（材料物理与化学专业论文）铸造a356铝合金组织与性能的研究.pdf

铸造a 3 5 6 铝合金组织与性能的研究 学科：材料物理与化学 研究生签字：勺沙嶙 指导教师签字： 卜 摘要 铸造a 3 5 6 t 6 铝合会因具有良好的铸造性能、热处理性能、加工性能和疲劳性能以及高 的比强度，成为工业中广泛应用的朋一s i 系铸造铝合金。长期以来，人们对a 3 5 6 合金的熔 炼技术、变质工艺、热处理制度以及组织性能进行了多方面的研究。但是，作为新型涡扇支 线飞机用铸造a 3 5 6 合会性能数掘来源相对复杂，需要对其进行补充试验研究，以满足涡扇 支线飞机选材和民用飞机适航审查的要求。本文对a 3 5 6 合金的微观组织及其对力学性能的 影响，以及合金的断裂韧性、腐蚀性能的进行了广泛和深入的研究，重点研究了合金的断裂 韧性、应力腐蚀、晶间腐蚀性能。 通过光学显微镜( o m ) 、透射电镜( t e m ) 、扫描电镜( s e m ) 等研究方法发现，a 3 5 6 一t 6 微观组织包括初生口( a 1 ) 、( a + s i ) 共晶体、沉淀析出的m 9 2 s i 强化相、富f c 相化合物等 等，以及产生的疏松、缩孔、夹杂和氧化膜等缺陷，缺陷的性质、尺寸、数量和分布严重影 响合金的性能。在拉伸载荷作用下，内部铸造缺陷或夹杂处往往成为裂纹萌生源；长而细的 硅颗粒在拉伸载荷作用下较容易开裂，也会成为裂纹萌生源。 采用缺口试样对合金的断裂韧性进行了研究，试验结果表明，铸造a 3 5 6 t 6 合金的断裂 韧性值为1 5 2 1m p a m 吨，扫描电镜( s e m ) 观察其断口宏观上呈现脆性断裂特征，微观 断裂机制为穿晶准解理；另外，合金在熔炼和铸造过程中形成缩松缩孔、枝晶偏析、变质剂 残留、非金属夹杂、硬质点等，往往成为裂纹源，降低平面断裂韧度k j c 值。 研究了a 3 5 6 t 6 铸造铝合金在3 5 n a c l 水溶液中的应力腐蚀开裂特性，测得了该环境 条件下材料的应力腐蚀裂纹扩展速率及k l s c c 值，分析了合金的应力腐蚀开裂机理。结果表 明，a 3 5 6 铝合金对环境应力腐蚀敏感性比较高，环境对a 3 5 6 铝合金断裂强度的影响必须 加以考虑。a 3 5 6 铝合金应力腐蚀断口宏观上观察不到塑性变形，属于脆性断裂，微观上呈 现沿晶断口形貌。 研究了a 3 5 6 - t 6 合金的晶间腐蚀性能，试验结果表明，a 3 5 6 合金在腐蚀溶液 ( 5 7 9 l n a c i + 1 0 m l h c i ) 中没有明显的晶间腐蚀倾向；但能谱分析( e s a ) 表明，在合金铸件 复杂结构处，由于f e 、c u 等杂质元素的偏聚或是铸造内应力的影响，能够增加合金的腐蚀 敏感性，引起合会在局部发生脱落或形成网状的腐蚀特征。 关键词：a 3 5 6 一t 6 铸造铝合金；微观组织；断裂韧性；准解理；应力腐蚀；晶i 日j 腐蚀；沿晶 断裂 s t u d yo nm i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so f a 3 5 6c a s ta l u m i n u ma l l o y d i s c i p l i n e ：p h y s i c sa n dc h e m i s t r yo fm a t e r i a l 吻办加 勺p a 3 5 6 一t 6c a s ta l u m i n u ma l l o yi sw i d e l yu s e dj nt h ei n d u s t r i e sb e c a u s eo fi t se x c e l l e n t p r o p e r t i e s a l t h o u g ha 3 5 6a l l o yh a sb e e ni n v e s t i g a t e d 。t h es t u d i e sw e r em a i n l yc o n c e n t r a t e do ni t s f u s i o n m e t a l l u r g y , m o d i f i c a t i o nt e c h n o l o g y , h e a tt r e a t m e n tp r o c e s s i n g , m i c r o s t m c t u r e a n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a sam a t e r i a iu s e dj nt h en e wt u r b o f a ur e g i o n a la i r c r a f t ，t h ed a t as o u r c eo f p r o p e r t i e so fa 3 5 6a l l o yi sr e l a t i v e l yc o m p l i c a t e d 。s ot h ec o m p l e m e n te x p e r i m e n ta b o u ti t s p r o p e r t i e sn e e db et h o r o u 2 l l l yc a r r i e do u tt om e e tt h er e q u e s to fd e s i g na n dt oe n s u r et h es a f e t yo f u s e i nt h et h e s i s ，t h em i c r o s t m c t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，f r a c t u r et o u g h n e s sk i c , c o r r o s i o n p r o p e r t i e so fa 3 5 6a l l o yw e r es t u d i e d ，e s p e c i a l l ya b o u tt h em e c h a n i s mo ft h e m t h er e s u l t s j n d i c a t e dt h a tm i c r o s t r u c t u r e e s p e c i a l l ys o m ed e f e c t s 。s u c ha sc o a r s ed r i c r i cc r y s t a l ，p o r o s i t y , i m p u r i t y ，a n ds oo n ，a f f e c tg r a v e l yt h ep r o p e r t i e so fa 3 5 6c a s t i n ga l l o y s o m ed e f e c t so rs o m el o n g n e w b o r n l ys iw h i c hh a db e e nb r o k e nb e c a m et h es o u r c e so fc r a c k su n d e rt h et e n s i l el o a d t h e f r a c t u r et o n g h n e s sk co fa 3 5 6c a s t i n ga l u m i n u ma l l o yw a si n v e s t i g a t e db yc ( t ) s a m p l e s ，t h e v a l u e so fw h i c hw e r e1 5 2 1m p a m 1 2 ：i t sf r a t u r em e c h a n i c sw a sq u a s i - c l e a v a g eb ys c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ，w h i l et h es t u d i e ss h o w e dt h ev a l u e so ff r a c t u r et o u g h n e s sw e r e r e d u c e db e c a u s es o m ed e f e c t sc a m ei n t ob e i n gi ut h ec o u r s eo fs m e l t i n ga n df o u n d i n g t h es t r e s s c o r r o s i o nt e s t si n d i c a t e dt h a tt h es e n s i t i v i t yo fs c c ( s t r e s sc o r r o s i o nc r a c k i n 曲o fa 3 5 6a l l o yw a s r e l a t i v e l yh i g h e ri nt h e3 5 n a c ia q u e o u ss o l u t i o n s ot h ei m p a c to fe n v i r o n m e n to nt h ef r a c t u r e s t r e n g t ho fa 3 5 6a l l o ym u s tb et h o u g h ta b o u ti ut h eu s eo fi t t h eo c c u r r e n c eo fs c c i nt h e “3 5 6 a l l o ym a i n l yl e df r o ma n o d es o l u t i o na n dh y d r o g e nb r i t t l e n e s st o g e t h e r t h ef r a c t u r eo fs c c s a m p l e sb e l o n g e dt oi n t e r c r y s t a l l i n ec r a c k i n g , o nw h i c hp l a s t i cd e f o r m a t i o nw e r en o tf o u n da n d c o v e r e dw i t hal a yo fo x i d ew h i c hw e r ep r o d u c e di nt h ec o u r s eo ft h es t r e s sc o r r o s i o n b u tw ec a n f i n dt h ec h a r a c t e ro fi n t e r g r a n u l a rc r a c ko nt h e mu n d e rs e m w h i l et h eo n eo fi g c ( i n t e r g r a n u l a r c o r r o s i o n ) w a sc o m p a r a t i v e l yl o w e ri ut h es o l u t i o nw h i c hc o n s i s t e do f5 7 9 l n a c i a n d 1 0 m u h a b u ti fc uo rf ew a sr i c h l yg a t h e r e di nt h ec o m p l i c a t e ds t r u c t u r eo fc a s t i n go rt h e i n t e r n a ls t r e s sc a m ei n t ob e i n gi nc a s t i n g , w h i c hi n c r e a s et h ea l l o yc o r r o s i o ns e n s i b i l i t yo fa 3 5 6 a l l u m i n i u ma l l o y , t b ep r o p e r t yo fc o r r o s i o nw o u l db eb a da n da r o u s ei tt os t r i pp a r t i a l l yo ra b s c i s e j nt h er e t i c u l a rf o r n la n de s a ( e n e r g ys p e c t r u ma n a l y s i s ) p r o v e di tt r u e k e yw o r d s ：a 3 5 6 1 6c a s t i n ga l u m i n u m ；m i c r o s t r u c t u r e ；f r a c t u r et o u g h n e s s ；q u a s i c l e a v a g e ；s c c ： i g c ；i n t e r g r a n u l a rc r a c k 西安工业大学硕士学位论文 学位论文知识产权说明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后。使用学位论文工作成 果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。学校有权保留送交的 学问论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 学位论文作者签名：蕊六冷 指导教师签名： 日期：岬。广2 ， 西安工业大学硕士学位论文 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师 指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含本人已申请学位或 他人已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了感谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名= 雪大单 指导教师签名： 日期：c 叼j 23 1 绪论 1 1 引言 1 绪论 目前世界民用飞机产业在大型干线飞机领域己形成波音公司和空中客车公司二强并 立并控制着整个世界市场的稳定局面。大型干线飞机作为航空交通运输的主体稳步增长， 而支线飞机则快速崛起，其增长势头将明显高于大型干线飞机。支线飞机的巨大市场潜力， 引起了飞机制造厂商的极大兴趣和激烈竞争。未来航空事业的发展，特别是民用涡扇支线 飞机的发展成为各国竟相发展的重点。我国为了参与世界市场的竞争，占有市场份额，也 积极研制开发颏型涡扇支线飞机。 作为新型涡扇飞机用材料a 3 5 6 合金，具有优良的铸造性能、热处理性能、加工性能、 良好的强度和韧性，良好的导热导电等性能，制造成本低廉等一系列优点，成为工业中广 泛应用的a 1 s i 系铸造合金。a 3 5 6 合金材料综合系统地研究其性能，对于铝产品的推广 应用和提高我国铝产业的竞争力非常重要，然而，二十世纪8 0 年代至今，国内对a 3 5 6 合金研究的重点主要集中在对其生产工艺、组织和力学性能的改进【l - 4 1 ，较少关注该合金 晶间腐蚀性能、应力腐蚀性能以及断裂韧性的研究。尽管国外不少学者如c a c e r e s 孓7 1 、s h a h 【8 j 和w a n 9 1 9 - 1 1 1 等人均在开展对a 3 5 6 合金的研究，但这些研究着重于化学成分、凝固条件和 热处理工艺等对材料性能的影响，少见进行其晶间腐蚀、应力腐蚀、断裂韧性的研究，为 此，本文对a 3 5 6 合金的晶间腐蚀、应力腐蚀、断裂韧性进行了深入地研究，对于确保飞 机的设计和使用安全性具有更为重要的意义。 1 2 铸造铝合金研究现状 自从电解铝技术获得应用以来，世界铝业得到迅猛的发展。由于铝合金密度小而比 强度高，在机械工业、汽车工业、航空航天工业等领域得到了广泛应用。目前铝合金以成 为最常用的工业合金之一。 随着现代工业的飞速发展，人们对铸件的可靠性和综合性能要求也越来越高。虽然 铸造铝合金因强韧性较差而使其应用范围受到较大限制，但与变形铝合金相比，铸造铝合 金具有价格低廉，组织各向同性，可获得特殊组织，易于生产形状复杂的零件，可以大批 量生产也可以小批量生产等诸多优点。因此，传统的铸造铝合金仍保持良好的发展势头， 替代部分变形铝合金以及以铸代锻，缩短铸造周期，降低铸造成本，是铸造铝合金未来的 西安工业大学硕士学位论文 发展方向。 铸造铝合金是用来铸造工程机械等铸件或其它制品、器具的一类铝合金。根据在铝基 体中加入的主要合金化元素，分为a 1 s i 系、a 1 c u 系、a i m g 系、a l - z n 系和a 1 - r e 系5 类【2 1 。 在常用铸造铝合金中，a 1 c u 系合金强度高、塑性和韧性较好，但铸造性能差，具体 表现在热烈倾向大、流动性较差、补缩困难、此外该系合金抗腐蚀性能较差，有晶间腐蚀 倾向。a 1 m g 系合金虽然具有优良的力学性能、高的强度、好的延展性和韧性，抗蚀稳定 性和切削加工性能好，但它的主要缺点是有裂纹倾向，易出现氧化夹渣，有自然时效倾向。 a 1 s i 系合金流动性好、收缩小、铸件致密、不易产生铸造裂纹，具有良好的铸造性能、 抗蚀性能和中等的切削加工性能，是比较理想的铸造合金，已成为制造业中最受重视的材 料之，但是相比较而言，a 1 s i 系合金力学性能不尽如人意，强度硬度一般，韧性较低。 目前a 1 s i 系合金被广泛研究，如合金元素对性能的影响、合金的熔炼铸造工艺以及热处 理工艺等，这些研究旨在进一步提高合金的性能，生产出优质铸件，以满足人们对铸件越 来越高的要求。 1 2 1 铝合金的强化方法 增加铝合金对位错运动的抗力叫合金强化，铝合金强化以加工强化和沉淀强化为重 点，丽其强化效果的判断则以锅合金材料在常温和高温下的强度和塑性指标为主要依据。 铝合金的强化方法很多，而且强化方法的看法也不一致。下面将铝合金强化方法细分为加 工强化、固溶强化、时效强化、第二相强化、细晶强化。在实际应用过程中往往是几种强 化方法同时起作用。 1 ) 固溶强化 溶质元素溶入基体的晶格中，使晶格发生畸变，从而提高对变形的抗力，这种作用称 为固溶强化。当溶质原子与溶剂( 基体) 原子的尺寸相差较大，并且溶质原子的溶入量较 多。晶格畸变也越大，其固溶强化效果也越好，例如：在各种铸造铝合金中以a i m g 合 金固溶强化效果最好，这是因为：镁元素与铝原子半径相差较大( 约1 3 ) ，而且镁在铝 中有较大的固溶度( 最大固溶度为1 4 9 ) 。因此，当多量的镁溶入时，固溶体的晶格就 产生较大的畸变，使其变形抗力增加。所有可溶性合金化组元甚至杂质都能产生固溶强化。 然而，单是这一种方法不能获得特别高的强度，不过其带来的塑性损失要比其它方法小。 固溶强化来源于溶质元素对位错的钉扎作用和增加位错运动的摩檫阻力，这种作用包 括位错与溶质原子间的长程交互作用和短程交互作用。固溶强化作用大小取决于溶质原予 浓度、原子相对尺寸、固溶体类型和电子因素。溶质原子与铝原子的价电子数相差越大， 固溶强化作用亦越大。进一步研究还表明，溶质原子与位错之间的相互作用，置换式固溶 体中比溶剂原子大的溶质原子，往往扩散到韧性位错线下方受拉应力的部位，而溶剂原子 小的溶质原子，往往扩散到位错上方受压应力的部分。由于溶质原子常被吸附于位错周围 2 西安工业大学硕士学位论文 形成溶质原子“气团”，此“气团”的形成，减少了位错附近的晶格畸变，降低了位错的能量 状态，使位错不易移动。为使位错带着“气团”或挣脱“气团”而运动，就必须施加更大的外 力，从而提高了合金的强度。 2 ) 时效强化 铝合金在高温加热淬火后变成过饱和固溶体，在一定温度下保温( 或在室温下长时间 放置) 而使其强度、硬度升高的过程，称为时效。用此方法来提高合金的强度，就称为时 效强化。合金具有时效强化特点的必要条件是：合金元素在铝合金中的固溶度应随温度降 低而减少，减少越多，淬火获得的固溶体的过饱和程度越大，时效强化效果也就可能越大。 但时效强化的高低，还与过饱和固溶体的分解析出强化相的特点有关。研究表明铝合金的 时效过程可分为四个阶段： a 溶质原子富集区( 即g p 区) 铝合金从高温淬火后形成的过饱和固溶体中，不仅溶 质原子是过饱和的，高温下由于原子热运动增加而增多的空位亦保留下来，即固溶体中空 位也是过饱和的。在各种铝合金中，g p 区的形态取决于溶质原子与铝合金直径的差别， 原子直径相差小时一般呈球状，相差大时成片状。 b ，g p 区有序化当增加时效时间或升高时效温度时，即形成g p 两相区，区中溶质原 子按定次序排列形成有序的晶体结构，它是时效过程中的第一个真正脱溶出来的中间过 渡相。 c 形成过渡相e7 在进一步时效时，脱溶过程也将进一步发展，而达到07 相的阶段。 d 形成稳定相0 时效后期合金中析出稳定相( m 9 2 s i ) ，0 ”相也具有正方晶格结构， 但晶格常数与铝基体相差很大，它与基体完全失去了共格关系，有明显的界面与基体分开 现象，弹性应变区也完全消失。 合金时效过程如下：其中g p 区指溶质原子富集区。它具有以下特点：在过饱和固溶 体分解初期阶段形成，形成速度很快，通常均匀分布；其晶体结构和母相过饱和固溶体相 同，并于母相保持共格关系；在热力学是亚稳定的。在多数合金系中g p 区具有直径急剧 长大的结果。0 ”的出现是随着时效温度和( 或) 时效时间的升高而出现的，它是g p 区 所产生的应力场，因而0 ”引起的时效强化效果大于g p 区的强化作用。当继续增加时效 时间或提高时效温度时，过度相0 ”转变为0 相。进一步提高时效温度和延长时效时间， 过度相0 继续长大，达到一定程度后，共格关系被破坏，过度相o7 转变为平衡相0 ，0 的成分为m 9 2 s i 。由于e 相完全脱离母相，完全丧失了与基体的共格关系，引起的应力场 显著减弱，故0 相的出现，意味着合金的硬度和强度显著下降。 3 ) 第二相强化 当铝中加入的合金元素含量超过其极限溶解度时，淬火加热时便有一部分不能溶入固 溶体的第二相出现，称之为过剩相。几乎所有的纯铝和铝合金，除口( a 1 ) 固溶体外均存 在第二相，产生第二相强化。铝合金的第二相分为三类：结晶时生成的尺寸为0 1 o 3 u m 的结晶相为第一类质点；在结晶时产生0 0 1 0 5 u r n 非共格弥散质点为第二类质点；时效 西安工业大学硕士学位论文 温度产生的为o 0 0 1 0 1 u m 共格时效相为第三类质点f 聆】。其中，第二类质点产生弥散强 化，第三类质点产生沉淀强化，第一类质点中的难溶相产生的强化称为异相强化。与其他 强化方法不同，异相强化的理论较复杂，机理亦不清晰。异相强化的第二相质点硬、脆、 较粗大，故合金塑性损失大，常温下不宜大量采用异相强化，但高温下效果十分满意。 在二元铝硅铸造铝合金中，其主要强化手段是通过过剩相强化。在铝硅合金中随着硅 含量增加，过剩相( 硅晶体) 的数量增多，合金的强度、硬度相应提高。当合金中硅含量 超过共晶成分时，由于过剩相数量过多以及多角形的板块状初晶硅出现，导致强度和塑性 急剧降低。所以二元铝硅铸造铝合金的硅含量一般不能超过共晶成分太多。 4 ) 细晶强化 在铝合金中添加微量合金元素细化组织是提高铝合金机械性能的另一种重要手段。细 化组织包括细化铝合金固溶体基体和过剩相组织。铸造铝合金中常加入微量元素( 变质剂) 进行变质处理来细化合金组织，提高强度和塑性。变质处理对不能热处理强化或强化效果 不大的铸造铝合金和变形铝合金具有特别重要的意义。例如在铝硅铸造铝合金中加入微量 钠、钠盐或锑作变质剂进行变形处理，细化组织，可以显著提高塑性和强度。同样在铸造 铝合金中加入少量m n 、c r 或c o 等元素能使杂质铁形成的板块或针状化合物a i f e s i 细化， 提高塑性。合金在外力作用下变形时，位错运动到晶界附近即停止，一般不能直接穿越晶 界。因为晶界上原子排列较紊乱，聚集较多的杂质原子，所以变形抗力很大；而且，晶界 另一边的晶粒具有不同的位相，对进一步滑移也有阻碍作用。晶粒越细，晶界面积越大， 每个晶粒具有不同取向的晶粒数目也越多，合金对塑性变形的抗力就越高。细晶粒合金不 仅强度高，塑性、韧性也好。因为晶粒越细，在一定体积内变形比较均匀( 因为粗晶粒时 对晶界附近的位错塞积比细晶粒更为严重) ，不致产生应力集中现象。另外，晶粒越细晶 界曲折越多，也不利于裂纹的传播，从而使合金在断裂前能承受较大塑性变形。因此，合 金在细化晶粒时具有较好的塑性和韧性。 1 2 2 铝合金的精炼工艺 合金精炼的目的主要是降低材料中气体的含量、减少夹杂物、控制杂质元素的含量。 气体、夹杂物和杂质元素的不利影响主要有：( 1 ) 生成一些不希望出现的相，如硬脆相， 低熔点相等：( 2 ) 偏聚于晶界，降低晶界强度；( 3 ) 降低材料的致密度和连续性，如气孔、 疏松；( 4 ) 产生应力集中，如膜状夹杂物。目前主要的铝合金精炼方法有：加入气体或固 体精炼剂、旋转喷吹、过滤精炼等。对于钢铁材料还采用了喂丝工艺精炼技术。 1 ) 向铝液中直接添加固体或气体精炼剂 熔炼铝合金常用的精炼剂有：氯气、氮气、六氯乙烷、光卤石、氯化锰、氯化锌、四 氯化碳等，起到气泡浮游法除氢的作用。向铝液中加入固体熔剂c 2 c 1 6 处理含气量较低的 铝液金属，目前来说是一种比较成熟的工艺，也是公认效果比较好的固体熔炼剂处理法。 当金属液含气量高时，除气率达到5 0 。但缺点是放出的气体有毒，对环境和操作人员 4 西安工业大学硕士学位论文 损害较大。此外，精炼变质一次处理剂如j g j 1 等，由于其发气量大、用量小、不易受潮、 不腐蚀坩埚、操作简便，在实际生产中越来越受到青睐。 2 ) 旋转喷吹熔剂法精炼 以n 2 、气体作为载体，加入少量的无公害精炼剂，用单管、多孔或旋转喷吹装置 及设备，进行铝液净化，是一种先进技术，在工业发达国家已广泛使用，国内也正在迅速 发展。 喷吹精炼技术，其依据动力学理论，透气性孔径、气泡频率与吹气速率之间有一定关 系。气泡频率越大，气泡越小、越多，去氢效果越好，但可归纳为2 条：铝液中的空隙率 和气液两相接触蕊积，如若空隙率和气液两相接触面积越大，贝f j 去氢动力学条件越好【1 4 】。 目前，生产中常用的喷吹装置有局部喷吹装置( 通过n 2 、a r 单管或多管吹头) 和剪 切力场的喷吹( 通n 2 、a ，的旋转喷头) 。根据气液两相理论，局部喷吹造成铝液上下大 循环对流，气泡卷流是一个正圆锥体，锥角随气流量而增加，液面中心突起，随每个气泡 的逸出而扰动，容易造成中心表面液体的氧化吸气，净化效果较旋转喷吹差。旋转喷吹 处理铝液技术是目前世界上先进的铝液净化技术。气体通过其高速旋转的喷头，以极细小 的气泡导入铝液，并通过高速旋转，将细小的气泡高度弥散分布在铝液中，空隙率大，且 气液两相接触面积大，大量弥散分布的气泡上浮将氢及夹杂物带至铝液表面，俪对液面 扰动不大，氧化吸气少，故明显提高净化效果。 3 ) 过滤精炼 过滤精炼由于净化效果好，对于重要的铝铸件是常用方法，此法是使铝液通过由玻璃 纤维或耐热金属丝制成的网状过滤器，来清除氧化夹杂，清除薄片状氧化膜或大块氧化夹 渣，效果很明显。过滤器结构简单，制造简便，可安装在坩埚中。采用先进过滤技术去除 金属液中的夹杂物及部分气体对提高铸件内在质量，提高合金的力学性能有很大的作用。 其中，国外也做了大量的研究报道【i5 1 。 1 2 3 铝合金变质工艺 a i s i 合金的力学性能与组织中的共晶体硅的形态紧密相关，a l s i 合金未变质处理 时共晶体硅以粗大的针片状形态出现。严重割裂基体，产生应力集中，从而使合金的力 学性能大为降低。变质处理是改变共晶体硅形貌、尺寸的过程即使共晶体硅由粗大的针 片状变成细小的纤维或层片状，变质后合金的力学性能，尤其是塑性和韧性得到明显提高。 在亚共晶a 1 s i 合金中，当s i 量大于6 时通常需要进行变质处理。变质可通过添加 变质剂( 细化) 或元素来实现，但常指前者。迄今为止已发现元素周期表中n 族的n a 、 k i n 族的c a 、s r ，镧系的l a 、e u 、p r 、n d 、c e 和混凝稀土，v a 族的s b 、b i ，v i a 族的 s 、t e 等均对共晶硅有不同程度的变质作用。其中n a 的变质效果最好，可获得完全纤维 状共晶硅，s i 、r e 次之，可获得纤维状加少量层状组织，而s b 、t e 等则只能获得层状共 晶硅组织，目前普遍采用的变质元素有n a 、s r 、r e 、p 和s b 。变质元素加入方式有纯金 西安工业大学硕士学位论文 属，中间合金和溶剂等。 使用金属n a 变质时，由于变质温度( 7 4 0 0 c 7 4 8 0 c ) 与n a 的沸点( 8 8 3 0 c ) 接近， 变质时易产生沸腾，使溶液飞溅，并促使铝液氧化吸气，操作不安全。其次n a 的密度小， 富集在铝液表面，变质不稳定。金属n a 的成本高，不容易保存，故在生产实践中多采用 n a 盐，但n a 和n a 盐变质的有效时间短，变质经过3 0 6 0 m i n 出现衰退现象，重熔即会 失效：而变质剂中的f 对坩埚腐蚀严重，腐蚀产物难以清理；变质不当容易产生夹杂、 气孔、过变质或变质不足等问题。s r 变质的效果仅次于n a ，它不仅对铝硅合金有变质作 用，对初晶硅口( a 1 ) 还有细化作用，研究结果表明【1 6 1 ：s r 变质具有常效性，达到最佳 变质效果前有一时间间隔；达到最佳变质s r 含量有一临界值，超过此值，变质效果变化 不明显；变质效果与组织细化有关，晶粒细化和变质相结合，可以得到好的效果，并且， s r 变质可以使合金强度提高2 0 ，伸长率提高2 3 倍【1 7 1 ，而且s r 不但可以改变硅的形 貌，还可以增加枝晶的数量，减小二次枝晶臂间距【1 5 - 1 9 | 。但其主要缺点是容易吸气，增加 针孔。此外不能与含氮、含氟的除气剂一起使用，否则，与锶发生化学反应，使锶损失。 r e 的变质效果还正处于研究阶段，有资料认为它难以获得理想的完全变质组织，在s r 变质的a l - s i 合金中加入r e ，在某中程度上削弱了s r 的变质效果，而另有资料表明r e 对铝合金变质有很好的长效性和重熔稳定性，吸气倾向小，无污染，操作方便，不腐蚀坩 埚等优点。t e 是铝硅合金一种良好的长效变质剂，能促使共晶硅以片状分枝的方式使硅 细化，这与p b 相似；p 可作铝硅合金的变质剂，可以细化初晶硅。现在的过共晶铝硅合 金活塞是用p 作变质剂；可根据不同的要求，配制不同的复合变质剂，r e 、b a 、p 复合 变质剂对z l l 0 8 合金来说有良好的变质效果。不仅能细化初晶硅，而且还能对共晶硅也 有良好的变质，并能使合金组织均匀。 近年来出现了复合变质技术。复合变质可以使变质作用相互重叠。相互弥补，使变 质效果大大增强。盂繁琴等人【2 q 研究发现稀土钡盐复合精炼变质剂变质精炼效果良好， 合金机械性能得到提高，不需要复杂的热处理工艺，溶剂基本无毒、反应平稳、改善了劳 动条件；西安理工大学的张冀粤等人1 2 1 1 用复合变质剡对a 1 s i 7 m g 合金进行了变质处理， 可获得良好的变质效果，且出生口( 越) 枝晶较细小，力学性能有较大提高。还有出现的 a i s t - r e 、r e s r 和碳酸稀土等复合交质剂都有良好的变质效果f 叨。 对于a l - s i 合金的变质机理有两种说法，核心说与生长抑制说【2 3 彩l 。s i 晶体属于面心 立方晶格，具有钻石结构，未变质的共晶硅呈粗大的板片状。近年来许多学者研究了共晶 硅的生长机制，共晶硅在生长时存在内部缺陷，并沿 方向择优生长成板片状，片状 共晶硅可通过小角机制和大角机制生长成孪晶。变质元素的原子在固液界面的吸附，改变 了a i s i 界面的共性特征，由小平面 p 4 , 平面共生变为小平面川、平面共生，使其硅相界 面接纳原子困难。从而消除了共晶硅生长的固有台阶，产生大量高密度的孪晶，变为 t p r e ( t w i np l a nr e e n t r a n t e d g e ) 生长机制，择优方向为 ，共晶硅呈纤维状。抑制共晶 硅的生长，需要有外来质点封锁其固有台阶，这些外来质点的最佳原子半径为o 1 9 6 n m ， 6 西安工业大学硕士学位论文 原子半径与此值接近的元素可作为a 1 s i 合金的变质剂口6 】。 对n a 、s r 变质机理的讨论还存在孪晶凹谷机制理论、界面台阶机制理论 2 7 1 。面对于 稀土变质，则建立异质形核学说、l 临界生长学说及变质共晶硅粗糙界面生长机制来解释， 但这些理论多有其不能解释部分，还待于进一步完善。 1 2 4 合金热处理 铝合金铸件的热处理就是选用某一热处理规范，控制加热速度，升到某一相应温度 下保温一定时间，以一定速度冷却，改变其合金的组织。其主要目的是：提高力学性能， 增强耐腐蚀性能，改善加工性能，获得尺寸的稳定性。一般来说合金热处理可以分为以下 几类： 1 ) 退火处理：将铝合金铸件加热到较高温度，保温一定的时间后，随炉冷却到室温 的工艺。在退火处理过程中固溶体发生分解，第二相质点发生聚集，可以消除铸件的内应 力，稳定铸件尺寸，减小变形，增大铸件的塑性； 2 ) 固溶处理：把铸件加热到尽可能高的温度，接近于共晶体的熔点温度，在该温度 下保持足够长的时间，并随后快速冷却，使强化组元在铝基体中最大限度的溶解，这种高 温状态被固定保存到室温，该过程称为固溶处理。固溶处理可以提高铸件强度和塑性，改 善合金的耐腐蚀性，固溶处理的效果主要取决于下列三个因素： a 周溶处理温度：温度越高，强化元素溶解速度越快，数量也越多，强化效果就越明 显，一般加热温度的上限低于合金开始过烧的温度，而加热温度的下限应使强化组元尽可 能多的溶入固溶体中。为了获得最好的固溶强化效果，而又不使合金过烧，有时采用分级 加热的方法，既在低熔点共晶温度下保温，使组元扩散溶解后，低熔点共晶不存在，在升 到更高的温度进行保温和淬火，固溶阶段选择合适的温度是十分重要的。 b 保温时间：是强化元素的溶解速度来决定的，这取决于合金的种类、成分、组织及 铸造方式和铸造的形状和壁厚。 c 冷却速度：淬火时给予铸件冷却速度越大，使固溶体自高温状态保存下来的过饱和 度也越高，从而使铸件获得高的力学性能，但同时形成的内应力也越大，使铸件变形的可 能也愈大。冷却速度可以通过选用具有不同的热容量、导热性、蒸发潜热、粘滞性的冷却 介质来改变，为了得到最小的内应力，工件可以在热介质中冷却。 3 ) 时效处理：将固溶处理后的铸件加热到某一温度，保温一定时间届出炉，在空气 中缓慢冷却到室温的工艺称为时效。时效处理进行着过饱和和固溶体分解的自发过程，从 而使合金基体的点阵恢复到比较稳定的状态。时效温度和时间的选择取决于对合金性能的 要求、合金的本性、固溶体的过饱和程度以及铸造方法等，所以对于不同的合金有不同的 热处理工艺。时效强化是铝硅类合金的主要强化手段，时效强化后合金的力学性能主要取 决于合金的微观组织。在试验中使用的合金，时效过程主要发生脱溶分解，产生沉淀相强 化。 7 西安工业大学硕士学位论文 1 3 铝合金的腐蚀 自2 0 世纪初铝合金问世以来，腐蚀问题就一直困扰着铝合金。纯铝是极耐腐蚀的， 但它的强度很低。用c a 、m g 、z n 等元素对铝合金进行合金化，虽能提高合金强度，但 在承受应力或是暴露在海水或工业性环境中，常常因腐蚀而产生破坏，给人们带来巨大的 经济损失【2 8 】。有关铝合金腐蚀问题的研究文献很多f 2 9 3 6 1 ，但大多数集中在高强2 0 0 0 系 ( a i c u 合金) 和7 0 0 0 系( a 1 z n - m g c u 合金) 铝合金的抗应力腐蚀的研究上，有关a 3 5 6 合金的腐蚀及机理研究的相关文献相当少。 根据腐蚀形态，腐蚀可分为：全面腐蚀( 均匀腐蚀) 和局部腐蚀。其中局部腐蚀又 可分为点蚀，晶间腐蚀、选择腐蚀、电偶腐蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳、湍流腐蚀和磨损腐 蚀等。 1 3 1 点蚀 点蚀是铝合金中常见的腐蚀形态。在大气、淡水、海水和其他一些中性和近中性水溶 液中都会发生点蚀。它是在整体看来处于钝态、耐蚀的情况下发生的局部腐蚀。大气中产 生的铝合金点蚀不及在水中产生的点蚀严重。试验结果表明，引起铝合金点蚀的水质条件 要具备以下三点：( 1 ) 水中必须含有能抑制全面腐蚀的离子，即能保持铝上屏障层( 保护 性薄膜) 的离子，如s 0 4 2 , s 1 0 3 2 和p 0 4 3 离子等：( 2 ) 水中必须有能局部破坏钝态的离子， 如c l + 的离子；( 3 ) 水中必须含有能促进阴极反应的氧化剂，因为铝合金在中性溶液中的 点蚀是阴极控制过程，阴极去极化剂的存在是必要的。点蚀产生的原因，一般认为是c l 的离子等破坏钝态的离子，在局部表面进入钝化膜，使钝化膜局部变质，生成a l ”离子； 释放的电子流到另外的地点为阴极反应( 旷或氧化剂的还原) 所消耗；生成的a l 计离子 同水中的o h 。离子结合成氢氧化物，使该处p h 局部降低，成为酸性，c l 离子更加富集于 此处，继续破坏钝化膜，形成蚀坑。这些蚀坑是沿一定晶面溶解而形成的。有些蚀坑可能 因扩散来氧而钝化，不一定都能长大。含c u 铝合金( 如a l - c u 合金) 耐点蚀性能最差， a 1 m n 和a 1 m g 合金的耐点蚀性能较好。对耐点蚀不好的合金，可采用包覆纯铝或a 1 m g 层( 制成复合板) 的办法来防止点蚀。 1 3 2 晶间腐蚀 在实际应用中产生晶间腐蚀的铝合金有a i c u ，a i c u m g 合金，a i - z n m g 合金及含 m g 大于3 的a 1 - m g 合金。这些铝合金的晶间腐蚀是由于不适当的热处理引起的。晶间 腐蚀敏感性较大的是a l c u 合金、越一c u - m g 合金和a 1 - z n - m g 合金。当触c u 合金和 a l - c u - m g 合金因热处理而在晶界上连续析出富铜的c u a l 2 相时，晶界产生贫铜区，c u a l 2 相与晶界贫铜区组成腐蚀电池，晶界贫铜区为阳极，发生腐蚀，即晶间腐蚀。a 1 m n 合金 8 西安工业大学硕士学位论文 或a 1 m g s i 合金的析出相m n a l 6 和m 9 2 s i ，因电化学性质同合金基体相近，故没有晶间 腐蚀倾向。但如果a 1 一m g s i 合金中硅与镁含量的比值大于形成m 9 2 s i 相所需比值时( 有 过剩硅) ，则使合金产生晶问腐蚀倾向。具有晶间腐蚀倾向的铝合金在工业大气、海洋大 气中，或在海水中，都可能产生晶间腐蚀。晶间腐蚀限制在晶界区域，肉眼可能看不见。 晶间腐蚀扩展速度比点蚀扩展速度快，由于氧化和腐蚀介质在狭窄的腐蚀通道传输困难， 它的腐蚀深度有限。当向深处侵蚀停止时，晶间腐蚀就向整个表面扩展，而点蚀的地点往 往是不连续的。 1 3 3 剥落腐蚀 剥落腐蚀( 剥蚀) 是铝合金形变材料的一种特殊腐蚀形态，腐蚀结果使形变材料表面 象云母似的一层一层剥离下来，从其形态上有称为层状腐蚀。剥落腐蚀以a 1 一c u - m g 合金 发生最多，a i m g 系、a i - m g s i 系和z n m g 系合金也有发生的，但a l - s i 系合金不发 生剥落腐蚀。剥落腐蚀多见于挤压材。采用牺牲阳极对合金进行阴极保护，能有效地防止 剥落腐蚀。 剥落腐蚀发生在具有高度方向性的晶粒组织中，它的扩展方向平行于金属表面。它是 种十分有害的腐蚀方式，因为它迅速地剥离未腐蚀的金属降低承载能力。这种剥离行为 继续腐蚀暴露的自由金属层，因此它的腐蚀速率没有限制。剥蚀一般以近乎线形的速率进 行。剥蚀是在拉长的晶粒、敏感的晶界条件和相当恶劣的环境下发生的。最有破坏性的自 然环境是含有高浓度的氯离子，如防冻盐和海洋大气，应力的有无影响不大。 1 3 4 应力腐蚀 铝合金的应力腐蚀( s c c ) 的产生需要有三个条件：( 1 ) 必须是敏感合金，如a l c u ， a 1 c u m g ，a 1 - z n m g ，a 1 - z n m g c u 等，c u 、m g 和z n 含量较高的高强铝合金大多属于 这类合金；( 2 ) 需要有特定的环境，即腐蚀介质，如海水，潮湿空气和工业大气等；铝合 金通常在大气中使用，特别是近海岸的大气和海水中常发现应力腐蚀破裂。温度和湿度越 离，c l 。离子浓度愈高，p h 值愈低，则应力腐蚀敏感性愈大。( 3 ) 必须有拉应力，它可以 是外加的，或是加工和热处理过程中的残余应力，也可能是腐蚀产物的“楔子”作用造成裂 纹尖端的拉应力。当应力方向与铝合金变形方向一致时，应力腐蚀破裂敏感性最小；而当 应力方向与合金板厚度方向或径向一致时，敏感性最大。 防止铝合金应力腐蚀破裂的方法有：( 1 ) 进行适当的热处理，尽量保持强度水平的 条件下改善耐应力腐蚀破裂性能。( 2 ) 合金化即加入微量钼、锆、钒、铜、钼和锰等，对 耐应力腐蚀破裂性能有不同程度改善，同时不影响合金强度。( 3 ) 消除张应力( 例如进行 离温过时效) 或赋予表面压应力都是有效的方法。( 4 ) 如包铝、喷锌、阳极氧化处理等。 9 西安工业大学硕士学位论文 1 4a 3 5 6 铸造铝合金研究和发展现状 1 4 1a 3 5 6 合金的时效析出特性 a i m g s i 系合金，主要合金元素s i 、m g 以及微量的m n 、c r 等元素。由于组元间不 形成三元化合物，由a i m g s i 伪二元系将a l s i m g 三元相图分成a i m 9 2 s i s i 和a i m 9 2 s i m 9 2 a 1 3 两个伪三元系( 见图1 1 ) ，其三元共晶温度分别为5 5 9 0 和4 4 8 0 。在每个三元系 中，铝都形成固溶体( 一边与s i 和m 9 2 s i