向，对其中一个( 1 1 1 ) 平面内的择优生长晶向有6 个( 吲1 - - 3 ) 。由于上 述特性，使得晶体生长呈各向异性。 图1 3 硅晶体的择优生长方向及多层挛酣 因在 1 1 1 晶面上悬挂键少，吸引铝液中s i 原了- 的能力小；向形成一层新晶 面需要的原予最多( 密排面) ，故沿 1 1 l 】晶向生长慢。而与它垂直的6 个 1 12 系列的晶向密排面边缘悬挂键多；形成新晶面所需的原子少，生长得较快。从而 s i 晶体的生长表现出片状生长特征。而且s i 是共晶体生：长的领先相，在生长过 程中，边缘突出在铝液中，故能够体现出自身的生长特征，最终易长成片状。而 且在硅晶体生长过程中易在f l l l 双层密排面之问因层错而形成孪品在结晶前 海人学坝i 。学位论立 沿形成1 0 9 。2 8 的凹谷( 图l - - 4 a ) ，此凹谷构成生长源，硅原子或原子团( 硅 四面体) 在此处堆砌所需能量较小，故生长更快，促使形成 状可能是单片， 也可能从复合结晶核心或按搭桥方式以辐射状向四周川 j 蓰成一簇硅片。 r z 油 s f c s i b ! i 垒 z 厶z z z j s 1 i 1 m a r 2 p ( a ) 择优生长方向( b ) 分枝 图1 4 片状共晶硅生长机制示意图( 图中符号：a 、b 、c 等代表晶体) 由于铝液中杂质原子的影响，微区内存在浓度和能嚣的起伏等原因，硅片在 生长过程中还会产生分枝和改变生长方向( 图1 - - 4 b ) 。分技仍以：1 1 1 面成7 0 。3 2 角铺展，仍择优沿 系晶向生长。这种分枝和变向的倾向受结晶过 冷度和孪晶状况的控制。 1 2 3 硅在过共晶铝硅合金活塞材料中的作用 活塞是发动机中传递能量的一个重要的构件。对活塞的要求是：密度小，质 量小，导热性好，热膨胀系数小，有足够的高温强度，i 州廓、喇蚀，尺寸稳定性 好。 过共晶铝硅合金中的硅相有很高的熔化潜热( 为1 6 5 k j g 而铝仅为 0 3 9 5 k j g ) 。“，f 是这个特征使铝硅合金在流动时能保持很好的流动性。硅的 线膨胀系数也小( 约为铝的3 i 0 ) ，铝硅合会的线收缩率也随之降低，热裂倾向 相应减少，低的膨胀系数使活塞不易“咬缸”，并可减小活，g 与气缸壁问的问隙， 减少漏气损失，从而提高发动机的效率。再加上硅晶体有很l 翮1 勺硬度，在软的铝 基体上分布着许多硅晶体硬质点，对耐磨性是很有利的。= ；i ：【l 随着硅量的增加， 合金密度减小，有助于减小发动机不平衡质量的动力作用水、r 上述由硅贡献给 过共晶铝硅合会的特性，使它成为了制备活塞的最佳材料。 蕊 街人学坝i 。学位论卫 沿形成1 0 9 。2 8 的凹谷( 图l - - 4 a ) ，此凹谷构成生长源，硅原子或原子团( 砬 四面体) 在此处堆砌所需能量较小，故生长更快，促使彤j ，” 状可能是单片， 也可能从复合结晶核心或按搭桥方式以辐射状向四周伸展成一簇硅j l 。 【i r z 凹 n f 2 日 ( a ) 择优生长方向( b ) 分枝 图1 4 片状共晶硅生长机制示意图( 图中符号：a 、b 、c 等代表晶体) 由于铝液中杂质原子的影响，微区内存在浓度和能龟的心伏等原凼，硅片在 生长过程中还会产生分枝和改变生长方向( 图1 - - 4 b ) 。分枝仍以：1 】1 而成7 0 。3 2 角铺展，仍择优沿( 1 1 j 系品向生长。这种分枝和变向的倾向受结晶过 冷度和孪晶状况的控制。 1 2 3 硅在过共晶铝硅合金活塞材料中的作用 活塞是发动机中传递能量的一个重要的构件。对活塞的婴求是：密度小，质 量小，导热性好，热膨胀系数小，有足够的高温强度，l 州腓、喇蚀，尺q 稳定p r 好。 过共晶铝硅合会中的硅相有很高的熔化潜热( 为1 6 5 k j a 而铝仅为 0 3 9 5 k j g ) 。“，f 是这个特征使铝硅合金在流动时能保持做好的流动性。硅的 线膨胀系数也小( 约为铝的3 i 0 ) ，铝硅合会的线收缩：锭也随之降低，热裂倾向 相应减少，低的膨胀系数使活塞不易“咬缸”，并可减小活，e 与气缸壁削的削隙， 减少漏气损失。从而提高发动机的效率。再加上硅晶体何很舒竹硬度，在软的钔 基体上分布着许多硅晶体硬质点，对耐磨性是很柏+ 利的。并且随着硅量的增加， 合金密度减小，有助于减小发动机不平衡质量的动力作用水、r 上述出硅贡献给 过共晶铝硅合会的特性，使它成为了制各活塞的最件剌料。 过共晶铝硅合金的特性，使它成为了制备活塞的最佳剌料。 海人学坝i ：学位论且 1 3 快速凝固过共晶铝硅合金活塞材料 1 3 1 活塞材料的发展履程 可以看到，用a l s i 系合令做发动机的活塞，经历了很氏的过程。在1 9 世 纪铸铁是活塞首选材料。到了2 0 世纪初，铝工业得到了发展。铝合金爿丌始被 使用来做活塞。最初，铝合金活塞材料主要是a l c u n i m g 系及a l c u s i 系合金。第一类由于热膨胀系数大，密度大，铸造性能著，价格贵，逐渐被淘 汰：第二类由于热膨胀系数大，体积不稳定，最后也被淘汰。后来，人们卅丌发 出含1 2 s i 以下的亚共晶a 1 一s i 系合金。它的卓越的铸造 艺性，再加上人们 找到了改善硅形态，大幅度提高合金性能的变质技术，3 0 年代以来，共晶系的 a 1 一s i 合金得到了迅猛的发展。共晶型合金首先在活塞上得到应用，并丌发出 了一系列活塞用共晶系铝硅合金材料。近2 0 年来，随着发动机的开益强化，具 有密度小、热膨胀系数低、导热性好、又有足够的高温强度和耐磨性的过共品 a l s i 合金，特别是含硅量在1 8 一2 6 的铝硅合会逐步成为了重要的活塞 材料，并已经广泛用于生产”3 。比如德国的k s 2 8 2 ，其含硅量为2 4 - - 2 6 ：法 国的a s 一2 5 u n g ，其含硅量为2 3 5 一2 7 ；还有美固用于制造汽车空调压缩机 的a 3 9 0 ，其含硅量为1 6 一1 8 ”1 。我国也研制了相应的过i e 晶铝硅合会z l l 3 1 ， 7 6 一l 等，但种类较少，并尚处于进一步丌发、研制和推厂阶段。“。 随着汽车、摩托车工业、航空航天业的高速发展，对发动机中的关键部件一 一活塞的要求越来越高。如何提高活塞的性能引起国内、外研究者的高度关注。 随着研究的深入，人们发现，铸造过共晶铝硅合金虽是制造活塞的理想材料。但 随s i 含量的升高，合金结晶温度范围增大，流动性丌始下降，缩松倾向增大， 气密性降低，铸造性能下降，同时组织中出现针状的共晶s i ，以及料大板状多角 形初晶s i ，严重割裂铝基体，并在硅相尖端和棱角部位引起应力集巾，从而明显 降低合金的力学性能，尤其是塑性，切削加工性能也变差。因此，当过共晶铝硅 合金的含s i 量增大时，需要引入新的制备工艺来解决过共l l 晶铝硅合金使用性能 与工艺性能之间的矛盾，解决如何进一步细化硅晶粒，并获得细小弥散均匀分布 的组织的问题。 1 3 2 关于过共晶铝硅合金的一些制备技术 近年来，新型活塞材料的开发发展了复合材料、精密陶瓷、铝化物等活塞新 海人学砸i 。学位论文 材料，但更多的仍是围绕高硅铝合金制各工艺丌展的研究特别是如何改变硅 相的形态，综合起来研究大体上有三个方面：细化硅品粒，。殳善硅相的形貌和分 布状况。现将几种制各技术及原理归纳如下： 1 3 2 1 熔配法。1 铝硅系合金的传统生产方法是用金属锭熔配。用纯钳、纯硅熔配成铝硅中间 合金，再加入其他中间合金配制成所需成分的使用合金。熔配法配制的过共晶钳 硅合金组织的硅相为针状共晶硅以及粗大板状多角状初品孙。这样形态的硅相严 重割裂基体，使强度、塑性显著降低，机械性能很低，不能满足活塞的使用性能 要求。所以熔铸法配制的过共晶锯硅合会必须经过变质处理使硅相形态尺寸得 到改善后，才能使用。 1 3 3 2 熔体温度处理 有报道，熔体温度处理工艺是种改善硅相形态与尺寸的方法。这方法是将 一部分温度接近于过共晶a 卜s i 合会液相线的低温熔体与”一部分过热度较高 的熔体进行快速混合，从而形成一种温度接近于浇注温度的合金液。把9 2 0 。c 高 温的过共晶a i - 1 7 s i 合金熔体与6 1 0 。c 的低温熔体按l ：】比例混合，在1 分 钟内浇注得到组织中初晶硅的尺寸小于2 0um ，并呵改善显微组织的均匀性。”。 郑州工业大学采用过共晶a 卜1 8 s i 合金进行熔体预处理，得出的最佳工艺参数 为：高温熔体温度为1 0 1 3 。c ，低温熔体温度为6 5 04 c ，比例为l ：1 ，混合熔体 温度为7 1 0 。c ，此时获得初生硅尺寸大小平均为2 2 ui l l ，即能细化初生硅，又能 细化共晶硅1 。可以看到，还有一些其它的方法，如悬浮铸造、搅拌铸造等应用 于过共晶a 1 s i 合金，对于细化硅相尺寸有一定的效果，所得初品硅的尺寸为 2 0 1 0 0 ui n 。 1 3 3 3 变质处理 在盒属液体中加入某种元素和化合物，能够使金属液体在凝固前已存在大量 的化合物质点，分散悬浮在金属液中作为非均匀形核核心u k 者分硝于液同界 面，阻碍晶粒长大，以达到改善形态及细化晶粒的目的。这种方法已广泛地用于 各类合金。它也有效地用在过共晶a l s i 合会中改善s j 十【j 形态。此种方法称为 变质处理“。 经过适当的变质处理后，合金的常温及高温机械性能均呵火幅度提高。活塞 海人学顺i j 学位论史 材料从成分上经历了亚共晶、共晶、过共晶铝硅合金的发展过程，处理工艺特别 是变质处理也经历了单一变质向复合变质，仅对共晶s i 变质到对过兆晶中的共 晶s i 和初晶s i 同时进行变质处理的过程。在传统铸造方法中，、s r 是共晶 硅的变质元素，p 是初晶硅的主要变质元素”。 对过共晶铝硅合盒的变质剂，通常是磷与其他元素复合】而成的复合变质剂。 目前常用变质剂种类及作用见下表”3 。 表卜1 变质剂种类及作用” 变质剂种类变质效果变质剂种类变质效果 p r e 双变质细化初晶、共晶s ip s r e好于p - $ 、p - r e p 盐- - s t 盐双变质细化效果最佳 c e o 细化： j 品、共品s i c u p 3 一n a 2 c 0 3 ( 日本)细化初晶、共晶s ip c ( 俄罗斯)细化初晶、共晶s i 近期的研究表明，稀土能同时细化初晶和共晶硅1 。金大州等用o 0 8 p 和 o 8 8 r e 使a 1 1 8 s i 合金获得良好的变质效果，初生硅细化在3 0um 以下”， 共晶硅由长针状变成短杆状和颗粒状。魏伯康等的研究结果表明，0 6 富c e 混合稀土能同时细化a 1 2 0 s i 合会的初生硅和共晶硅，是一种优良的变质剂“。 在文献“7 中，对含硅量为2 3 - - 2 6 的高硅铝合金采取了磷、砷、碲复合变质处 理进行了研究，发现初晶硅和共晶硅都得到了细化，ob 提高了17 - - 4 4 ，6 提高了2 8 - - 5 3 ，初晶硅尺寸由原来的3 0um 缩小到1 j 一1 4um 。文献“中介 绍c e + s r 复合变质a 卜2 4 5 s i 可使共晶硅碎化为细小点状，一次硅的平均截线 长出未变质的5 0 “m 变为2 0 “m 。上海交通大学在磷细化初黼硅的牲础上，加入 镧、钇稀土实现初晶硅和共晶硅的双重变质，初晶硅可细化至2 2um 左右，共晶 硅呈珊瑚状“。东北大学曾用p 和s 复合变质a 1 2 6 s i 合会，发现两者同时加 入无相互抵消作用，其变质合金的抗拉强度比未变质前提t 铺4 5 。”。湖北汽车 工业学院利用磷钠联合变质a 卜2 4 5 s i 合金，发现获得初l 弱硅和共晶硅同时细 化的组织，初晶硅的平均尺寸最小只有2 2um ，共晶硅呈粒状。 从上述几种变质剂和变质效果看，复合变质可以改善传统铸造铝硅台会组 织，细化初晶硅，共晶硅出长针状变成短杆状、颗粒状或珊瑚状，提高材料性能， 但熔铸法配制的合金用变质处理只能使初晶硅尺寸细化到l0 - - 2 5ume , i 1 ”1 。在 s j 量很高( 2 4 ) 时，仅依靠变质处理使s i 细化已无法解决此类合会的脆性。 海人学顺l 学位论史 制备含硅量2 7 一3 0 的铝硅合金，希望获得理想的组织和性能仅采用变质方 法是不可行的。必须探索一种全新的制备技术，把硅质点大小控制在1 0 l am 以下， 且均匀分布。才能解决如此高含量硅的合金脆性问题。快速凝同的技术路线为我 们提供了方向。 1 3 3 快速凝固过共晶铝硅合金 1 3 3 1 快速凝固技术简介 所谓快速凝固即由液相到固相的冷却速度相当快，从而获得了传统铸件或铸 锭所不能获得的成分、相结构或微观结构。快速凝固的冷却速率通常在1 0 4 s 以上。因j i - l 日i 起一些组织结构上的新特征，主要表现为：超细化的微观组织；提 高合金的固溶度极限；少偏析或无偏析的均匀的微观组织；形成新的亚稳相等 【2 l 】。 快速凝固技术问世于2 0 世纪6 0 年代。d i x o n t 2 2 1 首先利用粉未冶金法制备含 s i 4 5 的铝合金，其初晶s i 细小均匀。七十年代，他们又对含s i 从2 5 一4 5 的二元或三元铝合金进行研究。，制取了高耐磨快速凝剧高硅铝合金。进入八 十年代，特别是f 1 本对快速凝固高硅铝合会进行了广泛的研究”。“，并首次将其 应用于生产。到九十年代，对快速凝固高硅铝合会的研究进入鼎盛时期，除同本 外，荷兰、法国、挪威、美国等国家相继展丌了这一领域中的研究j t 作。近年来 国内也在这方面进行了广泛的研究工作，主要集中在中南：州l 大学，哈尔滨工业 大学及沈阳金属研究所等科研院校。基本上处于基础研究阶段，研究的内容涉及 到合金成分设计、制备工艺、组织变化及性能等各个方面。“。 与其它制备工艺相比，过共晶a l s i 合会的快速凝同技术具有以f 4 l 势。： a 显著细化s i 相尺寸并改善其分布状况。与常规铸造相比，快速凝固技术使合 金熔体具有更高的冷却速度和更大的过冷度。此时，台会熔体在凝固过程中 可以萌生出更多的晶核且生长时阳j 很短，从而使合金的微观组织得到显著细 化。可以看到，采用快速凝固技术，无论是雾化法还是喷雾沉积技术，所得 初晶s i 尺寸通常能达到l ol am 以下。“。2 。“3 ，并均匀分布在铝基体上，对基 体造成第二相弥散强化作用。 b 提高合盒元素的固溶度。利用这一特点，可以实现以过_ l 晶a 一s i 二元合会 系为基础，有针对性地加入其它合金元素来提高材料的悱能。| = 前要用铸造 海人学坝 ：学位论立 方法制各过共晶a 卜一s i 合金的s i 量最高只能达到2 5 ( 质量分数) 左右。， 而采用快速凝固技术s i 含量高达3 0 - - 4 0 时，仍可获得令人满意的综合 性能。 目前研究较多的高硅铝合会快速凝固的制备方法主要有两种，即快速凝固粉 末冶会方法( r s p m ) 和喷刺沉积法( s f ) 。其中r s p m 是日_ j 口采用最多的制各技 术。下面介绍一下这二种方法的概况。 1 3 3 2 快速凝固粉末冶金法 它的关键工序是雾化制粉和粉末固结成形。用雾化法具体又包括气雾化，旋 转水雾化，高压水雾化和离心雾化法等工艺。下面对几种常用的制粉技术分别陈 述。 ( 1 ) 水雾化法：用高能量的水以很高的流速对熔融状态的会属液流进行冲击， 使金属