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改良铸造铝硅合金耐腐蚀性能及磨料磨损性能的研究 摘要 以z l l 0 1 为基础，采用合金化原理添加c u 、n i 、v 、和i 砸元素， 通过正交试验设计出最优方案制备试样，根据各试样的力学性能以及正交 试验结果的分析，确定改良铸造铝硅合金的优化成分方案，并制备改良铸 造铝硅合金材料。 通过与传统z l l 0 1 铝硅合金对比表明，改良后合金力学性能明显提高， 改良后合金组织晶粒细化，共晶硅相呈细小圆形质点状，颗粒较均匀地分 布在晶界处。室温组织由伐( a 1 ) 固溶体、共晶硅、a 1 2 c u 、a 1 7 ( f e s i ) 3 、 a 1 6 c u 3 n i 和砧x v 3 c u r e 组成。 在此基础上，本文分别通过浸渍腐蚀、电化学腐蚀试验，冲击磨料磨 损试验，研究了改良铸造铝硅合金的耐腐蚀性能和耐磨料磨损性能。 试验结果表明，在酸、碱、盐腐蚀介质中，热处理态改良合金、铸态 改良合金和z l l o l 的腐蚀失重，腐蚀速率依次增大，腐蚀形貌依次恶化。 在3 5 n a c l 溶液体系中，热处理态改良合金的e 产一6 2 3 1 4 m v ，铸态改 良合金的e c o ，一6 3 8 0 4m v ，z l l 0 1 的e 。o 玎= 一8 1 9 2 0m v ，e c o 玎值依次越负。 i c o 仃的变化规律与e 盯相反，分别为：0 0 0 6 6 4 4 4m a ，0 0 2 0 0 6 5i i a ，o 0 2 0 9 4 5 n 认。各合金的e c 。仃、i 盯和塔菲尔曲线分析结果表明，热处理态改良合金 和铸态改良合金的耐腐蚀性能均优于z l l 0 1 。 冲击磨料磨损试验同时表明，改良合金的磨损失重量、体积相对磨损 率均小于z l l 0 1 ，且磨面磨损均匀，微凸点割裂基体程度较轻，无裂纹出 现，磨料磨损性能优于传统z l l o l 铝硅合金。 关键词：铸造铝合金改良合金耐蚀性能磨料磨损性能 r e s e a r c ho fm o d i f i e d a l s i m gc a s t i n ga l u m i n u m a l l o y sa b r a s i o nw e a r p r o p e r t ya n dd e c a yr e s i s t a n c e a b t r a c t t h eb a s i so ft 1 1 ez l l 0 1 ，a l l o y i n gp r i n c i p l eu s e dt oa d dc u ，n i ，v ， ma n dr ea l l o y i n ge l e m e n t s ，t h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g nt h e o p t i m a ls a n l p l ep r e p a r a t i o np r o g r a m s ，a c c o r d i n g t ot h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fs 锄p l e s ，t h ep e r f o m a n c eo fo r t h o g o n a lt e s to p t i m i z a t i o n a n a l y s i s t od e t e m i n et h e o p t i m a lc o m p o s i t i o np r o g r a mt op r 印a r e i m p r o v e dc a s ta l u m i n u ma l l o ym a t e r i a l c o m p a r e dw i t ht h ez l 1o1 a l l o yb a s e do nt h ei m p r o v e dr e s u 垴 s h o w e dt h a tt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e si m p r o v e ds i g n i f i c a m l yi m p r o v e d ； i n l p r o v e da l l o y 伊a i nr e f i n e m e n t ，e u t e c t i cs i l i c o np h a s em s m a l lr o u n d p 抓i c l e s ，、v e r em o r ee v e n l yd i s t r i b u t e dn e 栅o f k 1 i l ( e 铲a i nb o u n 锄e s a r e rm et i s s u ew a ss t r e t c h e da tr o o mt e m p e r a t i l r e ：q ( a 1 ) s o l i ds o l u t i o n ， e u t e c t i c s i l i c o n ， a 1 2 c u ，a 1 7 ( f e m n s i ) 3 ，a 1 6 c u 3 n i a n da l x v 3 c u r e c o m p o s i t i o n t h i sp a p e rb yd i p p i n gc o n ? o s i o n ，e l e c t r 0 c h e m i c a lc o r r o s i o nt e s t ， i m p a c ta b r a s i v ew e a rt e s to f 锄i i n p r o v e dc o m s i o n r e s i s t a ma l l o y sa n d a b r a s i v ew e a rr e s i s t a n c e i n i m m e r s i o nc o r r o s i o nt e s t ss h o w e d 廿l a t ：i i l a c i d ，a l k a l ia n ds a l t c o r r o s i o nm e d i u m ，t h ei m p r o v e m e n to f + h e a tt r l 孝a t m e n ta l l o y ，i m p r o v e d c o n - o s i o nz l1o1 a l l o ya n dw e i g h tl o s s ，c o r r o s i o nm t em t u md e c r e a s e s ； f o l l o w e db yd e t e o r a t i o no ft h ec o r r o s i o n m o 叩h o l o g y e l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o nt e s t ss h o w e dt h a t ：i n3 5 n a c ls o l u t i o n s y s t e mo fe c o 玛i m p r o v e dh e a tt r e a t m e n ta l l o y ( 一6 2 3 14 m v ) ，m o d i f i e d a l l o y ( - 6 3 8 0 4m v ) a n dz l 1o 1 ( - 8 19 2 0m v ) ，i no r d e r ，t 1 1 em o 诗n e g a t i v e ； i c o r rc h a n g er u l ee c o r ro nt h ec o n 咖 n a m e l y ： o 0 0 6 6 4 4 4m a ， o 0 2 0 0 6 5m a ，o 0 2 0 9 4 5n a c o n s o l i d a t et h ea l l o ye c o 玛i c o r ra n dt a f e l c u r v e sc o n c l u d e d 廿l a ti m p r o v e dt r i ：a t m e n t a l l o y s ，i r n p r o v e dc o r r o s i o n r e s i s t a i l c eo f t h ea l l o ya r et h ez l l 0 1 i m p a c ta b r a s i v ew e a rt e s t ss h o w e dm a t ：t h ew e a rw e i 曲tl o s so f m o d i f i e da l l o y ，t h ev 0 1 u m ew e a rr a t ei s r e l a t i v e l yb e t t e rm a nz l lo 1 ； m o 巾h o l o g ) ro nt 1 1 e 、张a ra n dt e 2 u r ，w e a ra n dt e a rt h a nt h ez l l 0 1a 1 i o y m o d i f i e du n i f o m ，c o n v e xp o i n _ t s s 印a r a t i n gt h es u b s t r a t et 0al e s s e r e x t e n t ，e m e 唱e dn o ta sz l 1o1c r a c k s ，a b r a s i v ew e a rp e r f i o m a n c ei nt h e z l l 0 1 k e y w o r d s ： c a s ta l u m i n u m a l l o y c o r r o s i o nr e s i s t a n c e i m p r o v e d p e r f o n 】n c eo fa b r a s i v ew e a r 改良铮造铝硅舌喧对囊| 1 虫性能a j i 捌u 损性能的研究 1 1 引言 第一章绪论 随着航空、汽车工业等科学技术的迅速发展，铝合金的应用也越来越广，对 铝合金铸件的可靠性、耐腐蚀性以及抵抗磨料磨损等性能要求也越来越高，提出 了新的要求。随着新型加工技术的发展，铝合金的性能有了比较大的提高，但新 技术生产应用有一定的局限且成本高，技术性强以及过程复杂等缺点。因此，对 传统的铝合金进行改良，在保持原有优良性能的同时，进一步提高其综合性能有 着重要的意义，也是铸造铝硅系合金的发展方向。 在有色金属中，铝及其合金在现代工业，尤其是高科技工业，航空、包装装 饰，交通运输等领域已成为不可或缺的主要材料。目前，全世界的汽车保有量已 超过7 亿辆，其中8 0 为轿车产品。随着汽车工业的发展，越来越多的轿车使用 铝合金零部件，替代原有的钢、塑料等传统材料零部件。减轻车身重量、材料的 循环再生和绿色制造是汽车材料的发展重点。汽车车身( 约3 0 ) 【1 1 、汽车发动机 ( 约1 8 ) 、汽车传动系统( 约1 5 ) 、汽车行走系统( 约1 6 ) 、汽车车轮( 约5 ) 等 零部件占车重比例非常大，人们正积极研究这些钢零部件的铝合金化。美国资深 汽车工程师d a v i ds c h o l e s 预测：未来轿车上的每个零件都有可能用铝合金来生 产，未来的1 0 1 5 年会有越来越多用铝合金制造的汽车，并且铝合金制品完全可 能比塑料轻1 2 j 。 目前汽车上的铝合金结构件仍然以铸件为主，铝铸件约占8 0 左右，大多 用以制造发动机零部件、缸体、缸盖、变速器壳、铝合金活塞等。汽车铝合金材 料用量增加后有明显的效益：( 1 ) 明显减轻车身重量。( 2 ) 大气污染减少，空 气质量提高。( 3 ) 油耗降低，节能效果明显。( 4 ) 整车结构可靠、显著提高平 稳性和舒适性。( 5 ) 再回收性能好，整车老化或报废后，车身铝合金构件可循 环再生。 1 2 铸造铝硅合金凝固与形核长大 铝硅系合金的凝固属于共晶凝固类型【3 】，根据成分以及凝固条件的不同，一 般得到亚共晶组织和共晶组织混合体或全部共晶组织。对于其凝固的具体过程， 研究者做了很多理论和实验工作降卯，得出其凝固的大体特征，即：铝硅系二元 合金和f e c 二元合金同属于小面类型的共晶合金，理论上，s i 系合金应该形 成共晶( 团) 晶粒。 p 、 瑙 霸 ， 图l - 1a l - s i 系合金相图 f i g 1 - lp h a s ed i 璎弦mo f a l s is y s t e m 根据图1 1 可知，a l - s i 合金凝固为典型的共晶类型，s i 为合金主要成分， 其成分范围在4 1 3 ，5 7 7 共晶点处，s i 含量为1 1 7 ，此时s i 在铝中的溶 解度为1 6 5 ，随着温度的降低而减少，在室温下仅为0 0 5 。共晶反应为 l 一0 【+ p ，a 为铝基固溶体，p 为硅基固溶体。砧s i 系合金若未进行变质处理， s i 呈粗大针状存在，对基体有割裂作用，严重影响各项异性，不能作为生产零件 的材料使用。 由于削- s i 合金凝固后得到的组织通常是共晶与亚共晶形式，属于连续形核 类型。根据r a p p a z 旧等人提出：连续形核凝固，形核数的变化d i 以( t ) 满足某 概率分布，即高斯分布： 志= 舞去唧畦訾，( 札z ) 2 改良铸造铝硅合金对腐蚀扫j 眨a j 御喀损佳能的研究 得到形核总数： n ( 竹) - 褂( d 拭1 - 2 ) 式中：t 一一合金最大形核过冷度 to 一标准方差过冷度 nm 觚一最大形核数 根据r a p p a z 模型便可大致估计a 1 s i 合金凝固形核数及所需过冷度参数。 宏观上，舢s i 合金凝固所得宏观组织由激冷晶区、柱状晶区和等轴晶区组 成。微观上则由共晶成分，a ( a 1 ) 固溶体、p ( s i ) 以及伪共晶和过共晶组成。 由传统理论可知，当高温金属液浇注到模具后，在接触面会受到强烈的激冷，过 冷度大，容易形成表层细晶区，即激冷晶区。根据理论和实验可知，影响表层细 晶形成因素主要有：浇注成分、浇注温度、模具材料及预热温度、模壁表面情况 以及对流等。柱状晶是随着浇注的进行，由表层细晶向内生长而成，当内部等轴 晶形成时，柱状晶生长即结束。根据c h a l m e r s 、j a c k s o n 和s o u t h i n 【7 咧以及大野 笃美【1 0 】等人的研究结果，中心等轴晶是由熔体内部晶核自由长大的结果，影响因 素有：合金成分性质、浇注温度、金属液形核能力、所处环境等。 微观上，s i 相为未变质a 1 s i 合金固液界面的领先相，突出界面并伸入液相 之中，由于s i 领先独立长大较快，在其整个生长过程便可溶入共晶相或枝晶 q ( a 1 ) 固溶体相，因此得到最后组织为多种成分组织。 1 3 铸造铝硅合金研究现状 铸造铝硅合金中的强化相m s i 由格伊列尔在1 9 1 5 1 9 2 1 年发现，而且其通 过实验，数据计算等手段画出了合金相图，从而揭示了添加合金元素及析出相对 合金性能的基本作用。研究表明【l 卜1 5 】，在众多合金元素中，m g 能比较明显提高 铝硅系合金的抗拉强度、屈服强度和硬度，但过多的m g 会降低伸长率。m g 与 s i 经热处理强化生成m s i 沉淀相，m s i 相在a ( ) 固溶体中最大溶解度 ( 5 9 5 ) 是1 8 5 ，有效地提高了合金的性能。最新研究表明，m g 可抑制f e 相 的有害作用。f e 的含量较低时，m g 与s i 仍形成m s i 相，当含f e 量增加时，可 形成a 1 2 f e 2 s i 2 m g 化合物，从而减少f e 的危害。 改蠢：碉陋t 铝硅名套嗣r 詹蚀性能a j 栅嵋鼻损挂_ j 屯的研究 通过合金成分的改良、优化，改变合金组织结构，提高合金综合性能。在 这方面，国内外科技工作者做了大量的研究，如美国铝公司( 刖c o a ) 根据合金元素 的作用和资源、价格等方面的因素，选择铝和c r 、n i 、c o 及c e 六种元素 组成的六个二元系和十五个三元系进行了系统研究，最后合金成分确定为 灿8 f e - 4 c e ，并发展成为实用化的高性能铝合金【1 6 1 。日本近年也研究开发了 a 1 1 也系列高性能铝合金等。 1 4 铸造铝硅系合金耐腐蚀性能及研究现状 1 4 1 铸造a 1 s i 系合金耐腐蚀性能的组织影响因素 材料的腐蚀不仅增加材料使用量，亦增加材料制造所需要的能源消耗，增 加冶炼过程的有害气体排放等。铸造铝硅系合金各种性能较为突出，使用最为广 泛的有色金属材料，对其耐腐蚀性能进行研究有着十分重要的意义。 在铝合金材料或结构件中，发生腐蚀以及由此引起相关破坏的形式主要取决 于材料的成分、组织结构、构件形式、所处的环境及受力状态等。这几种破坏形 式彼此之间有内在的联系，如均匀腐蚀会使金属变薄，造成力学性能下降，同时 可能会引发磨损腐蚀等，而坑蚀的产生往往会发展成晶间腐蚀或者剥蚀等。传统 观点保证铸造铝合金耐腐蚀性能主要依靠高的含m g 量，如z l 3 0 1 ( m g 约 l o ) ，但高的m g 会带来诸多问题，如：铸造性能下降，熔炼时夹杂、针孔和 偏析增加等f 1 7 1 引。而s i 与m g 形成m s i 析出相，随着m g 含量的下降，s i 含 量必然要与之形成一定比例，不然s i 相过量同样有害于合金性能，因此，工业 应用大多是综合性能较好的低镁低硅的越m g s i 系。 、 铸造a l m g - s i 合金的耐腐蚀性好坏关键在于合金中的m s i 年s i 的数量与分 布状态。根据其相图可知，m g ：s i = 1 7 3 ，合金成分为a ( m ) 固溶体和m s i ， 随着s i 的继续加入，会出现q ( 触) + m s i + s i 组织，合金强度增加但耐腐蚀性 下降，点腐蚀倾向加剧，所以控制m 卧s i 总量和比例是得到良好耐蚀性能的主 要因素。 4 改良铸造铝硅合金r 囊| 鱼性j 莨a j 御喀损性能的研究 1 4 2 铸造s i 系合金耐腐蚀性能的研究现状 1 8 世纪末，k e 社1 9 】比较全面论述了f e 在h n 0 3 中发生钝化，奠定了金属腐 蚀系统研究的基础，发展至今，已形成较为科学的腐蚀理论体系。铝合金的腐蚀 研究，近年来得到国内外学者的重视【l i ，1 3 州加五3 1 ，研制出多种耐腐蚀性能优异的 铸造铝合金。 纵观其研究与应用，从成分变化角度上，从单纯的高镁朋m g 系、降低m g 再加s i 、m n ，再到高镁m g 系辅加z n 、b e 、t i ，以及采用中硅低镁的灿s i m g z n 系，现在国内外已研制出性能较好的低镁低硅灿m g s i 系合金。如：美国 烈c o a 铝业公司开发的6 0 1 3 合金具有很优异的耐腐蚀性能，日本的川崎重工业 株式会社开发了一种飞机用高强度耐腐蚀铝合金，美国的b e r g s i n a 和k 嬲s n e r 等 研制了一种新型铝合金a a 6 0 6 9 ，亦有很好的耐腐蚀性能。国内学者对铸造铝合 金耐腐蚀也进行了较为深入的研究：周华，张林和【1 4 1 5 1 等人将m n 、c r 、s i 以中 间合金的形式加入，镁以纯金属形式加入，并采用专用变质剂细化晶粒制取 纵s i m g 铸造合金，通过中性盐雾腐蚀试验，恒应变速率拉伸( c e r t ) 应力腐 蚀试验对触s i m g 铸造合金耐蚀性能进行研究，结果表明，s i 含量在2 0 3 o 范围内变化，无明显影响，s i 超过3 o 后，耐蚀性变差。有不少学者【2 4 】 对3 ；5 n a c l 水溶液环境下的a 3 5 6 t 6 抗应力腐蚀性能，合金的应力腐蚀机理 进行的研究表明，在3 5 n a c l 水溶液中，a 3 5 6 t 6 由于阳极溶解和机械损伤共 同作用，造成穿晶脆断，应力腐蚀开裂，腐蚀敏感性较高。官素珍，赵敏寿【2 5 】 等人用动电位扫描法，研究了添加稀土元素对铝锰和铝镁两种合金体系的小孔 腐蚀，均匀腐蚀和大气腐蚀性能的影响。实验结果表明，添加稀土元素后使其金 相组织均匀、细化、并且能降低合金中杂质的不良作用，还可能产生一种稀土铝 合金新的化合物，形成致密的表面层，添加适量稀土元素后，铝和铝合金材料的 耐腐蚀性能有明显的改进和提高。何国强，曾建民，郭世平【2 6 】等人采用电化学腐 蚀试验和浸泡腐蚀试验研究了铸造铝硅合金在3 5 n a c l 溶液中的腐蚀行为，结 果表明，试验合金的自腐蚀电位向负向移动，腐蚀电流密度增加，z l l l 4 合金的 腐蚀从硅相及晶间处优先开始，以点蚀为主，加入合金元素降低了z l l l 4 的腐蚀 性能，其中z n 影响较大。何立子，张晓博，孙秋霞【2 7 】等采用半连续铸造方法， 在a 1 1 m g - o 8 5 s i 合金基础上，将c u 含量从0 5 变化至1 8 ，且控制杂质 改良碉陋生铝硅合金耐腐蚀a j 眨a 麝御嵋摹损口_ j 眨的研究 f e 的含量在0 1 左右制得试样。通过浸泡和电化学腐蚀试验研究了c u 含量的 改变及不同时效制度对m g s i 合金晶间腐蚀敏感性的影响，研究表明：峰时 效晶间腐蚀最严重，欠时效次之，过时效无晶间腐蚀，只有点蚀。随c u 含量增 加，合金中阴极相c 删2 数量增多，合金晶间腐蚀敏感性增大。 1 5 铸造铝硅系合金磨料磨损性能及研究现状 磨料磨损是指由于硬颗粒或硬微突体的作用而造成物料转移所致的磨损。 磨损是材料使用过程中不可避免的问题，材料的耐磨损性磨料能与材料本身组织 性能有着密切的联系，研究表吲2 8 。2 9 】，材料的强度，硬度，断裂韧性是决定其耐 磨料磨损的主要因素。 随着现代科技的发展，铝合金在各个领域得到了广泛的应用，因此，对其耐 磨料磨损性能进行研究有着重要的意义。铸造a 1 s i 系合金广泛用于制造飞机、 汽车、工程机械的零件以及整体框架，使用过程中的磨料磨损不可避免，而决定 其耐磨性能的主要因素为其本身强度和硬度。在铸造越s i 系合金中，合金强化 与析出相强化是其主要的强化手段，即合金元素s i ，m g 和析出相m s i 决定 s i 系铸造合金强度硬度。 1 5 1 强化相对础s i 合金的影响 铝硅合金凝固组织主要是共晶和过共晶成分。s i 晶体是具有金刚石结构的面 心立方晶格，未变质时，初晶硅呈粗大板状，板块与板块之间的结合力很弱，力 学性能和切削加工性能均较差，伸长率在l 以下，拉伸强度也只有1 0 0 m p a 左 右，使用价值有限。当硅含量超过共晶成分时，由于过剩硅提高铝固溶体的过饱 和度，也增加了时效期间g p 区的密度，因而提高了时效硬化效应，但在组织中 出现大量的层片状共晶硅和多角形或块状的初晶硅相，它们严重割裂基体，使塑 性急剧降低。通过变质处理，可使其存在形态得到较理想的组织，即：晶粒得到 细化，在基体上均匀地分布着一定数量的颗粒状初生硅相和短棒状共晶硅相，加 强与基体的结合，同时提高合金的硬度，这样既能保留基体良好的韧性，又能充 分发挥初生硅相和共晶硅相的增强作用。 此外，m g 同样是a 1 s i 合金主要强化元素。由位错理论可知，合金时效强 6 改奠铸嗣l 铝硅圣分耐庸蚀性能a 掘u 损髓j 电的研究 化硬化主要是由于基体中的位错与析出相之问的交互作用引起的。m g 与s i 经 热处理强化形成m s i 沉淀相弥散分布，几乎不影响基体相的连续性，不致造 成明显的应力集中，因此，m s i 时效析出硬化相对合金室温强化效果相当显著。 1 5 2 铸造铝合金耐磨料磨损性能研究现状 随着现代工业和铸造技术的发展，铸造铝合金在诸多领域得到应用，因此， 对铝合金的特殊性能要求越来越高，如高比强度，优良耐腐蚀性，以及良好的耐 磨损性。 国内外对铝合金的耐磨性能研究做了大量的工作，由于铝本身比较软，所以 大多数的研究都是对铝合金表面进行改性或者结合其他硬质材料，通过一定技术 研制复合铝合金基材料，以提高耐磨损性能。【日】出崎亨，后藤保明等【3 0 】通过采 用增加s i 粒子直径和合金硬度及减少s n 添加量等技术，在铝合金轴承中作为硬质 物的s i 的大小，设定平均粒子直径5 5 “m ，合金硬度5 3 h v 的开发材料，显示耐磨 性为以前材料的3 4 倍。m m b e r l a l ，h k s h i v a n a n d 【3 1 】等人制备出以烈6 0 6 1 为基体，s i c 颗粒为主的混杂增强铝基复合材料，分别进行1 7 小时的时效处理。 在销盘磨损试验机上进行实验，数据表明，时效时间越长材料的抗磨损性能越好。 许广济，丁雨田，陈体军【3 2 】采用压力浸渗法对a 1 2 0 3 s i 0 2 f z l l o l 复台材料与 g c r l 5 对磨时的磨损性能进行了实验研究，并用s e m 分析和观察了磨损表面的成 分、形貌、次磨面的变形特征等，进而对该材料的磨损机理进行了分析。结果表 明：随着a 1 2 0 3 s i 0 2 禽量的增加，复合材料的耐磨性能提高，减摩性能降低；在 相同条件下，复合材料的耐磨性能远远优于z l l o l 合金的；在磨损过程中，转移 到复合材料磨面上的对偶材料的量随a 1 2 0 3 s i 0 2 f 含量的增加、载荷的增大或磨损 时间的延长而增加；z l l 0 1 合金的磨损主要以严重犁削或严重剥离为主，而复合 材料则以轻微犁削、粘着或剥离为主。张世琼，苏云生【2 9 】等通过优化设计合金成 分及组织，向合金中加入了c u 、z n 、m g 、m n 、t i 、r e 、b 等元素，达到到细化 晶粒，改善组织、减少杂质等作用，合金的硬度值得到明显提高，耐磨性也相应 增加。合金熔炼之后经t 6 处理，其强度、硬度、塑性和耐磨性，都远超过传统铸 造铝合金z l l 0 8 。 近年来有相关报道，通过日本、美国、澳大利亚的公司的鉴定，由c o i i l l c o 7 改奠：饲遣甓；鼍 台食对曩| 饿性能刀u 捌u 摹损性能的研究 有限公司研制的一种耐磨铝合金可以生产轿车全铝发动机。c o i i l l c o 经理 d r d a v i ds i l l i l 表示，3 h a 铝合金比现有的耐磨铝合金好，可以制成不经特殊表 面处理的耐热和耐高磨损的发动机气缸。 1 6 研究的意义、课题的来源和主要的研究内容 1 6 1 研究的意义、来源 铸造a 1 s i 合金在铸造铝合金系列中使用量最大，应用范围最广，而且灿s i 系合金本身性能较好。近年来铝合金在工业领域特别对轻量化要求较高，成型性 能较好的行业，如家电制造业、汽车工业、航空航天等得到广泛应用，用于替代 其它材料( 如铸铁，钢、塑料等) ，是实现航空器、地铁、列车、汽车等节能化， 轻量化的有效途径【3 3 1 。由于使用铸造铝合金制造的构件使用范围广，为数不少的 构件常常在充满腐蚀介质环境工作，时刻都可能受到各种各样的腐蚀和磨损。因 此，对制造构件的铸造a 1 s i 合金的耐腐蚀性能和抵抗磨料磨损性能以及蠕变抗 力方面提出更高的要求【3 4 j 。 以往对于铸造舢s i 合金的耐蚀性的研究一般都停留在如何在合金表面形成 性能较好防腐膜或者是如何对表面已有防腐膜性能的提高上。而有色金属材料的 磨损性能也大多是如何对表面进行改性以提高摩擦性或者在静载荷下的磨损性 能。本课题在铸造m s i 合金的基础上运用数学分析方法，通过添加不同的合金 元素，对传统铸造a 1 s i 合金进行改良，从本质上提高了合金的综合性能，并对 其耐腐蚀性和磨料磨损性进行研究，明确其使用范围，为使用该合金制造有特殊 性能要求的构件提供理论参考和实验数据。 本课题是广西自然科学基金资助项目高性能触一s i m g 系铸造铝合金 的研究开发的一个子项目。合同编号为：桂科基0 7 3 1 0 0 9 。项目类别：应用基 础研究专项。 1 6 2 研究的主要内容及路线 本文研究的主要目的是通过探讨改良铸造越s i 合金的耐腐蚀性能和抵抗磨 料磨损性能，为进一步提高改良铸造a 1 s i 合金的整体性能提供实验数据和理论 8 改良镑造餐 硅舌q 鼍r 曩h 虫性能夏毫御嵋损性能的研究 依据。课题研究内容大致可以归结为以下几个方面： ( 1 )以传统铸造铝硅合金为基础，适当添加c u 、n i 、v 、m n 等合金元素 以及稀土元素( r e ) ，通过正交实验得出改良铸造舢s i 合金的成分及 制备工艺； ( 2 )与z l l 0 1 作比较，检测改良铸造舢s i 合金材料在酸液( 硫酸) 、碱 液( 氢氧化钠) 、盐液( 氯化钠) 中的不同温度( 2 5 和8 5 ) 耐腐 蚀性能； ( 3 )进行电化学腐蚀试验，自腐蚀电位、塔菲尔曲线的的测定，分析改良 铸造a l s i 合金耐腐蚀性能； ( 4 ) 分析改良铸造舢一s i 合金材料的显微组织结构； ( 5 )与z l l 0 1 作比较，测试铸态下改良铸造a 1 s i 合金材料在冲击磨料磨 损条件下的抗磨损性能； 本文研究技术路线如下： 图l - 2 研究技术路线 f i g 1 - 2r e s e a r c ht e c l l l l i c a lr o u t e 9 改良钧- 造铝硅舌1 蕾对曩| t 虫性能a j 糊嵋损性能的研究 第二章改良合金的制备及组织性能测定 2 1 改良合金制备方案 以z l l 0 1 合金为基础，通过添加c u 、n i 、m n 、v 、l 汪进行合金化改良， 利用正交试验优选合金成分，对各因子水平进行分析，得出最佳试验方案。同时， 采用大气环境下重力铸造工艺，部分合金元素以中间合金形式加入，根据合金元 素加入量，设计了合金成分含量不同的1 8 种合金。然后对这1 8 种合金进行性能 检测，通过纵向横向对比，最终确定合金元素加入量，研制出改良铸造s i 合 金。研制方案路线如下： 2 2 改良合金成分设计 图2 1 技术路线图 f i g 2 1t e c l l i l i c a lr o u t e 改良合金添加的合金元素为：c u 、n i 、mn 、v 、i 也，考虑最优炉次，根据 各合金元素对改良合金的力学性能影响不同，经过理论计算，确定采用五因素三 水平的正交实验较为理想。实验的因素和水平如表2 1 所示。 l o 广西大掌硕士掌位论文 改良营造铝硅合金对庸蚀性能反毒垃磨损性能的研究 o 5 1 2 2 0 o 2 o 5 o 8 0 1 o 3 0 5 0 2 0 6 1 2 0 8 1 5 3 0 根据表2 1 所列的因素水平，以l 1 8 ( 3 7 ) 正交表进行试验设计，得到的1 8 种合金成分如表2 2 所示。 表2 2 合金的化学成分 t i a b l e2 - 2c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fa l l o y s 0 3 50 5 ( 1 )o 2 ( 1 ) o 1 ( 1 )0 2 ( 1 )o 8 ( 1 )9 0 8 5 0 3 50 5 ( 1 )0 5 ( 2 )0 3 ( 2 )o 6 ( 2 ) 1 5 ( 2 )8 9 2 5 0 3 5o 5 ( 1 )o 8 ( 3 ) o 5 ( 3 )i 2 ( 3 )3 0 ( 3 )8 6 6 5 0 3 51 2 ( 2 )0 2 ( 1 )o 1 ( 1 )o 6 ( 2 ) 1 5 ( 2 )8 9 0 5 0 3 51 2 ( 2 ) o 5 ( 2 )0 3 ( 2 )1 2 ( 3 )3 o ( 3 ) 8 6 4 5 0 - 3 51 2 ( 2 )0 8 ( 3 )o 5 ( 3 )o 2 ( 1 ) 0 8 ( 1 )8 9 1 5 0 3 52 0 ( 3 )0 2 ( 1 )o 3 ( 2 )o 2 ( 1 )3 o ( 3 ) 8 6 9 5 0 3 52 0 ( 3 )0 5 ( 2 ) 0 5 ( 3 )o 6 ( 2 )o 8 ( 1 )8 8 2 5 o 3 52 0 ( 3 )o 8 ( 3 )o 1 ( 1 )1 2 ( 3 )1 5 ( 2 ) 8 7 0 5 o 3 5 o 5 ( 1 )0 2 ( 1 )0 5 ( 3 ) 1 2 ( 3 )1 5 ( 2 )8 8 7 5 o 3 50 5 ( 1 )o 5 ( 2 )o 1 ( 1 )o 2 ( 1 ) 3 o ( 3 )8 8 3 5 o 3 50 5 ( 1 )0 8 ( 3 ) 0 3 ( 2 )o 6 ( 2 )o 8 ( 1 )8 9 6 5 o 3 51 2 ( 2 )0 2 ( 1 )o 3 ( 2 )1 2 ( 3 ) o 8 ( 1 )8 8 9 5 0 3 51 2 ( 2 )0 5 ( 2 )o 5 ( 3 )0 2 ( 1 )1 5 ( 2 ) 8 8 7 5 0 3 51 2 ( 2 )0 8 ( 3 ) 0 1 ( 1 )o 6 ( 2 )3 o ( 3 )8 6 9 5 o 3 52 0 ( 3 )0 2 ( 1 )0 5 ( 3 )o 6 ( 2 )3 0 ( 3 ) 8 6 3 5 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 2 3 4 5 6 7 8 9 m n 坦 b m 协 m 广西夫掣啊甄士学位论文 改良碉p 违铝j 圭舌啥利。童蚀性麓a 囊：御u 损性麓的研究 1 770 3 5 2 o ( 3 )o 5 ( 2 )0 1 ( 1 )1 2 ( 3 )0 8 ( 1 )8 8 0 5 1 87 o 3 52 0 ( 3 )o 8 ( 3 )0 3 ( 2 ) o 2 ( 1 )1 - 5 ( 2 )8 7 8 5 2 3 改良合金制备 2 3 1 材料的选择 原材料：9 9 6 0 的工业纯铝， 9 9 9 纯镁，舢s i 中间合金、灿c u 中间合 金、趟n i 中间合金、朋v 中间合金、a 1 m n 中间合金、趟1 适中间合金。 覆盖剂：k c l 和n a c l ( 各5 0 ) ，2 0 0 3 0 0 烘烤脱水，草木灰； 精炼剂：六氯乙烷 模具浇注面涂料【4 】：z n o + 水玻璃水溶液( z n o10 2 0 ，水玻璃3 5 ) 变质剂：n a c l + k c l + n a f ( 各占4 5 、1 5 、4 5 ) 2 3 2 熔炼设备及配料 ( 1 ) 试验设备 坩埚电阻炉：u 靛- 2 2 0 v ，p 靛5 k w ，t 意定= 1 2 0 0 ，型号：s g 2 5 1 2 ； 温度控制器：u 曩定- 2 2 0 v ，p m 矿5 k w ，t m 【_ 1 6 0 0 ，型号k s w - 4 d 1 6 s ； 其它： 金属型模具，石墨坩埚( 1 6 拌) ，配套的热电偶，天平、搅拌棒、钟 罩、扒渣勺、坩埚夹钳，浇注钩，锤子，保护沙，扳手等。 ( 2 ) 配料计算 表2 3 实验用原材料 t a b l e2 3t i l e 戊1 wm a t e r j a l so fe x p 喇m e n t 1 2 改：铸造铝硅舌喧对曩蚀性能a 捌u 摹损性能的研究 表2 - 4 电阻坩埚炉熔炼铝合金各元素烧损率( 训) t a b l e 2 4 t h em e l t i n gl o s so f e l e m e 鹏d u r i n gm e 锄e l t i n go f a la l l o y ( w t ) 根据正交优化和理论推导，考虑元素在熔炼过程的烧损( 见表2 5 ) ，采用 下列公式进行配料计算： 形= 器 ( 式2 - 1 ) 4 ( 1 一忍) g = 一形 ( 式2 - 2 ) 式中：一每炉熔炼合金的总重量一加入铝锭的重量 形一配入某种原材料的重量( 不包括a 1 )4 f 一每炉合金中某元素的含量 c f 一原材料中某元素的含量忍熔炼时某种元素的烧损率 2 3 3 熔炼 l 、实验前准备工作 除净金属型试样模型腔残留油渍、表面的锈斑、灰尘、旧涂料等，清理后 刷上保证铸件型面光洁度的涂料，于2 5 0 烘烤；预热坩埚至暗红色。 。 2 、熔炼过程描述 ( 1 ) 砧及中间合金的加入 将称量好大块状a l 块放于暗红的坩祸底部，升温至其熔化。当灿块达到完 全熔化后，设定温度在7 5 0 左右，将经过预热的趟s i 中间合金加入，当a 1 s i 全部达到熔化状态，依次加入经预热的a l - n i 、a 1 v 、趾m n 、舢c u 、r e 中 间合金，后在表面撒上适量的n a c l + k c l 覆盖剂后再加草木灰覆盖，待全部炉料 彻底熔化后，搅拌至均匀。 ( 2 ) 纯镁的加入 预热纯镁后，用钟罩将其压入铝液，待其完全熔化后搅拌均匀，调炉温至 7 3 0 7 5 0 左右。 改良铸造铝硅合金封詹蚀佳能反蘑垃磨损性能的研究 ( 3 ) 除气精炼 用c 2 c 1 6 进行除气精炼，c 2 c 1 6 量为炉料总重3 5 。用钟罩将c 2 c 1 6 分2 3 次压入熔炼液中，在距坩埚底部约1 0 0 毫米处，进行缓慢绕圈，精炼1 0 m i n - 1 2 m i n 。精炼后，扒去浮渣、脏物，让熔炼液静置1i n j n 2 m i n 。 ( 4 ) 变质处理 7 4 0 时，用n a c l + k c l 斗n a f 进行复合变质处理，变质剂量为炉料总重量的 3 0 ，变质1 5 m i n 。几分钟后，扒去液面上的杂质，开始浇注试样。 2 4 试样力学性能的检测 分别对制备的试样进行力学性能检测，并对检测结果进行极差分析，得出性 能最优的成分配比，由此确定改良合金的成分。 2 4 1 试验试样尺寸 图2 - 2 室温拉伸试样示意图 f 遮2 2t h es k e t c ho f t e n s i l es 锄p l ea tr o o mt e m p e r a ：t u r e 一己0 二= 量 图2 - 3 硬度试样示意图 f i g 2 3t l l es k e t c h0 f h a r d 舱s ss 锄p l e 1 4 广西大掌习l 士掌位论文 改良饲p 造铝硅舌喧对腐蚀性能反曩l 锄曲 损佳能的研究 2 4 2 试样室温下抗拉强度分析 对1 8 炉浇注试样室温抗拉强度进行检测，分析不同成分合金性能，确定合 金元素对室温抗拉强度的影响。 l 、室温抗拉强度测量 表2 - 6 室温抗拉强度测试结果 i a b l e2 击t h et e s t i n g 他s u l t so ft i m s i l es 盱e n g t ha t 瑚m t e m p e r a ：t u r e 试验号1 31 41 51 61 71 8 抗拉强度( m p a ) 1 8 1 0 51 5 7 8 91 5 6 9 l 1 6 4 4 61 7 9 9 51 7 7 1 2 2 、极差分析 通过极差分析，确定各因子对检测结果的影响程度，预测较为理想的水平组 合，为实验提供理论依据。 表2 7 抗拉强度极差分析表 t a b l e 2 - 7r a n g e 锄a l y s i so f t e n s i l es 仃e n 舀h a ( c u )b ( n i )c ( v )d ( m n ) e ( r e ) 9 2 1 2 1 0 2 5 4 6 1 0 5 1 4 4 1 5 3 5 3 1 7 0 9 l 1 7 5 2 4 1 0 4 4 1 2 9 6 5 4 6 9 8 8 5 6 1 7 4 0 2 1 6 0 9 1 1 6 4 7 6 9 7 6 6 2 1 0 0 2 3 1 0 1 9 2 2 1 6 2 7 7 1 6 7 0 5 1 6 9 8 7 1 0 0 8 3 6 9 7 7 1 6 1 0 1 2 6 2 1 6 8 0 6 1 6 2 8 6 1 6 8 7 7 1 0 8 6 1 8 9 9 1 1 4 9 2 0 8 2 1 8 1 0 3 1 6 5 1 9 1 5 3 4 7 r2 1 7 1 1 3 1 17 0 95 9 12 7 5 5 由极差r 分析可知( 见表2 7 ) ，各合金元素对室温抗拉强度的影响为：i 也 c u n i v ，对以上五个合金元素变化时，室温抗拉强度指标的变化趋 势作图如图2 - 4 所示： 1 5 鼬 地 融 广西大掌硕士掌位论文改囊：荐追铝硅名 置r 腐蚀性麓蕴毫捌u 摹损性能的研究 图2 4 c u 、n i 、v 、m n 、r e 对抗拉强度的影响 f i g 2 4t h ei n n u e n c eo fc u 、n i 、v 、m n 、r e0 nt e 璐i l es 仃e n g t i l 从图2 _ 4 可看出，l 强对室温抗拉强度的影响最大，而v 和m n 影响比较小。 1 6 广西大掌习e 士掌位论文 改矗：钧l 造，铝硅曹1 蕾对腐蚀性