（材料加工工程专业论文）bi合金化过共晶alsi合金的研究.pdf

山东大学硕士学位论文合金化过共晶a i - s i 合金的研究 摘要 b i 合金化过共晶a 1 s i 合金拥有耐磨性高，熟膨胀系数低，延伸率和切削 加工性能好等一系列优点，并且还有与传统过共晶a 1 s i 合金a 3 9 0 相媲美的力 学性能，因此可应用在活塞、汽车空调压缩机双向斜盘等耐磨性零件上。但是目 前国内对b i 合金化过共晶a 1 s i 合金的研究还非常少本文通过材料熔铸、热 挤压和热处理等工艺成功研制了一种具有良好的力学性能和热膨胀性能的b i 合 金化过共晶a 1 s i 合金，性能达到国外同类产品指标要求。 利用高倍视频显微镜、电子探针、扫描电镜等测试手段研究了b i 合金化过 共晶a i - s i 合金的显微组织。实验结果显示：b i 在组织中以纯b i 相的形式存在； b i 对共晶硅有一定的变质作用，使合金力学性能提高，抗拉强度g h 2 0 7 m p a 提高 至f j 2 2 3 m p a ，伸长率由0 8 提高到1 o 。 冷却速率是影响合金组织的一个重要因素。通过检测不同冷却速率下b i 合 金化过共晶朋s i 合金的显微组织，研究了冷却速率对合金组织的影响。结果表 明：随着冷却速率的增加，不但初晶硅和共晶硅细化，b i 的分布也有很大变化。 ( b 6 m m 和0 1 2 m m 试棒，冷却速率较大，组织中部分b i 相被包裹在初晶硅中； 而在q ) 1 5 0 m m 试棒中，由于凝固过程中初晶硅生长速率缓慢，b i 液滴被初晶硅 凝固界面推动前进，最终在舢基体中凝固。 通过差示扫描量热仪( d s c ) 测定了不同冷却速率下b i 合金化过共晶砧s i 合金降温曲线。实验结果显示：冷却速率越快，初晶硅的析出温度越低。0 1 5 0 m m 试棒初晶硅析出温度在6 8 0 4 c ，而0 1 2 m m 和q ) 6 m m 的试棒初晶硅析出温度分 别在5 9 8 8 和5 8 5 5 。 研究了热挤压变形对b i 合金化过共晶砧s i 合金组织和性能的影响。结果 表明：热挤压变形减小了初晶硅的尺寸，并使其边角钝化，共晶硅也由粗大的板 片状变为短杆状，从而使合金的强度、硬度及伸长率均有明显的提高。在相同 t 6 热处理工艺下，合金的抗拉强度由挤压前的2 4 0 m p a 提高到3 3 8 m p a ，伸长率 由0 7 提高到2 8 ，布氏硬度由8 7 6 提高到1 3 1 采用膨胀计测定了b i 合金化前后过共晶舢s i 合金的热膨胀系数。结果表 明：当温度低于b i 的熔点时，b i 的加入减小了a 1 s i 合金的膨胀系数，此时含 山东大学硕士学位论文瑚合金化过共晶a l - s i 合金的研究 b i 量越高膨胀系数越低；但是，当温度超过b i 的熔点时，b i 使a i - s i 合金的膨 胀系数增大，并且含b i 量越高膨胀系数越大。研究了热挤压前后a 1 s i c u b i 合金 的热膨胀性能，发现挤压变形也可以使a 1 s i c u b i 合金的膨胀系数降低。 关键词：过共晶a 1 - s i ；b i ；冷却速率；热挤压；热膨胀 n 山东大学硕士学位论文瑚合金化过共晶a i - s i 合金的研究 k l t 1 1 ) yo nt h ebi - a d d e dh y p e r e u t e c tlc 札一sia l l o y s a b s t r a c t t h eb i - a d d e dl a y p e r e u t e e t i ea 1 一s ia l l o y sh a v eas e r i e so fa d v a n t a g e ss u c h 船l o w t h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n t , h i 曲w e a r - r e s i s t i n ga b i l i t y , e x c e l l e n te l o n g a t i o nr a t i o n a n dm a e h i n a b i l i t y , w l a i l em a i n t a i n i n gm e c h a n i c a lp r o p e r t i e st h a ta s i m i l a rt o c o n v e n t i o n a la 3 9 0a l l o y , a n dt h u sc 缸b ea p p l i e dt oa b r a s i o nr e s i s t a n e e , - r e q u i r i n g a p p l i c a t i o n s ，s u c hi t sp i s t o na n ds w a s hp l a t e so fc o m p r e s s o r sf o ra i rc o n d i t i o n e r si n a u t o m o b i l e s i - i o w c v c r , n o w a d a y st h e r ei st i t t l es t u d yo nb i - a d d e da l - $ ia l l o y si n c h i n a i nt h ep r e s e n tp a p e r , 1 1b i a d d e dh y p e r e u t e e t i ea i - s ia l l o yw i t he x c e l l e n t m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dt h e r m a l e x p a n s i o np r o p e r t y h a sb e e n d e v e l o p e db y o p t i m i z i n go fm e l t i n g 。c a s t i n g , h o te x t r u s i o na n db e a tt r e a t m e n t , e t c i t sp r o p e r t i c a h a v e b c e ae q u a lt ot l a oc o u n t e r p a r ta b r o a d t h em i e r o s t r u e t u r eo fb i a d d e dh y p e r e u t e e t i ea i s ia l l o yh a sb e e ni n v e 斌i g a t e d u s i n gh s v m , e p 姒a n ds e m , e t e i th a sb e e nf o u n dt h a tt h ee l e m e n tb id i s t r i b u t e s 0 1 1 t h em a t r i xi nt h ef o r mo fp u r eb ip h a s e i na d d i t i o n , t h em e e h a a i e a lp r o p e r t i e so f t h ea 1 1 0 yw e r ei m p r o v e d ，d u et ot h em o d i f i c a t i o ne f f e c to fb io ne u t e e t i es i l i c o n t h e t e n s i l es t r e n g t hw a si n c r e a s e df r o m2 0 7 m p at o2 2 3 m p a , a n dt h ee l o n g a t i o nr a t ew a s i n c r e a s e df r o m0 8 t o1 o c o o l i n gr a t ei so n e o ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r st h a td c e i d ct h em i e r o s t r u e t u r e o f m e t a l s i np r e s e n tw o r k , t h em i e r o s t r u e t t t r e so f b i - a d d e dh y p e l 舢t e e t i ea i - s ia l l o y s u n d e rd i f f e r e n tc o o l i n gr a t e sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d a n dt h er e s u l t ss h o wt h a t ：w i t h t h ei n c r e a s eo fc o o l i n gr a t e ，t h es i z e so fp r i m a r ya n de u t e e t i es i l i c o nd e c r e a s e m e a n w h i l e ，t h ec o o l i n gr a t ec h a n g e st h e d i s t r i b u t i o no fb ip h a s e i nt h e m i e r o s t r u c t u r e so f t h e 中6 m ma n d0 1 2 m m s a m p l e su n d e ral l i g hc o o l i n gr a t e m o s to f t h eb ip a r t i c l e sf 1 1 ee n w r a p p e db yt h ep r i m a r ys i l i c o np a r t i c l e s w 1 l i l ei nt h e d 1 5 0 m m s a m p l e ，d u et ot h el o wg r o w t hv e l o c i t yo f p r i m a r ys i l i c o ni nt h es o f i d i f i e a t i o np r o c e s s ， t h eb id r o p l e ti sg r a d u a l l yp u s h e dt ot h es o l i d i f i c a t i o nf r o n to ft h ep r i m a r ys i l i c o n , a n d i l l 山东大学硕士学位论文瑚合金化过共晶a i - s i 合金的研究 f i n a l l ys o l i d i t i e si nt h ea im a t r i x t h ec o o l i n gc u r v e so fb i - a d d e dh y p e r e u t e c t i ca l s i a l l o y s u n d e rd i f f e r e n t c o o l i n gr a t e sh a v e b e e ns t u d i e db yd i f f e r e n t i a ls c a n n i n gc a l o r i m e t e r s c ) i th a sb e e n f o u n dt h a tw i t ht h ei n c r e a s eo fc o o l i n gr a t e ，t h et e m p e r a t u r ea tw h i c ht h ep r i m a r y s i l i c o nb e g i 璐t op r e c i p i r a t ed e c r e a s e s i nt h e0 1 5 0 m ms a m p l e , t h ep r i m a r ys i l i c o n b e g i n st op r e c i p i t a t ea t6 8 0 4 c ，w h i l ei nt h e0 1 2 m ma n d0 6 r a ms a m p l e s , t h e p r i m a r ys i l i c o nb e g i n st op r e c i p i t a t ea t5 9 8 8 a n d5 8 5 5 ，r e s p e c t i v e l y 而ee f f e c to f h o te x t r u s i o n0 1 1t h em i c r o s t m c t u r ea n dp r o p e r t i e so f h y p e r e u t o c t i c a 1 - s ia l l o yh a sb e e ns t u d i e d 1 1 壕r e s u l t ss h o wt h a th o t - e x t r u d e dp r o c e s s i n gr e d u c e s t h es i z ea n db l u n t st h ee d g e so f p r i m a r ys i l i c o n , a n dt r a n s f o r m st h eo o a l 瞎ef l a k e - l i k e s i l i c o ni n t oas h o r tr o d - l i k es h a p e ，r e s u l t i n gi nan o t i c e a b l ei m p r o v e m e n ti ns t r e n g t h , h a r d n e s sa n de l o n g a t i o no f t h ea l l o y c o m p a r e dw i t ht h eu n c x t m d e da l l o y , t h et 倒f f i l e 啦e n g t ho f t h ee x t r u d e da l l o yw a t ti n c r e a s e df r o m2 4 0 m p at o3 3 8 m p a , t h ee l o n g a t i o n r a t ew a si n c r e a s e df r o m0 7 t o2 8 a n dt h eh b sh a r d n e s sw a si n c r e a s e df r o m8 7 6 t o1 3 1 。s u b j e c t e dt ot h es a m et 6h e a t 仃嵌山n a i t t h et h e r m a l e x p a n s i o n c o e f f i c i e n t so fe x p e r i m e n t a l a l l o y s h a v eb e e n i n v e s t i g a t e du s i n gd i l a t o m e t e r t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea d d i t i o no f b id e c r e a s e st h e t h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n t , w h e nt h et e m p e r a t u r ei su n d e rt h em e l tp o i n to f b i ，a n d t h e1 1 1 0 1 0t h eb ii sa d d e d , t h el o w e rt h et h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n ti s h o w e v e r , w h e nt i mt e m p e r a t u r ei so v c rt h em e l tp o i mo fb i ，t h ea d d i t i o no fb ii n c r e a s e st h e t h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n to f a l s ia l l o y , a n dt h em o l et h eb ii sa d d e d , t h eh i g h e r t h et h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n ti s 1 1 ”t h e r m a le x p a n s i o np r o p e r t yo f t h ea i s i c u b i a l l o y sw i t ha n dw i t h o u th o te x t r u s i o nw a sm e a $ u l f e d a n di th a sb e e nf o u n dt h a th o t e x t r u s i o nd e c r e a s e st h et h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n to f t h ea l s i c u b ia l l o y k e y w o r d s ：h y p e r e u t e e t i ca 1 s i ；b i ；c o o l i n gr a t e ；h o te x t r u s i o n ；t h e r m a le x p a n s i o n i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：垒鲤日期： 切曰j - 巧 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：埠导师签名蜘 期：幽 山东大学硕士学位论文b i 含金化过共晶a i - s i 合金的研究 本文的创新与主要贡献 1 发现当凝固过程中冷却速率较大时，在b i 合金化过共晶舢s i 合金的凝 固组织中，大部分b i 相被包裹在初晶硅中：而当冷却速率较小时，由于凝固过 程中初晶硅生长速率缓慢，b i 液滴被初晶硅凝固界面推动前进，最终在a l 基体 中凝固。 2 发现当温度低于b i 的熔点时，b i 的加入减小了灿s i 合金的热膨胀系数， 而当温度高于b i 的熔点时，b i 的加入使a i - s i 合金的热膨胀系数增大。 v 山东大学硕士学位论文脚合金化过共晶a i - s i 合金的研究 第一章绪论 1 1 过共晶 i _ s i 合金国内外研究现状 1 1 1 过共晶 i - s i 合金的一般发展概况 s i 是铝合金中第一个使用的合金化元素，也是用量最多的合金化元素，这是 因为朋s i 系构成典型的二元共晶相图( 图1 1 ) ，含1 2 6 s i 的共晶合金的熔点为 5 7 7 1 2 ，属铝合金中最低熔点者之一，有很好的流动性，可以铸造形状复杂的零件。 在现行的铝合金成分表中，仍将硅列为第一个合金化元素。 p 三 窘 盅 图1 1a l - s i 合金相图 f i g 1 1t h ep h a s ed i a g r a mo f a l - s ia l l o y a l - s i 合金具有优良的铸造性能，如流动性好、气密性好、收缩率小和热裂 倾向小，经过变质和热处理之后，具有良好的力学性能、物理性能、耐腐蚀性能 和中等的机加工性能，是铸造铝合金中品种最多，用途最广的一类合金。它的比 强度高于铸铁和铸钢，因而被广泛应用于航天、航空、交通运输和机械加工等部 门。随着现代工业及铸造新技术的发展，对a i - s i 合金的需求量越来越大1 1 j 。 目前，国内# t a l s i 系合金牌号众多，成分遍及亚共晶，共晶和过共晶，其 山东大学硕士学位论文b i 合金化过共晶a i - s i 合金的研究 中应用最为广泛的是共晶铝硅合金，常成为中小型内燃机活塞的首选材料，国家 标准中的z l l 0 8 和z l l 0 9 即为此种材料。 过共晶a 1 s i 合金由于s i 元素含量较高，与亚共晶、共晶铝硅合金相比，过 共晶铝硅合金拥有更小的密度和更低的热膨胀系数，也更耐磨和耐蚀。此类合 金多用于制造内燃机活塞，可显著提高内燃机的功率和速度，这正顺应了目前 内燃机向高功率、高速度发展的趋势，也更节省燃料，降低污染，因此，过共 晶铝硅合金正成为传统共晶铝硅活塞材料的更新换代材料。 过共晶铝硅合金的成分，按s i 的含量高低可分为三种，即低硅1 6 1 8 、中 硅1 9 2 3 、高硅2 抛6 。低硅成分的含硅量低，熔铸性能好：高硅成分的含硅 量高，熔铸性能及加工性能差。 目前国外己有过共晶a 1 - s i 合金牌号( 表1 1 ) ，如美国a 3 9 0 、日本a c 9 a 、 a c 8 a 等，已经进入批量生产阶段。日本的摩托车活塞己全部选用这种材质的合 金，并扩大应用于载重汽车，在小轿车上也有应用。在澳大利亚，过共晶a 1 - s i 合 金a 3 9 0 已用作全铝汽车汽缸的砂型和硬模铸件。我国至今仍以共晶型铝硅合金 作为活塞主导材料。不过，部分企业也已将过共晶型铝硅合金投入应用，但我 国目前仍没有自己的过共晶合金牌号【2 1 。 表1 1 国外典型过共晶灿s i 合金牌号及成分 t a b l e1 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o n so f t h ec o n v e n t i o n a lh y p e r e u t e c t i ca 1 - s ia l l o y sa ta b r o a d 1 1 2b i 合金化过共晶 l - s i 合金的发展 2 由于高硅a i - s i 合金的密度小，导热性能好、热膨胀系数低、耐磨抗腐蚀性 山东大学硕士学位论交瑚合金化过共晶a i - s i 合金的研究 能好、有足够高的高温强度等一系列优点p 训，因而被广泛用于承受中等载荷的 结构零件和形状复杂的零件，但是由于含硅量高，导致合金塑性较差，伸长率通 常小于1 。如国外公司选用的a 3 9 0 合金，金属型铸造t 6 状态下的典型力学性 能是抗拉强度2 7 0 - - 2 9 0 m p a ，伸长率 l 并且由于硅质点的大量存在，使材料 的机加工性能变差，加工表面粗糙度加大，从而无法达到耐磨性能和减磨性( 低 摩擦系数) 兼顾的优越综合性能。 为了获得耐磨性能和减磨性( 低摩擦系数) 兼顾的优越综合性能，近几年国 外将铋( b i ) 作为铝硅合金中的重要添加元素，对其进行b i 合金化。b i 是一种 软质金属元素，它的熔点为2 7 1 0 ，硬度船为9 。a i - b i 合金是一个偏晶合金系， 在b i 为3 5 时发生偏晶反应，最终的凝固组织中b i 相以游离的质点分布在铝 基体上含b i 过共晶舢s i 合金，基体上分布着许多硅晶体硬质点，具有很好 的耐磨性：b i 相在摩擦过程中能部分熔出，降低材料表面的摩擦系数，从而使 这种材料具有很好的减磨性和使用寿命。 目前，国外已将这种含b i 的铝硅合金广泛用于汽车、制冷工业。如国外的 d h t - 3 合金，被德国卡斯公司用于制造活塞、汽缸套、变速器阀、空调压缩机 斜板、轴承、齿轮等零部件上。1 9 9 8 年，在克莱斯特v - 7 和欧宝车的v - 5 压缩 机上用该合金代替4 0 3 2 高硅铝合金。凯迪拉克也试验用该合金制造变速器阀 m 。 国内目前对a i - s i 合金b i 合金化的理论和应用研究尚处于起步阶段，还没有相 关的牌号和专利。 1 2 过共晶a l - s i 合金的组织特征及性能特点 含s i 量大于或等于1 6 2 6 的过共晶a 1 s i 合金，实质上是一种复合良好的 自生s i 颗粒增强铝基复合材料，在汽车等行业中具有广泛的用途。但是，用铸造法 生产过共晶a 1 - s i 合金铸件时，容易生成粗大的初晶硅，这些形貌粗大的初晶硅相 严重的割裂了a 1 基体的连续性，在初晶硅相的尖端或者棱角处容易引起应力集 中，使得合金容易沿晶粒的边界处，或者粗大的板片状初晶硅自身开裂形成裂纹， 使合金变脆，从而使合金的力学性能特别是伸长率显著降低。硬质点的粗大初晶 硅使切削加工性能很差，加工件的表面粗糙度大。而且由于合金中粗大的初晶硅 山东大学硕士学位论文瑚合金化过共晶a i - s i 合金的研究 相容易从较软的基体上脱落，使合金的耐磨性无法得到充分的发挥f 8 - 9 。 过共晶铝硅合金具有良好的流动性，这是由于合金析出初晶硅时放出大量结 晶潜热的缘故。因此常用的过共晶铝硅合金比共晶合金具有更好的流动性。随着 合金中硅含量的增加，合金的线收缩率减小。据测定，含硅量1 7 - - 2 0 的铝硅合 金的线收缩率在0 8 i 2 之间随着硅含量的增加，结晶温度范围变大，合金的 疏松倾向加大，合金的气密性降低。另外随着硅含量的增加，氢在合金中的溶解 度降低，合金液粘性增加。因而合金形成针孔的倾向加大，总之随着硅含量的增 加，合金铸造工艺性能逐渐下降。 过共晶铝硅合金还具有很好的耐磨性，研究发现通过细化变质处理或粉末冶 金等方法还可以使合金的耐磨性得到改善。定量评价合金的耐磨性是很困难的， 因为耐磨性除与自身成分有关外，还与磨损条件有很大关系。研究a 1 ( 1 5 4 5 ) s i 粉末锻造合金的耐磨性发现随硅含量的增加，合金的磨损量减少，耐磨性提高， a i - 4 5 s i 相对于a i 1 5 s i 磨损量下降5 0 以上。同时也研究了在灿1 5 s i 中添 加2 q t 和1 m g 对耐磨性的影响。结果表明：合金中添加c u , m g 对改善耐磨性 的作用并不明显，研究认为提高合金耐磨性的主要因素是合金中硬质s i 相【l o 】。 1 3 过共晶a i _ s i 合金的强化途径 金属材料的性能取决于它的组织。同一种材料经不同的生产工艺可以得到不 同的组织，从而获得不同的性能。因此，要想正确选用材料成分及生产工艺来制 造零件，并期望利用最低生产成本满足零件的各种性能要求，就必须掌握材料成 分一工艺一组织一性能之间的关系及其变化规律。而不断提高金属材料的强度、韧 性、耐热性、耐蚀性是现代生产技术发展的需要，也是我们金属材料工作者的职 责【l i 】。对越s i 合金而言，提高它的性能主要有以下几种方式： i 3 1 组织细化 铝硅合金必须经过适当方法的处理，使其组织形态改善，性能提高后才能在 工业上得到实际应用，细化变质处理是改善合金组织的有效途径。a 1 s i 合金的 细化变质，包括初晶a 固溶体、共晶体和初晶硅三个部分的细化。虽然通过激 冷、高压下结晶等方法也能使这三部分组织细化，但生产上通常是采用加入变质 4 山东大学硕士学位论文b i 合金化过共晶a i - s i 合金的研究 ( 细化) 剂或元素来实现的【3 l 。 自从1 9 2 0 年发现了对a 1 - s i 合金的变质作用以来【1 4 1 ，变质技术得到了广泛 而深入的研究，陆续发现了许多新的变质元素和变质方法。下面介绍一下目前国 内外常用的一些变质元素： 1 3 1 1 钠变质 最初采用的变质剂是金属钠( n a ) ，但它存在一些缺点：首先，由于变质温 度为7 4 0 - 7 8 0 ，已经接近钠沸点，使铝液容易沸腾，产生飞溅，使铝液氧化吸 气；其次，由于钠的比重较小，变质时浮在铝液表层，使部分铝液产生过变质。 由于这些缺点，使金属钠在生产中使用较少 在生产中通常采用的是由钠盐和钾盐混合变质剂。 变质剂和铝液接触后，产生下列反应： 6 n a f + a i n a 3 a l f 6 + 3 n a ( 1 - 1 ) 在变质剂成分中，只有n a f 起变质作用，k c l 、n a c l 本身不能起变质作用， 它们的作用是和n a f 组成混合盐，降低熔点，有利于反应式( 1 1 ) 的进行。如 n a p 的熔点为9 9 2 ，加入一定的n a c l 、k c l 而组成的三元变质剂，熔点明显下 降，在一般变质温度( 7 4 0 - 7 8 0 c ) 下，处于熔融状态，能促进反应式( 1 - 1 ) 的 进行，从而提高变质速度和效果。此外，液态变质剂容易在液面形成一层连续的 覆盖层，提高变质剂的覆盖作用。 1 3 1 2 锶变质 锶( s r ) 为碱土金属元素，化学性质活泼，在空气中易与氧或水反应，立即 生成s r o 和s r ( o h ) 2 淡灰色粉末。在生产中，大多数以a 1 s r 中间合金或a i s r - x 三元合金的形式加入铝液中【1 5 1 。锶以舢s r 中间合金加入铝液中，应在炉料熔化， 精炼以后加入。用锶变质时，锶的加入量为0 0 2 - 0 0 6 。 锶的变质有效时间为6 - 7 个小时，但重熔时，不宜用氯盐精炼，最好通氩 通氨精炼。当熔炼超过6 可小时后，必须另加a 1 s r 中间合金进行变质。 有关钠和锶的变质机理，近年来在国内外有两种公认的变质机理学说：孪 晶凹谷机制( t p r e ) 和界面机制台阶学说【1 6 1 。 山东大学硕士学位论文b i 合金化过共晶a i - s ! 合金的研究 ( 1 ) 孪晶凹谷机制 该理论基于在共晶生长中硅片的结晶前沿成孪晶凹谷。钠变质后，铝液中的 钠原子因选择吸附而富集在孪晶凹谷处，阻滞了硅原子或硅原子四面体的生长速 度，使孪晶凹谷生长机制受到抑制，从而导致硅晶体生长形态的变化。其原因是凹 谷被阻塞，晶体生长时被迫改变方向，如沿( 1 0 0 ) 、( 1 1 0 ) 、( 1 1 2 ) 等系列方向生 长，同时也促使硅晶体发生高度分枝郑来苏【1 6 l 认为，钠原子并非全都封锁整个 凹谷，而是优先吸附在凹谷内的位错、层错等缺陷处，分割了原来的片状结构。这 都促使硅晶体由片状变成等轴断面的弯曲纤维状。 硅晶体生长机制的变化导致其形态的改变。硅与铝的共晶结晶属于“小平面 非小平面”共生，硅相具有微观光滑界面，是结晶的领先相，生长速度比铝相快， 硅晶体生长的各向异性导致其产生不规则形态，如分散的针片状。钠变质后，硅 相的生长速度受阻滞失去领先作用，共生性质接近“非小平面非小平面”生长， 形成互相协调的较规则的棒状( 纤维状) 硅晶体。迄今为止，国内外对锶盐变质铝 硅合金机理的研究较少，有人认为锶盐在铝硅合金中分解为游离态的锶，吸附在 先导相硅相的表面，阻止了硅相按片状方式的生长，并使其产生孪晶按t p r e 机制生长，从而成为分叉较多的纤维状。 ( 2 ) 界面台阶机制 这种理论认为，未变质铝硅合金生长着的硅晶体表面上生成孪晶的几率小， 而在晶体生长前沿液固界面上存在很多界面台阶，类似城墙堞垛。这些台阶易于 接纳合金液中硅原子或硅原子八面体，使硅晶体沿着 晶向择优生长而成片 状。变质后钠原子优先吸附于该界面台阶处，钝化了界面台阶生长源，使它很难 再接纳硅原子，同时钠原子在硅晶体表面诱发出高密度的孪晶，而由栾晶凹谷取 代界面台阶来接纳硅原子，成为硅晶体的生长源。 根据晶格理论计算，变质剂元素与硅二者原子半径之比等于1 6 4 8 时，最易 诱发成孪晶，但尺寸因素与这一理论值相接近的元素( 钠的比值为1 5 3 3 ) 都有 诱发孪晶的可能，但更重要的是变质剂元素在铝液中还必须对硅有很大的吸附作 用 6 山东大学硕士学位论文_ b i 合金化过共晶a i - s i 合金的研究 1 3 1 3 锑变质 当亚共晶和共晶成分的a i - s i 合金，加入0 1 0 5 的锑( s b ) 时，在较高的冷 却速度下，能获得变质良好的铸件。加锑变质的一个突出的优点是变质作用保持 时间很长，一般达1 0 0 个小时后仍保持变质效果，因而称之为长效变质剂。但它 受冷却速度的影响较大，当铸造厚壁件或砂型铸件时，对含硅量较高的共晶铝硅 合金变质效果不明显，往往需要通过热处理，才能显示出变质效果，所以在应用 上受到一定的限制。 锑的比重为6 6 7 9 o m 3 ，比铝大2 5 倍，直接把锑加入铝液中，会产生比重 偏析，不易控制成分，故必须以a i - s b 中间合金的形式在精炼后加入，也可和炉 料一起加入。 锑的熔点虽低，但不能采用锑液和铝液混合方法熔制舢s b 中间合金。因为 锑的沸点( 1 4 4 0 ( 2 ) 低，蒸汽压很大，7 0 0 ( 2 是已大量蒸发。其次，锑液倒入铝 液中会生成难熔化合物a l s b ，沉入坩埚底部冻结。 用锑变质时要注意，锑和钠会相互抵消变质作用，因此炉料要严格分开。 1 3 1 4 稀土变质 稀土0 地) 具有独特的化学和物理特性，在铝合金中添加稀土可起变质作用， 净化作用，合金化作用，提高再结晶温度，改变金属的宏观和微观组织，从而提 高金属硬度，减少铸件中的气孔和合金的热裂倾向，有效的提高合金的综合机械 性能。 文献f 1 7 对稀土对a 1 - s i 共晶合金的变质作用作了研究。并列出了不同的稀土 元素对共晶铝硅合金的变质能力。发现e u 具有最强的变质能力，h 次之，并发 现其均为“长效”变质剂。c e ，p r ，n b 及混合稀土的变质能力稍低于l a 。e r 和y 不具有变质能力。 稀土在铝硅合金中的作用较复杂，既使共晶硅变质，又使嘲和初晶硅细化。 对稀土的作用机制也提出了许多假设【1 7 1 ：异质形核学说、临界生长温度学说、变 质温度下干扰原子团理论、孪晶凹谷( t p r e ) 理论，及共晶硅粗糙界面长大机制。 有研究认为【1 8 】：以稀土处理过共晶铝硅合金后，其变质作用主要是由于在铝硅合 金凝固界面上形成成分过冷，从而使s i 晶体的生长易于分支，使初晶硅和共晶硅 7 山东大学硕士学位论文瑚合金化过共晶a i - s i 合金的研究 得以细化。 1 3 1 5 磷变质 上述所说的n a ，s r 、s b 、r e 等元素主要适用于亚共晶、共晶a l - s i 合金的变 质。而对过共晶铝硅合金而言，主要是变质组织中的初晶硅。目前，用来变质初 晶硅的元素主要是磷( p ) 。p 元素对初晶硅变质效果较好，但是对共晶体没有 变质效果，并且存在着过变质现象。p 元素可以以单质p 、p - c u 中间合金，磷酸 盐和磷化物以及a 1 p 中间合金等多种形式加入。单质p 主要是赤磷，由于反应剧 烈，产生大量烟雾，磷烧损和空气污染严重，所以现在已经很少使用。采用p - c u 中间合金容易熔化吸收，变质效果有所改警。但经过中间合金处理的回炉料反复 使用时会造成c u 的积累。因此，合金成分对c u 含量有一定限制的合金不宜使用。 p c i 5 和p n c l 2 等磷化物早期被前苏联和西欧等国广泛采用，但是反应后生成有毒 气体，应用受到限制【1 9 - 2 0 。 研究表明【2 ，a 1 p 中间合金具有变质效果好，使用方便，无污染等优点， 目前成为过共晶a i - s i 合金的主要变质剂。 对于加p 使初晶硅细化的机理认识是：p 在合金中与a l 形成a i p ，晶格常数 a = 0 5 4 5 1 n m ，而s i 的晶格常数为a = 0 5 4 2 8 n m 。根据晶体结构相似、晶格常数相应 的原理，a i p 可以起到异质核心的作用，由于晶核数目增加而使初晶硅细化。但 p 对共晶硅没有变质作用。 1 3 1 6 复合变质 上面所叙述的一些常用变质元素通常对初晶硅或者共晶硅具有单一变质效 果，但同时加入时，有些变质剂会出现变质作用相互抵消的现象，有些变质元素 的变质作用相互叠加或互补，增强变质效果。 过共晶a 1 s i 合金变质处理为了达到同时细化初晶硅、变质共晶硅的目的， 曾经有人研究了p 和s r 的双重变质技术，发现当变质剂加入量比例适中，采用适 当加入方法时能够达到同时变质的目的【9 】此外，像p 和r e ，c e 和s r 等，都可以 起到复合变质的作用1 2 2 - 2 4 。 山东大学硕士学位论文瑚合金化过共晶a i - s i 合金的研究 1 3 2 合金化 过共晶a 1 s i 合金主要用于汽车、摩托车发动机活塞等机械产品运动零部件， 一般在滑动、高温及要求精密配合环境下运行，这就要求材料性能要有高的强度， 还要有良好的耐磨、耐热性能及低的热膨胀系数在过共晶a j s i 合金中通常加 入c u 、m g 、m n n n i 等元素以满足合金所要求的各项性能口孓2 扪。 c u 在铝中不仅可以通过固溶强化和沉淀强化强烈地提高合金的室温强度，而 且可以增加铝合金的耐热性，因此c u 是高强度铝合金及耐热铝合金的主要合金 元素。在a 1 - s i 合金中，c u 的加入可以提高a l - s i 合金的常温和高温性能。 m g 也是a 1 - s i 合金中重要的强化元素。铸态时，m g 除少量固溶于叫u 基体外， 主要是以尺寸较大的m g s i 相存在，因此，m g 对合金铸态力学性能的影响不明显。 m g 的强化作用是通过热处理来实现的。固溶处理时，m g 溶入a 基体，时效时m 9 2 s i 弥散析出，使合金强化。当m g 与c l l 联合使用时，可进一步提高合金的耐热性。m g 含量一般控制在0 1 5 - - 1 1 0 2 间。 f e 在合金中形成一些条状的脆性金属问化合物，如f e s i a l 3 等，即使是微量 的f e g ；j - 合金的韧性都有极大的影响，为减小f e 相的有害作用，一方面控制操作过 程中f e 元素的混入，一方面主要通过合金元素的“中和”，其中b i n 能改变 f e s i a l 3 的条状组织而形成细小颗粒同时m n 可改善合金的耐热性。一般控制 f e 0 7 ，m n 在o 3 5 加5 之间 2 9 - 3 5 1 。 1 3 3 热处理 铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类；根据热处理特性又可分为热处 理可强化铝合金及热处理不可强化铝合金两大类。铝与铜、镁、锌、锂等合金元 素所组成的铝基合金通过一定的热处理后强度和硬度性能得到提高，因而此类合 金称为可热处理强化合金。目前，有关铝合金热处理研究仍是铝合金研究领域的 一个重要分支，大多数情况下铝合金铸件需要通过热处理来满足其强度和硬度 性能要求。 铝合金的热处理包括高温固溶处理，淬火和时效( 自然时效或人工时效) 。通 过固溶淬火处理可使强化元素最大限度地溶入a ( a j ) 基体中并均匀化，从而获得 过饱和固溶体。通过时效，a ( a 1 ) 基体上析出弥散分布的纳米相而使基体强化。 9 山东大学硕士学位论文磷合金化过共晶a 博i 合金的研究 固溶处理是将工件在较高温度保温一段时间后快速淬火冷却，以使强化元素 最大限度地溶入铝基体中并均匀化，固溶保温温度与合金成分有关。为防止合金 组织产生“过烧”，固溶保温温度一般要低于固相线温度或共晶相熔点1 0 - - 1 5 ( 2 。 固溶保温时间与合金组织有关。对于变形铝合金，由于组织致密，保温时间只要 几十分钟即能使强化元素充分固溶并均匀化，而对于铸造铝合金，特别是多相的 铸造铝硅合金，固溶体周围存在大量的共晶组织，固溶体内部组织也不均匀，晶 粒间不仅有气孔缩松，还有非金属夹杂，它们都阻碍着扩散的进行，因此所需固 溶保温时间较长，有时甚至需要几十小时才能使强化元素基本固溶。对于铸造 a l - s i 基合金，固溶处理不但使组织均匀化，而且由于高温保温时间较长s i 相形 状和尺寸也会发生明显的变化，进而对合金性能产生重要的影响。 淬火是指将固溶保温后的工件快速冷却以使强化元素或强化元素的化合物 仍固溶于基体中。淬火冷却速度的大小既要尽量保证过饱和固溶体不发生分解， 又要尽量减少工件的变形和应力开裂。淬火速度慢容易使过饱和固溶体在淬火过 程中既发生部分分解，从而削弱工件的人工时效硬化效应，并容易产生局部过时 效和晶间抗腐蚀能力的降低。淬火速度过快产生的大的热应力容易使工件变形甚 至开裂。选用不同的淬火介质可控制淬火冷却速度 将固溶淬火后的工件在室温存放一段时间( 自然时效) 或升高到一定温度进 行保温( 人工时效) ，过饱和固溶体逐渐发生分解析出弥散相，从而使合金基体得 到强化，工件的强度及硬度性能提高。人工时效温度是影响合金时效强化效果的 重要参数。一般是随着时效温度的提高，合金的时效硬化速度加快，但所达到的 最大人工时效强化效果降低。不同合金系所采用的时效工艺参数不同，性能变化 各有其特殊性。除了时效温度和保温时间，影响合金时效行为及时效硬化效果的 因素还有很多，例如淬火到人工时效的时间间隔及冷变形( 对于变形铝合金) ，合 金的组织特点，合金元素的含量、杂质及某些微量添加元素的影响等【l ”。 在灿s i 合金中，通常添加c u ，m g 等合金化元素，这些合金元素固溶到基体 中形成固溶体时，合金的强度、硬度一般都会提高，起到固溶强化作用i 。这是因 为合金元素溶入基体金属后，使基体金属的位错密度增大且发生晶格畸变；同时 合金元素的原子还会改变固溶体的弹性常数