（材料加工工程专业论文）热处理工艺对a356低压铸造轮毂屈服强度的影响.pdf

郑1 1 入学坝l 学位论文 捅耍 摘要 汽车铝合金化是解决世界汽车工业面临的能源、环境、安全等问题的有效措施， 而轮毂铝合金化则是汽车铝合金化应用的重要方面。在未来_ 卜年内，汽车铝合金轮毂 仍将以低压铸造为主。本论文针对a 3 5 6 低压铸造铝台金轮毂， 研究了不同热处理 工艺对合金力学性能主要是屈服强度的影响，并采用金相观察、x 射线衍别、扫描电 镜及d s c 等分析手段对热处理工艺下a 3 5 6 合金的组织进行了研究分析，对热处理 强化机制进行了深入研究。 金棚定量分析研究了不同热处理工艺下合金共晶硅颗粒形貌的形貌。研究认为， 双级时效工艺下，低温时效时间在2 h 内，共晶硅颗粒长短径平均值下降，长短径比 降低，合金共晶硅产生了一定程度的细化和球化。两小时后，合金共品硅颗粒开始粗 化，球化能力下降，当低温时效时间大于6 h ，共晶硅颗粒的较t 6 丁：艺粗化，球化效 果变差。 根据金相定量分析结果，推导了双级时效工艺下，合金共晶硅固溶和析出模型。 时效温度下，共晶硅的固溶和硅原子从n a l 中扩散是一个动态过程。硅原予的析出， 一方面作为沉淀相和强化相形核核心形式存在，另一方面则依附于共品硅生长。当低 温时效时间小于2 h ，硅固溶速度大于硅原子析出依附于共晶硅生长的速度，共r 帑硅 细化，低温时效时间大于2 h ，硅固溶的速度小于硅依附于共晶硅生长的速度，共晶硅 产生了粗化。涂装工艺下，共晶硅颗粒粗化的机理也是一致的。 x 衍射分析认为双级时效工艺下合金品格常数大于t 6 工艺。研究认为，低温时 效工艺有利于硅原子从a a l 中析出，由于硅原子半径小于铝原子，从而产生了品格 膨胀。硅的脱溶可作为强化相b 和0 ”相的形核核心，对合金的强度具有一定的贡 献。 双级时效工艺下，合金拉伸断口形貌韧窝分布更为均匀，合金在双级时效工艺下 延伸率更好。力学性能结果显示，双级时效工艺下合金延伸率稳定在1 0 一1 2 左右。 采用传统的t 6 热处理工艺，a 3 5 6 合金的抗拉强度为2 8 0 m p a ，屈服强度1 8 0 m p a ， 延伸率8 - l o 。双级时效工艺可使合金的抗拉强度提高到3 1 0 m p a ，提高幅度达1 0 ， 屈服强度提高到2 5 0 m p a ，提高幅度达3 9 ，延伸率稳定在1 0 一1 2 。该力学性能满足了 目前德国高档轿车对铝合金轮毂屈服强度大于2 0 0 m p a 的性能要求，具有一定的市场 郑州大学硕士学位论文 摘要 价值。同时，研究了轮毂涂装工艺对合金t 6 工艺及双级时效工艺下合金力学性能的 影响，结果表明，涂装后，合金抗拉强度提高了5 1 0 m p a ，屈服强度提高了1 5 2 0 m p a 。 通过d s c 分析以及金相定量分析。研究双级时效工艺合金的强化机制。研究认为： 低温时效使促进了m g 、s i 元素的析出和g p 区的弥散析出，为高温时效形成的强化 相b7 和b ”相提供了形核核心，使b 和b ”相的析出温度降低；而b ”相析出数量 的增加及b 相析出分数的增加，是合金力学性能尤其是屈服强度提高的主要原因。 关键词：a 3 5 6 ，轮毂，低压铸造，双级时效，屈服强度 i 鍪鬣囊麓 。尊o l i 郑州大学硕士学位论文 n o wt h r e es e r i o u sp r o b l e m s ： r e s o u r c e ，e n v i r o n m e n ta n ds e c u r i t ya r ee x p o s e d t ow o r l da u t oi n d u s t r y i ti sag o o dw a yt os u b s t i t u t ea l u m i n u ma l l o yf o rs t e a l i nt h e a u t ow h e e l i nc o m i n gt e ny e a r s ，也ea 毗oa l u m i n u mw h e e lw i l lb em o s t l ym a d eb y 1 0 wp r c s s w ec a s t i n g i nt h i st 1 1 e s i s ，t h ee f r e c to fd i 肌r e n th e a tt r c a t m e n tt e c h n o l o g y o nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s e s p e c i a ly i e l ds t r e n g t ho fa 3 5 6a u o yw h e e lw i t hl o wc a s t i n g t h em i c r o s t r u c t u r eo fa 3 5 6a 1 1 0 yw e r es t u d i e db yu s i n gm e a s u r e m e n t so fo p t i c a lm i c r o s t m c t u r e ， b r i l l e l l h a r d n c s s ，x - r a yd i m a c t i o l l ， s c a ne l e c 仃i c m i c r o s c o p y ，a n dd s c t h em e c h a n i s mo fs 拄e n g t l l 、e r ca l s os t i l d i e d t h ee f f e c to fd i 恐r e n th e a tt r e a 恤e mt e c h n o l o g y0 nm i c m s t m c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so f e u t e c t i cp a r t i c l e sw e r es t u d i e db ym e a s u r e m e m so fo p t i c a lm i c r o s t r u c t u r e 1 h er e s u l t w a s ：u n d e rd o u b l ea g i n gt e c l l l l 0 1 0 9 y ，w h e nl o wa g i n gt i m ew a sl e s st l l a n2 h ，t h ea v e r a g e r a d i u so fl o n ga 1 1 ds h o r tr a d i u so fe u t e e t i cp a n i c l e sw a sd e c r e a s e da n da s p e c tf a t i ow a s d e c r e a s e d i tw a ss h o w e dt h a tt h ea l l o yh a db e e nr e f i n e d w i t h 血n ew a sm o r et h a n2 h ，t h e e u t e c t i cp a n i c l e sb e c a r n ec o l l r s i n g w h e nt i m ew a sm o r et 1 1 a n6 h ，t h ee u t e c t i cp a n i c l e s w e r cm o r ec o u r s e dt h a n 计1 i c h 、v e r eh e a tt r e a t e db yt 6 t 1 1 r o u 曲t h er e s u l to fa n a l y s i so nm i c r o s t m c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fe u t e c t i cp a n i c l e s ， t h em o d e lo fs o l u t i o na n dd i s s o l m i o no fs iw a sb u i l t w h i l ea g e d ，t h es o l u t i o no fe u t e c t i c p a r t i c l e so fs ii n t oa - a la i l dm es e p a f a t i o nf 幻ma a la t 也es a l l l et i m e w h e ns iw a s s e p a r a t e df r o ma a l ，s o m ew e r cp r e c i p i t a t e sa n ds e r v e da sm l c l e a t i n gs i t eo fs t r e n g t h e n i n g p h a s e ，o t h e r sg r e wa r o u n de u t e c t i cp a n i c l e ss i w h e nt i m e 、a sl e s st h a n2 h ，t h ev e l o c i t yo f t h es 0 1 u t i o no fs iw e r es l o w e rt h a i lm a to fg r o w i n ga r o u n dt h ee u t e c t i cp a n i c l e s ，s ot h e e u t e c t i cp a r t i c l e sw e r er e f i n e d w h e nt h et i m ew a sm o r et h a n2 h ，t l l e v e l o c i t yo ft h e s o l u t i o no fs i 、v e r em o r eq u i c kt l l a i lt h a to fg r o w i n ga r o u n de u t e c t i cp a n i c l e s ，s ot h e e u t e c t i cp a r t i c l e sw e r em o r cc o a r s e n t h em e c h a n i s mo fc o a r s e n i n go fe u t e c t i c p a r t i c l e s w a st l l es a m e 、i t hp a i n tb a k i n gt e c h j l o l o g y t h ei a m c ep a r a m e t e r so fa - a 1i nd o u b l ea g i n gt e c h n 0 1 0 9 yw e r el a 唱e r t h a nt h a tw j t h 。 。j * ，_ i 童：魏蕊。1 1 _ | 爨臻妻川蠢i 蠹魏藏溅豢 l l 郑州大学硕十学位论文 t 6t e c h n o l o g y t h er e s u l ts h o w e dt h a t ：t h el o wa g i i 增t e c l u l o l o g yc o u l dm a k et h ed i s s o i v e m o r ee a s ya n dt h e1 a d i u s 。fs iw a ss m a l l e rt h a na l ，s ot h e1 a t t i c ep a r a m e t e r sb e c a n l e1 a r g e r t h es ia t o md i s s o l v e d 王 r o mo a lc o u l ds e r v ea ss e r v e da sn u c l e a t i n gs i t eo fs t r e n g t h e n i l l g p h a s e ，i th a ds o m ec o n “i b u t i o nt os t r e n g t ho f “l o y t h ed i m p l e si n 如a c t u r ed i s t r i b u t e dm o r e1 1 0 m o g e n e o u si nd o u b l e - a g i n g1 1 e a tt r c a t m e n 【 t h a nt 61 1 e a t - t r e a t m e n t ，t h u sm a d et h ee l o n g a t i o no f a 3 5 6a l l o yk e p tf r o m1o t o12 a f i 【e rt r a d i t i o n a lt 6h e a t t r e a t m e n t ，t h et e n s i i es t r e n g t ho fa 3 5 6a l l o yw a s2 8 0 m i a ， t 1 1 ey i e l ds t r e n g t hw a s18 0 m p aa n de l o n g a t i o nw a s13 t h ed o u b l e - a g i n gh e a t t r e a t m e n l t e c h n o l o g ym a d et h et e n s i i es t r e n g t ho fa 3 5 6a l l o yi n c r e a s e dt o31o m p a ，t 1 1 ei n c r e a s i n g r a t i ow a s1o ，y i e l ds t r e n g t ht o2 5 0 m p a ，t h ei n c r e a s i n gr a t i ow a s3 9 ，t h ee l o 】l g a t i o n w a sk e p tb e t w e e nf r o ml o t o1 2 ，t h ee l o n g a t i o nw a sal i t t l ed e c ：e a s e d ，b u tn o tm u c h 1 、h em e c h a j l i c a lp r o p e r t i e sc o u l dm e e tt ot h es t a n d a r do fg e n n e nh i 曲a u t oa l u m i 九u m w h e e lw h i c hy i e l ds t r e n 百hw a sm o r et h a n2 0 0 m p a ，s ot h er e s u l th a ds o m em a r k e tv a l u e t h ee f 话c to fp a i n tb a k i n gt e c h n o l o g yo nm e c h a n i c a 】p r o p e r t i e so na 3 5 6a i l o ya r c rt 6 a n dd o u b l ea g i n gh e a t t r e a t m e n tw a sa l s os t u d i e d ，a n dr e s u l ts h o w e dm a t ：p a i n t i n h a k i n 2 t e c h n o l o g yc o u l di n c r e a s et h et e n s i l es t r e n 豇hf o r5 1o m p a ，y i e l ds t r e n g t hf o r15 2 0 m p a t h ea n a l y s i so fd s ca n dm i c r o s t m c t u r ec h a r a c t e r i s t i c ss h o w e dm a t ：t h el o w a g i n g t e c h n 0 1 0 9 yc o l i l dn l a k em g 、s id i f m s e da n dg pz o n ep r e c i p i t a t e de a s i l ya n dt h l l ss e r v e a st h en u c l e a t i n gs i t eo fs t r e n g t h e n i n gp h a s ep a n dp ”i nt h ef o l l o w i n gh i g h a g i n g t e c h n 0 1 0 9 y ，“a l s om a d et h ep r e c i p i t a t e dt i m eo fs t r e n g t h e n i n gp h a s ep a n dp 1 0 w e r r h e m o s tr e a s o no f i n c r e a s i n gy i e l ds t r e n g t hp r o p e n i e so f a 3 5 6a 1 1 0 yw a st h a tt h ea m o u n ta n d o f p ”p r e c i p i t a t e sa n dt h er a t i oo fp p r e c i p i t a t e s k e y w o r d s ：a 3 5 6 ，w h e e l ，l o wp r e s s u r ec a s t i n g ，d o u b l e a g i n 昌y i e l ds t r e n g t h 鬣。蔓 j _ 薹曩鬟 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没 有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，木人愿 意承担由此产生的一切法律责任和法律后果，特此郑熏声明。 学位论文作者( 签名) ： 第一章绪论 我困汽车工业经过几十年的建设，汽车产量大幅上升，尤其是加入世贸组织以后， 中国汽车工业借助国际汽车产业的资本和技术，实现了一个大跨越，2 0 0 2 年中国轿 车生产比2 0 0 1 年增长了5 3 ，产量超过1 1 0 万辆，已达到中国汽车：d l k “十五”规划 轿车产量，中国在未来的5 1 0 年将会是世界最大、增长最快的汽车市场，这已获得 国际业内人= 七的普遍认同。能源、环境和安全是当今世界各国极为关注的三大问题， 汽车工业的发展和应用普及同这三大问题密切相关。随着现代汽车节能降耗要求的不 断高涨，安全和环保法规日趋严格，汽车轻量化的要求更为迫l ； j ，而铝合金质量轻， 强度高，成型性好，价格适中，回收率高，对降低汽车自重，减少汕耗，减轻环境污 染与改善操作性能有着重大意义，已成为汽车工业的首选材料【”。 目前汽车上普遍使用铝合金轮毂代替传统的钢制轮毂达到减重环保的效果。与钢 制轮毂相比，铝合金轮毂有以下优点： 1 重量轻，节能效果明显：一汽对奥迪车用铝合金轮毅进行节油统计试验，结果表 明，对轿车来说，每个铝合金轮毂比钢制轮毂可减轻重量3 0 4 5 。轮毂平均每减 轻1 0 ，在平均车速为9 0 1 2 0 k m ， 1 的条件下，其油耗平均可减少o 0 1 3 1l ，1 0 0 k m 。以 奥迪车为例 2 】，铝合会轮毂自重为4 9 2 n ，比同类型的钢制轮毅减轻重量3 9 5 ，整车按 平均速度9 0 1 2 0 妇1 1 1 行驶的条件下，油耗可减少o 0 5 1 l 1 0 0 k m ，即使在城市里低速行 驶，也可节省油耗o 0 4 l 1 0 0 ，即a u d i 轿车每行驶1 0 万千米，减少油耗4 0 l 。 2 散热快，整车安全性，高铝合金轮毂导热性能好，有利于轿车因高速行驶轮胎发 热后的散热，与相同条件下的钢制轮毂比较，减少了轿车长距离高速行驶产生爆胎的 可能，明显提高了轿车高速行驶的安全性能，良好的散热效果，也提高了与铝合金轮 毂直接接触的零配件的寿命。同时，铝合金轮毂的结构和精度更有利于安装子午线轮 胎，更易实现现代轮毂的“无内胎化”。无内胎的车轮，直接由铝轮辋代替了原有的 橡胶轮胎，在其遇到“穿刺物”后，一般至少都能坚持使用一小时甚至更长的时间， 对于行驶在高速公路上轿车的安全来说，有着极为重要的意义。 3 尺寸精度高，整车行驶性能好通常情况下，传统钢制轮毅的径向和轴向允许跳动 值为1 m m ，普通铝合金轮毂的控制范围为o 5 m m 以内，高档铝合金轮毂为0 3 m m 以内，轮毂的高精度有利于提高车辆起动和变速的灵敏度，a u d i 车更换铝合金轮毅 郑州人学硕= l 学位论文 后，从起步到1 0 0 k m h 速度的加速时间减少了0 3 s l 2 1 。 4 多变的时装款式，更适应现代化整车的要求款式易任意变化，用铸造法牛产的铝 合金轮毅，可以制出任意空间曲面和形状，适应不同车型，迎合不同用户的要求，此 外，铝合金轮毂具有不易藏污纳垢，不产生铁锈，易清理的优点。 1 1a 3 5 6 合金研究现状 a 3 5 6 台金是亚共晶铝硅台金，其主要合金元素为铝、硅、镁、钛，铁作为杂 质元素存在。稀土常常作为变质细化元素加入，对合金的性能具有一定的影响。 l 。1 1 合金元素对a 3 5 6 合金组织和性能的影响 1 硅的影响 硅( s i ) 是a 1 一s i 组织中的第二相，s i 含量的提高大大改善了合金的铸造性 能。根据a 1 一s i 的二元相图，共晶成分为w s 。一1 2 6 。根据液态金属停止流动机理， 合金凝固时，其结晶温度范围越宽，枝晶就越发达，液流前端析出相对较少的囤相， 在较短的时间金属便停止流动。a 3 5 6 合金的s i 的质量分数为6 5 7 5 ，s i 含量偏上 限时，其结晶温度范围越窄，有利于提高其流动性。文献 3 研究了a 1 s i l 2 5 中合金 的力学性能与硅相形貌的相关性，见图1 1 ，结果表明，合 皂 f 形状帮敷 图1 1a l s i l 2 5 台金力学性能与硅相形貌的相关性 f i g 1 1t h er e l a t i o no fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dm i c r o s t r u c t u r ec h a r f l c t e r i s t i c s o fe u t e c t i cp a r t i c l e so fa 1 s i l 2 5a l l o y 金的力学性能与硅相的形状系数高度线性相关，硅相的形态、大小对合金力学性能有 着显著的影响。 2 镁的影响 乏 “。 一一 一蠢 郑州大学硕士学位论文第一章：绪论 在a 3 5 6 合金中，镁与硅形成m 髓s i 强化相，关于m g 含量对a 3 5 6 合金的影响 规律，目前认为随着镁含量的提高，合金的抗拉强度和屈服强度都会有所提高，而延 伸率则降低。 3 钛的影响 钛的作用是晶粒细化，钛既可以和碳可形成碳化钛( t i c ) ，也可以和硼形成 t i b 2 ，t i c 具有与铝相同的面心立方结构，晶格常数和m 非常接近，熔点在3 1 4 7 。c ，因 此t i c 可促使a ( a 1 ) 形核，从而起到晶粒细化的作用。 4 铁的影响 文献 4 研究铁对a 3 5 6 合金性能的影响规律，结果表明，铁量增加，合金强度、 延伸率降低，尤其是延伸率降低幅度较大，使合金变脆，塑性下降。其原因在于铝硅 合金中的铁元素主要以b 相( a 1 。f e ：s i ：) 形式出现( 为黑色针状物) ，如图卜2 所示， 该相硬且脆，往往以粗大的针状穿过n 相晶粒，削弱基体，降低合金延伸率和冲击韧 性，而且合金凝固越慢时，b 相长得越粗大。图卜2 中除了针状铁相外，还有鱼骨状 铁相和汉字状铁相，根据铁相形态对合金削弱程度的强弱程度的次序排列，针状最强， 鱼骨状次之，汉字状最小，因此，应尽量控制铁含量及其形态。 图1 2 铁相形貌4 0 0 f i g 1 2m i c r o s t n l c t l i r ec l l a r a c t e r i s t i c so f f e ( 4 0 0 x ) 5 稀土元素的影响 稀土在及其合金中的主要用途有：1 、提高铸造共晶a l s i 共晶合金性能；2 、 提高铝电缆和导线的抗张强度、耐热性和腐蚀性，而其导电率不降低；3 、改善铝轴 郑州_ 人学坝士学位论文 承合金的抛光和轴承性能；4 、提高铝和铝合金的抛光和轴承性能；5 、提高铝合金的 抗氧化性。稀土在a 3 5 6 合金中的主要作用有两个：一个是变质， 。个是细化。关于 稀。1 二的变质机理有两种观点，一种认为与盐类变质剂一样起异质形核的作用，另一种 认为稀土在初生相n 的溶解度很低，凝固时稀土在结晶前沿造成极大的溶质富集， 促成枝晶形成缩颈，从而有利于枝晶熔断，游离，并使晶粒增殖。在细化方面，稀土 元素的金属原子半径在1 7 4 p m 至2 0 4 p m 之间，大于铝的金属原子半径1q 3 p m ，它很容 易填补在生长中的铝及其合金的晶粒新相表面上，生成能阻碍品粒继续生长的膜，从 而使品粒细化。此外，稀土和a 1 t i b 同时加入，易生成极不稳定的a 1 t j r e 化台物， 并很快被溶解在铝熔体中，起到降低表面能的作用，使硼化物难以形成紧密团块，颗 粒细小的硼化物不易产生沉淀，从而达到长时间保持细化效果的作用。文献 5 研究 了a 1 t i b 和a l t i b r e 对z l l 0 4 合金细化的影响，结果见表卜1 ( 注：实验间距为平均 间距1 0 唧) 表卜1 细化剂对a a l 二次枝晶间距的影响 t a b l e1 1t h ee f f e c to fr e f i n e m e n ta d d i t i o n so nt h es e c o n ( 1p i n e t r e ec r y s t a lo fo a l 结果表明，a l t i b r e 中间台金细化剂比a 1 t i b 中间细化剂细化效果好，它能 结合r e 和a l t i b 两者的优点，具有良好的适应性。 6 其它元素 铬( c r ) 元素可消除f e 的有害作用。关于c r 对铁相的作用，文献m 认为添加0 2 o 6 的c r ，结果铁相由针状汉字状一团状一球状转变，主要是因为c r 与f ? e 形成多元复杂相，改变了铁相的生成与生长。由此可见，c r 一方面降低了铁的含量， 另一方面形成了复杂耐热相，从而提高了合金的高温性能。m n 和c o 也可消除f e 的有 害作用但不如c r 显著。b e 对a l s i 一合金的热热处理有显著的影响，文献 6 】研究了 b e 对a 1 1 1 s i o 3 m g 的时效效果影响，结果表明，试样在1 6 0 铸态时效时，在合金 中加入o 2 5 的b e ，时效硬化速度和硬化效果明显增加，硬度最高值达1 2 3 h v ，增值 4 5 h v 。元素b e 明显提高了铸态a 1 一1 1 s i o 3 m g 合金的时效速度和硬化效果。 1 1 2 变质细化对a 3 5 6 合金组织和性能的影响 郑州大学硕士学位论文 第一章：绪论 l 变质的影响 a 3 5 6 合金为a 卜s i 系多元合金，由于含硅量较高，a 卜s i 共晶相以粗大的针状晶 结晶，降低了力学性能，合金塑性很低，通过熔体变质和细化处理可以明显改善合金机 械性能口州。关于变质机理，目前存在两种理论解释：一种是共晶硅的形核受到了变 质剂的抑制”o 1 3 l ，另一种是晶体生长收到到了抑制眦体17 1 ，后者更为近年来的研究所接 受体2 ”。变质处理的主要目的是使粗大的a 相变得细小、圆整、分布均匀，既可提高 力学性能，又改善加工性能。目前传统采用三元钠盐作变质剂，早在1 9 2 0 年a p a c z 发现n a 等显著细化共晶s i 相，但用n a 变质处理的重要缺点是有效时间短，n a 易氧 化、消耗快、环境条件差目前普遍应用的变质剂有钠、锶及稀土。钠变质效果较稳 定，但缺点是变质时间短，重熔性差且易吸气，给工业应用带来很大难度：锶的变质时 间较长，但它吸气倾向十分严重，且价格较贵。稀土元素具有锶变质时间长、重熔性好， 及有效除气等优点，是目前较为理想的变质剂。通过n a 与s r 的变质试验对比发现1 2 2 j ， 变质温度7 4 0 ，变质剂添加量为1 ( 见表卜2 ) 。 表卜2 正常变质状态下钠、锶变质a 3 5 6 合金的力学性能 t a b l e 卜2t h em e c h a n i c a lp r o d e r t i e so fa 3 5 6w i t h 、s ra d d i t i o n 力学性能 变质剂种类 抗拉强度( m p a )屈服强度( m p a )延伸率( ) 2 2 3 49 7 86 2 钠2 1 8 61 0 2 45 9 2 2 9 29 8 76 1 2 7 6 41 3 6 21 1 6 锶2 8 0 71 4 0 51 2 2 2 7 2 41 3 1 3l o 4 ( a ) 初生相粗大聚集( b ) 共品硅呈长纤维状( a ) 初生d 相细小、均匀( b ) 共晶硅呈短珊瑚状 图卜3 钠对a 3 5 6 显微组织的影响 f i g l 一3t h ee f f e c to fn ao nm i c r o s t r u c t u r e so fa 3 5 0 图卜4 锶对a 3 5 6 显微组织的影响 f i g 卜4t h ee f f e c to fs ro nm i c r o s t r u c t u r e so fa 3 5 6 郑州太学硕士学位论文 从图卜3 与图卜4 对比可见：锶比钠更能使初生a 相细小、均匀：共晶硅由长纤维 状变成短珊瑚状，而且共晶硅端部圆钝化从而改善了合金的强度，尤其是屈服强度和 延伸率，如表卜2 所示对a 3 5 6 合金而言，锶变质较钠变质的组织分布更均匀锶变质 的共品硅形貌较钠变质的分叉更密，呈卷曲生长，头部更圆钝化 关于稀土变质，早期研究认为，加入1 的混合稀土可以使a 】一s i 合金获得完伞 的变质组织：但又有许多研究结果表明，用o 2 一o 7 的稀土金属( l a 、c e 、n ( 1 、 y 及混合r e ) 就可以使共品组织变质5 1 。文献针对混合稀二l ! 二加入量对a 3 5 6 合金组 织性能的影响做了深入研究，采用a l + 1 0 r e 的中间合金作为变质剂，进行变质，试 验结果见表卜3 。 表1 3a l + 1 0 r e 变质后a 3 5 6 合金力学性能 t a b l e l 一3m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa 3 5 6w i t ha l + 1 0 r ea d d i t i o n s 根据表卜3 中的数据，变质处理后，合金的力学性能有了大幅度提高，其中含稀 土o 2 、o 4 、0 6 的试样力学性能提高较为显著，尤其是含稀土0 2 、o 4 的试样，不但抗拉强度有所提高，而且对延伸率的贡献较其它试样更为突出。文献 2 3 对合金的金相组织研究发现，未变质合金的q 相呈板条状，比较粗大；其它经过 变质处理的合金，虽然加入量不同，但都获得了明显的变质组织，其中以混合稀土加 入量为o 2 、0 4 、0 6 的变质效果最好，a 相充分粒状化，且分布均匀，无明 显偏析，而o 8 的金相，出现了明显的杂质，存在一定程度的过变质迹象。由此可 见，稀土变质可有效地提高铸造a 卜s i 合金中初生。相的粒状化效果，稀土变质剂的 加入量不同，对b 固溶体的粒状化效果也不同，混合稀土对a 3 5 6 的最佳加入范围应在 o 1 o 2 之问。 2 细化的影响： a 卜s i 合金含w ( s i ) 在2 以下时，硅促进晶粒细化，当w ( s i ) 在3 以上随硅含 量增加晶粒连续粗化，出现所谓的硅“中毒”现象。在w ( s i ) = 3 时生长限制因素( g r f ) 值为1 8 ，在此值以上硅使晶粒尺寸连续增大，而添加剂的加入使g r f 值加大，因而 导致品粒进一步粗化。为克服硅中毒，研究认为用加大细化剂添加量从而增加形核发 郑州大学硕士学位论文 生点的办法，并指出，不管采取什么样的细化剂，只要加入的硼达到0 o 。1 ，就能获 得充分的晶粒细化【2 4 】。 表卜4a 卜s i 合金的生长限制因素 t a b l e l 4t h eg r o w t hr e s t r i c t i o ne f f e c t so fa 1 一s i 关于晶粒细化，日前存在四种理论1 2 5 】，c r o s s l e y 和m o n d o l f o 提出的包晶理论认 为，在6 6 5 。c ，存在包晶反应： l + t i a l r + ( a )( 】) t i a l ，和o ( a 1 ) 在( 0 0 1 ) 。和( 0 ) 。，面上存在良好的兆格关系，铝原子可以在 几个t i a l 。晶面上同时外延生长，在q ( a 1 ) 晶粒中心找到了t i a l 。，出现最大细化效 果的成分往往是包晶点的成分( 1 _ 1 2 t i ) ，但这一理论不能解释钛低于0 1 5 时的品 粒细化现象：t i c 理论认为t i c 在高温下比较稳定，且点阵常数与铝晶体的点阵常数 接近，有较好的共格关系，能够起到异质形核的作用，该理论能够解释钛低于o 1 5 时的晶粒细化现象，但不能解释高纯铝加钛的细化现象：晶粒增殖理论认为钛在铝中 的分配系数小，a l t i 相图铝的液相线很陡，凝固结晶是结晶前沿严重成分过冷，枝 晶形成缩颈，凝固时期的晶粒自型壁游离、脱落，分裂增殖是晶粒细化的原因，但这 一理论无法解释钛硼细化的作用：m a x w e l l 和h e l l a w e l l 从理论上证明了溶质钛是一 种高效抑制a ( a 1 ) 晶粒生长的元素，提出了抑制a ( a 1 ) 晶粒生长说。目前还没有哪 一种理论能够完善的解释铝合金的各种细化现象，晶粒细化的理论和机制还在进一步 深入研究当中。铝合金目前常用的细化荆为a 1 一b 、a 卜t 卜b 、a 卜t i c 和稀土。廖恒 成等研究了a 1 5 t i l b 对s r 变质a 卜1 3 0 s i 合金组织影响【2 6 】，a 卜5 t i 啊1 b 加入量低 于o 8 2 时，对共晶硅的形态与大小没有显著的影响，当加入量超过o 8 2 后， a 卜5 t i l b 对s r 变质效应的具有毒化作用，这是因为t i 与s r 之间发生了交互作用， 随着a 卜5 t i 一1 b 中间合金加入量增加，熔体中有效s r 量降低。关于a l t i b 和a l t i b r e 对铝合金晶粒细化的影响，文献 5 研究发现，在z l l 0 4 合金中加入0 2 的a l t i b 和 a 1 t i b r e ， a 1 t i b r e 可使o ( a 1 ) 的枝晶平均间距细化到1 2 8 m f f 【，比a 1 t i b 的细化效 果1 4 9 m 要好，其原因是稀土元素能够降低铝熔体的表面张力，增加铝熔体对，r j b 。 颗粒表面的扩张系数，既充分发挥t ib 2 的异质形核作用，又能防止1 l i 眺聚集长大， 此外，稀土是表面活性元素，能降低晶核表面能，增大结晶凝固时的形核率，稀土在 郑州大学硕j ：学位论文 n ( a 1 ) 中的固溶度很小，几乎不溶于铝，而稀土的化学性能又极活泼，它能和其他合 金元素或杂质元素形成多种化合物，其中有的化合物可作为异质品核，从而提高合金 凝固时的形核率，使晶粒细化。a 】t i b 对铝合金具有较好的细化效果，但作为a l t i l 3 品粒细化剂中形核核心的t r 。有轻微的聚集倾向，易使管状过滤器堵寒，和后期变 形工艺中 妇于硼化物粒子硬度大而易产生缺陷，且当合金中含有z r 、c r 、v 、m n 元索 时，t i 啦晶粒会“中毒”失去晶粒细化效果。近几年来a 卜t i c 晶粒细化剂的丌发在 国外已蓬勃发展，美，德，英，法等国都在大力鼓励a 卜t i c 线材的生产，a 】一t i c 的作为细化剂也已在国内铝合金的细化中得到了广泛应用。文献 2 7 硼f 究了a l 一一c 系中反应生成t i c 机理研究，认为首先钛溶解在熔化的铝液中并在钛颗粒的周围形成 a l 。t i ，然后在碳颗粒的周围形成富钛的合金层并在该层中发生生成7 l 、i c 的反应，生成 的t i c 从合金液中析出向外扩散。对9 9 7 a l 的细化实验表明，a 一1 、j c 细化的试样 晶粒尺寸可达到1 0 0 um 以下，而a l t i b 的为1 5 0 一2 0 0 um 。对a 卜t 卜c 对a 3 5 6 合金 进行了细化实验，其加入量为2 k g t ，其机械性能结果见表卜5 。 表1 5a 卜t i c 品粒细化后a 3 5 6 合金的机械性能 t a b l e l 一5t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa 3 5 6w i t ha l t i c 1 1 - 3 a 3 5 6 合金热处理强化机制 a 3 5 6 合金属于热处理可强化合金，采用的是t 6 热处理强化，即固溶十人工时效处 理。a 卜7 s i m g 铸造合金的时效强化模型指出 2 8 ，a 3 5 6 合金的屈服强度的增加主要来 自于合金中m g 元素固溶度的变化和m g ：s i 沉淀强化相的分布情况，而由于s i 的固溶度 变化引起的屈服强度的增加不很明显，不超过2 3 m p a ，关于基体中初晶硅和共晶硅的 形态及数量对合金屈服强度的影响程度，目前还没有文献对此进行详细的报道。其中 m g ：s i 沉淀相的析出硬化机制由位错切过机制和位错绕过机制两种机制组成。位错切过 机制引起的强化增量可由公式2 表示。 y s = c f l 门r “2 ( 2 ) 位错绕过机制引起的强化增量可由公式3 表示： 郑州大学硕i j 学位论文 第一章：绪论 y s = c ”f “2 r ( 3 ) 其中，c 和c ”为常数，f 为沉淀相体积分数，r 为沉淀相颗粒半径。由公式( 2 ) 、 ( 3 ) ，可以看出，两种机制下，合金屈服强度的增量都是随着沉淀相体积分数的增 加而增加，在位错切过机制中，强度的增量是随着颗粒半径的增加而增加的，但在 绕过机制中，强度的增量随着颗粒半径的减小而增加，两神机制强化机理有所区别。 a 3 5 6 合金处理淬火后，基体中过饱和固溶体处于不平衡状态，有发生分解和析 出过剩原子的自发趋势。在一定的效时间内，随时效温度的上升，原子活动能的增火， 过饱和固溶体会发生刁i 同相结构的变化，强化合金的性能，但强化效果不同。低温时， 由于溶质原子扩散速度慢，因此易形成短程有序的原子富集区或原子团簇。由于它们 和基体共格，因此强化能力较弱，时效硬化效果不能明显体现。随着温度的升高，原 子振动能增大，由于能量起伏而越过势垒进行迁移的几率增加。同时，温度升高，基 体中空位浓度也提高，因此加快了溶质原子和空位的扩散，中间相( b ”相和0 相) 异质形核质点增多，形核速度加快，中间相体积分数增加，在铝基体中细小、弥散析 出，析出硬化机制由位错切过机制转变为绕过机制，强化合金性能。随着温度进一步 升高，析出相结构由半共格向非共格过渡，析出硬化机制以绕过为主，析出相体积分 数不再增大，而析出相颗粒半径继续增大，因此对合金的强度增量减弱，使合金的时 效硬化能力逐步减弱，直至出现过时效现象。李继太的博士论文f 2 9 j 在研究时效温度对 电解低钛a 3 5 6 合金的强化机制的影响中提到，在1 5 5 。c 进行时效，强度增量机制以 位错切过颗粒为主，强度增加不明显；在1 6 5 。c 、1 7 5 。c 区间内时效时，析出相长大 呈针状：1 7 5 。c 较1 5 5 、1 6 5 0 c 时效，析出相长大，体积分数增多，质点间距减小。 析出相与基体由共格向半共格过渡，此时强度增量以绕过机制为主，强度较1 5 5 。c 时效时时效明显增加。但高温时效析出相体积分数增多，颗粒间距减小的同时，析出 相颗粒半径也在增加，因而强度增量也逐步削弱，1 7 5 0 c 较1 6 5 0 c 时效强度增加不明 显。时效温度越高，合金时效硬化能力和强化能力逐步衰退。 1 - 1 4 铝合金热处理工艺研究应用现状 胡之亮等在铸造铝合金轮毂热处理参数选择及其设备文献3 0 l 中提到了t 6 工 艺中淬火停留时间对a 1 m g s i 合金挤压棒人工时效的影响，认为在1 2 h 停留时间范围 内，合金的硬度增加非常迅速( 8 0 一9 7 h b ) ，在停留耐间1 2 2 8 h 范围内，硬度迅速降 低( 9 7 7 0 1 1 b ) ，然后增加到淬火后立即进行人工时效所获得的硬度( 7 9 h b ) 。其现象 9 一 豢m蠡 郑州大学顺二 ：学位论文 第一章：绪i 仑 可解释为：淬火后1 2 h 内进行人工时效，0 相数量不多，由于自然时效，g p 区变 成b 相的成核部位，使人工时效时合金中析出的m g 。s i 数量增加，因此增加了铸件 的硬度。然而，g p 区成核这一作用只有在g p 区没有完全形成和固溶贫化程度很 小时才发生。随着自然时效