（材料加工工程专业论文）alp在alsi熔体中的行为及p吸收率研究.pdf

一一 原创性声明 1 1 1 1 11i iiii i i i i i i il li i i i i l l1 1 1 1 11 11 y 17 9 3 9 5 0 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，均己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： 猛拒 日期： 塑! 竺：生。卵 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) 山尔大学硕十学位论文 目录 目录i 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论一l 1 1 砧一s i 活塞合金的发展现状与趋势1 1 2a 1 _ s i 合金的组织和力学性能特点3 1 2 1a 1 一s i 合金的组织特点3 1 2 2a l s i 合金的力学性能特点4 1 3 提高a l s i 合金性能的主要途径4 1 3 1a l s i 合金的合金化4 1 3 2 减少合会中的有害杂质5 1 3 3a l s i 合余的变质处理6 1 3 4 改进铸造方法1 l 1 4a l s i 合金的p 变质处理1 1 1 4 1 含磷变质剂的种类1 1 1 4 2 影响p 变质效果的工艺因素1 4 1 5 课题提出的意义1 5 1 6 本文主要研究内容1 6 第二章试验方案及研究方法1 7 2 1 试验材料17 2 2 试验设备及分析仪器l7 2 3 试样的制各及分析1 9 2 4p 吸收率的计算1 9 2 4 1 光电直读光谱仪1 9 2 4 2p 吸收率的计算方法2 5 第三章a l p 在a l - s i 熔体中的行为2 7 目录 3 1 引。言2 7 3 2a l _ c u _ p 中间合金制备时a l p 化合物的形貌变化2 8 3 3a l _ c u - p 中间合金变质a l s i 合金时a l p 化合物的变化3 0 3 3 1 使用a 1 一c up 中间合会试样1 变质时试验参数对a l p 形貌的影响 3 ( ) 3 3 2 使用a l c u p 中问合金试样3 变质时a l p 形貌的变化3 5 3 4a l p 在熔体中的行为分析3 7 3 4 1 过程分析3 7 3 4 2 现象解释3 9 3 5 小结4 3 第四章a 1 _ p 系中间合金p 吸收率的研究。4 5 4 1 引。言4 5 4 2 影响a 1 斗系中间合会p 吸收率的因素4 5 4 2 1 工艺参数的影响4 5 4 2 2a l - p 系中间合金组织形念的影响4 8 4 2 3 外来粒子的影响5 3 4 2 4a 1 _ p 系中间合金成分的影响5 6 4 3 实际生产条件下p 吸收率的变化6 3 4 4 小结6 7 第五章结论6 9 参考文献7 l 致 谢7 7 攻读硕士学位期间的学术成果及所获奖励7 8 i l 山尔大学硕十学位论文 摘要 近共晶和过共晶a 1 一s i 合金由于具有良好的铸造性能、力学性能、耐蚀性 能和低的热膨胀系数，在工业领域得到了广泛应用。对于a l - s i 合金，采用磷 变质处理可以提高其高温强度、耐磨性、机械加工性能以及降低热膨胀系数。 目前磷变质处理主要采用a l _ p 系中间合金，其组织中存在预先生成的a l p 化合 物。由以前的研究得知，a l p 被认为是一种稳定的化合物，如果在中间合金中 已经存在，则加入熔体中以后会迅速弥散，并直接作为初晶s i 的形核衬底。但 是试验发现情况并非完全如此，因此对此方面进行了进一步地研究。 本文利用高倍视频金相显微镜( h s v m ) 、电子探针显微分析仪( e p m a ) 、 场发射( f e s e m ) 和x 射线衍射仪( x r d ) 等测试手段研究了a l p 在a l s i 熔体 中的行为。研究发现，熔体温度、保温时间和冷却速度对a l p 的尺寸和形貌有 显著影响。在其他参数一定时，低温下a l p 为小块状，随温度升高a l p 逐渐长 成粗大板片。保温时间延长和冷却速度减小都会使得a l p 尺寸增大。这些可以 说明a l p 在熔体中发生了溶解、析出和长大的过程。而且，粗大板片状的a l p 加入到熔体中可以在短时间内变为小块状，这表明a l p 在熔体中还发生了破碎。 因此，a l p 在a l s i 熔体中存在着破碎、溶解、析出和长大的过程。 通常，评价含p 中间合金对a 1 一s i 合金的变质作用是依靠观察其变质效果， 这难以保证结果的客观性。因此本文选用了p 吸收率来评价中问合金的使用效 率，进而满足中间合金的用户在使用含磷中间合会时对磷含量或者p 吸收率提 出的某些具体要求。 本文利用光电直读光谱仪测定试样中的p 元素含量，从而计算出p 吸收率。 研究发现，p 吸收率除与含磷中间合金有关外，还受许多工艺参数的影响。 研究了变质试验工艺参数对p 吸收率的影响。发现p 吸收率会随温度、保 温时间、加入量等工艺参数的变化而呈现出一定规律性。温度升高时，p 吸收 率增大，这间接验证了a l p 在铝熔体中的溶解行为；随着保温时间的延长，p 吸收率逐渐增大并趋于稳定，最后会由于烧损等因素而缓慢降低；增大加入量 时，虽然p 吸收量提高，但吸收率却降低。 研究了a l _ p 中间合金的组织形态对p 吸收率的影响。将中间合金在不同温 度下重熔，高温下制备的含有板片状a l p 的中间合金的p 吸收率比较低温度下 摘要 制备的含有小块状a l p 的中间合会的p 吸收率要高；将a l _ p 中间合金进行热 挤压后a l p 变为尺寸细小分布均匀的颗粒，p 吸收率也有明显提高。 研究了外来粒子对p 吸收率的影响，在使用a l _ p 中间合会进行变质时分别 加入其它几种中i 可合金( a 1 “_ b 、a c b 、a 1 娟_ b c ) ，由于这些中间合 金中含有的粒子能够对a l p 起到固定作用，使得p 吸收率显著提高。 研究了a l - p 中间合金成分发生变化时p 吸收率的变化。a l s i - p 中间合金 的p 吸收率与s i 含量有关，发现随s i 含量提高而增大，在共晶成分附近达到 最大值，然后逐渐下降；自身含有t i b 2 t i c 粒子的a l - s i 廿中间合金的p 吸收 率要比单纯的a 1 一s i _ p 中间合金的p 吸收率要高；制备的a l z 卜p 中间合金起 到了良好的变质作用，p 吸收率较高且稳定。 关键词：a l s i 合金，变质处理，a l p ，溶解，p 吸收率 山东大学硕十学位论文 a b s t r a c t h y p o e u t e c f i ca n dh y p e r e u t e c t i ca l - s ia l l o y sh a v eo b t a i n e dw i d ea p p l i c a t i o n b e c a u s eo ft h e i rf i n ec a s t i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，s t r e n g t h ，c o r r o s i o n - r e s i s t i n gp r o p e r t i e s a n dl o wt h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n t p h o s p h o r u sm o d i f i c a t i o nf o ra 1 一s ia l l o yc a n i m p r o v ei t sh i g ht e m p e r a t u r es t r e n g t h ，w e a r - r e s i s t i n ga b i l i t y , m a c h i n i n gp r o p e r t i e s a n dd e c r e a s ei t st h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n t c u r r e n t l y , a l pm a s t e ra l l o y sa r e m a i n l ya d o p t e df o rp h o s p h o r u sm o d i f i c a t i o n ，w h i c hc o n t a i na l pc o m p o u n dt h a th a s f o r m e d i tc a nb ek n o w nf r o mf o r m e rr e s e a r c h e st h a ta l pi sas t a b l ec o m p o u n d ，a n d t h a ti fi th a se x i s t e di nt h em a s t e ra l l o yi tw i l lq u i c k l yd i s p e r s ea n dd i r e c t l yb e c o m e t h en u c l e u so fp r i m a r ys i l i c o na f t e rt h em a s t e ra l l o yi sa d d e di n t o a 1 s im e l t h o w e v e r , e x p e r i m e n t ss h o w t h a ti ti sn o te n t i r e l yt h ec a s e t h e r e f o r e ，m o r ew o r kh a s b e e nd o n ei nt h i sa r e a m a n ya n a l y t i cd e v i c e ss u c ha sh i g h - s c o p e v i d e om i c r o s c o p e ( h s v m ) ，e l e c t r o n p r o b em i c r o - a n a l y z e r ( e p m a ) ，f i e l d e m i s s i o ns c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( f e s e m ) ，a n dx - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) w e r eu s e dt os t u d yt h eb e h a v i o ro fa i p i n a l s im e l t i tw a sf o u n dt h a tt h em e l tt e m p e r a t u r e ，h o l d i n gt i m ea n dc o o l i n gs p e e d a l lh a v eg r e a ti n f l u e n c e so nt h es i z ea n dm o r p h o l o g yo fa l ew h e no t h e rp a r a m e t e r s a r ef i x e d ，a l pi ss h o w na sb l o c kw h e nt h et e m p e r a t u r ei sl o w , a n dg r o w st ot h i c k f l a k ea f t e rt h et e m p e r a t u r eg o e su p t h ee x t e n s i o no fh o l d i n gt i m ea n dt h ed e c r e a s e o fc o o l i n gs p e e dc a nb o t hi n c r e a s et h es i z eo fa l p t h e s ea l ld e m o n s t r a t et h a ta l p e x p e r i e n c e st h ep r o c e s s e so fd i s s o l u t i o n ，p r e c i p i t a t a t i o na n dg r o w t h m o r e o v e r , w h e n t h o s ep l a t e - l i k ea l pp a r t i c l e sa r ea d d e di n t ot h em e l t ，t h e yc a nt u mi n t os m a l la l p b l o c k si nav e r ys h o r tp e r i o do ft i m ew i t hah u g ed e c r e a s eo fd i m e n s i o n s ，w h i c hc a n s h o wt h a ta l pa l s od i s a s s o c i a t e si nt h em e l t t h e r e f o r e ，a l pe x p e r i e n c e st h e p r o c e s s e so fd i s a s s o c i a t i o n ，d i s s o l u t i o n ，p r e c i p i t a t a t i o na n dg r o w t h i n g e n e r a l ，t h em o s tc o m m o nw a yt oj u d g e t h em o d i f i c a t i o ne f f e c to f p h o s p h o r u s - c o n t a i n i n gm a s t e ra l l o y s f o ra i - s ia l l o y s i st oo b s e r v et h e a b s t r a c t m i c r o s t r u c t u r ea f t e rm o d i f i c a t i o n ，w h i c hc a n n o tg u a r a n t e et h eo b j e c t i v i t yo ft h e d e c i s i o n t h e r e f o r e ，i nt h i sw o r k ，p h o s p h o r o u sa b s o r p t i o nr a t e ，a ne v a l u a t i o n c r i t e r i o nt h a tc a nb ea s c e r t a i n e dq u a n t i t a t i v e l y ，i s a d o p t e dt op r o v i d eam o r ef a i r e v a l u a t i o nf o rt h em o d i f i c a t i o ne f f e c t so fm a s t e ra l l o y s t h i sc a ns a t i s f yt h e c o n s u m e r so ft h em a s t e ra l l o y sw i t ht h es p e c i f i cr e q u e s t sa b o u tp h o s p h o r u sa m o u n t o rp h o s p h o r o u sa b s o r p t i o nr a t ed u r i n gt h ea p p l i c a t i o no f m a s t e ra l l o y s p h o s p h o r u sa m o u n ti nt h es p e c i m e ni sd e t e c t e db yp h o t o e l e c t r i cd i r e c t - r e a d i n g s p e c t r o m e t e ra n dt h e np h o s p h o r o u sa b s o r p t i o nr a t ec a nb ec a l c u l a t e d i ti sf o u n dt h a t p h o s p h o r o u sa b s o r p t i o nr a t ec a nb ea f f e c t e db yp l e n t yo ff a c t o r s p h o s p h o r o u sa b s o r p t i o nr a t ew i l ls h o wc e r t a i nr e g u l a r i t yw i t ht h ec h a n g eo f p a r a m e t e r ss u c h a st e m p e r a t u r e ，h o l d i n gt i m ea n da d d i n ga m o u n t w h e nt h e t e m p e r a t u r er i s e s ，p h o s p h o r o u sa b s o r p t i o nr a t ei n c r e a s e s ，w h i c hi nt h em e a nt i m e i n d i r e c t l yp r o v e st h ed i s s o l u t i o np r o c e s so fa l pi na 1 - s im e l t ；w i t ht h ep r o l o n g a t i o n o f h o l d i n gt i m e ，p h o s p h o r o u sa b s o r p t i o nr a t ew i l lg r a d u a l l yi n c r e a s ew i t hat e n d e n c y t os t a b i l i z e ，a n dt h e nw i l ls l o w l yd e c r e a s eb e c a u s eo ff a c t o r sl i k eb u m i n g ；w h e n r a i s i n gt h ea d d i n ga m o u n t ，t h ep h o s p h o r o u sa b s o r p t i o na m o u n ti ss u r et oi n c r e a s e ， b u tt h ea b s o r p t i o nr a t ew i l ld e c r e a s e p h o s p h o r o u sa b s o r p t i o nr a t ew i l l a l s oc h a n g ea f t e ra 1 一pm a s t e ra l l o y sa r e p r o c e s s e d w h e na 1 一s i pm a s t e ra l l o y sa r er e - m e l t e du n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e t h eo n eu n d e rah i g h e rt e m p e r a t u r et h a tc o n t a i n sa l pf l a k e s h a sah i g h e r p h o s p h o r o u sa b s o r p t i o nr a t et h a nt h a to ft h eo n eu n d e ral o w e rt e m p e r a t u r et h a t c o n t a i n sa l pb l o c k s ；p h o s p h o r o u sa b s o r p t i o nr a t ee x h i b i t sal a r g ei n c r e a s ea f t e r a l - pm a s t e ra l l o yi se x t r u d e du n d e rh e a t p h o s p h o r o u sa b s o r p t i o nr a t ea l s oh a sa no b v i o u si n c r e a s ew h e na d d i n go t h e r m a s t e ra l l o y ss u c ha sa l r i b a l j r i 一- ba n da l f i - 1 cd u r i n gt h em o d i f i c a t i o n u s i n ga lp , d u et ot h ei n t r o d u c eo fe x t e r n a lp a r t i c l e s p h o s p h o r o u sa b s o r p t i o nr a t ei ss t u d i e dw h e nt h ec o m p o n e n t so fa l - pm a s t e r m l o y sc h a n g e i tc a nb ef o u n dt h a tw i t ht h ei n c r e a s eo ft h es i l i c o na m o u n ti n a l s i - pm a s t e ra l l o y s p h o s p h o r o u sa b s o r p t i o nr a t ew i l lf i r s ti n c r e a s ea n dt h e n d e c r e a s e ，a n dt h ed i v i d i n gp o i n ti st h ee u t e c t i cc o m p o s i t i o n ；a 1 一s i - pm a s t e ra l l o y s 山东人学硕十学位论文 c o n t a i n i n gt i b 2 t i cp a r t i c l e sh a v eh i g h e rp h o s p h o r o u sa b s o r p t i o nr a t et h a nt h o s e w i t h o u ts u c hp a r t i c l e s ；a l z r - - pm a s t e ra l l o ya l s oh a sag r e a tm o d i f i c a t i o ne f f e c t w i t har e l a t i v e l yh i g ha n ds t a b l ep h o s p h o r o u sa b s o r p t i o nr a t e k e yw o r d s ：a 1 s ia l l o y ；m o d i f i c a t i o n ；a l p ；d i s s o l u t i o n ：p h o s p h o r o u sa b s o r p t i o n v 山尔人学硕+ 学位论文 第一章绪论 1 1a l _ s i 活塞合金的发展现状与趋势 铝的比重小【，塑性好，具有优良的导电性和导热性，表面有致密的氧化 膜保护，抗腐蚀性好，而且回收成本低，是一种可持续发展的有色金属。在纯 铝中，加入其它金属或非金属元素，能配制成各种可供压力；0 n m 或铸造用的铝 合金。由于铝的比重小，其比强度( 抗拉强度比重) 远比灰铸铁、铜合金和 球墨铸铁的高，仅次于镁合金、钛合金和高合金钢。铝及其合金的这些优点， 决定了它越来越广泛的应用。 铸造铝合会具有优良的铸造性能【2 1 ，铸造方法也很多，可以根据使用目的、 零件形状、尺寸精度、数量、质量标准、机械性能等各方面的要求和经济效益， 选择最适：区的合金和铸造方法，因此，铸造铝合金在所有铝合会中占了相当大 的比重，获得了广泛的应用。铸造铝合金【ij 主要有a l s i 、a 1 - c u 、a l _ m g 、a l - z n 四类。其中a l s i 类合金( s i 5 ) 在工业上应用的时间虽然较a k u 类合金 晚，但它具有优良的铸造性能，如收缩率小、流动性高、气密性好和热裂倾向 小等，经过变质处理之后，还具有很好的机械性能、物理性能和切削加工性能， 因而成为铸造铝合金中品种最多、用量最大的合金。 铝合金最早于1 9 0 3 年试用于内燃机活塞，其成分为a 1 1 0 z n - 3 5 c u ， 然而耐热性不能满足要求，无法应用于生产，但对活塞材料的发展是个突破。 随后欧美研制出a i 一8 c u 合金，改进了活塞的耐热性，基本上满足了当时活 塞的使用要求，因而该合金曾盛行了一个时期。1 9 2 1 年“y 合金” ( a l _ 4 c u - 1 5 m g - 2 0 n i ) 问世，合金中加入c u 和m g 起到弥散强化作用， 加n i 生成n i a l 3 金属问化合物，提高了合金的抗高温蠕变能力。这样， “y 合金 以其高耐热性、较好的铸造和锻造性能而作为典型的活塞用铝合金而广 泛使用。我国研制成功r r 合金( a l _ 2 c u _ 1 s i - 1 f p l 5 m g - 1 n i ) ，通 过加入n i 、f e 等合金元素提高了耐热性【3 1 。 1 9 2 0 年p a c z 发现n a 对a l - s i 二元共晶合金具有变质作用【4 1 ，能改变合金 的显微组织，显著提高合金的机械性能，a l _ s i 共晶合金开始应用于活塞生产。 第一章绪论 1 9 2 4 年德国k s 公司研制成功膨胀系数低于“y 合金”的a 1 一s i 系活塞合金一 一k s 2 4 5 合金( a l 一14 s i - 4 5 c u 一1 5 n i - - - 0 7 m g ) 。19 2 6 年k s 公司研制 成功过共晶a l s i 合金k s 2 8 0 ，达到进一步降低合会热膨胀系数的目的。从此， 过共晶a 1 一s i 合金得到了发展。1 9 2 9 年美国a l c o a 公司取得了共晶a l s i 合会 的专利。由于共晶a l s i 合金具有热膨胀系数小、高温强度高、体积稳定性好、 耐磨性好、工艺性能好、成本较低等优点，因此在活塞材料中逐步占据统治地 位【3 1 。 我国解放初沿用了前苏联的a l c u 系合金a 月1 0 b ，相当于我国以前 用的z l l l 0 合金。6 0 年代中期我国的活塞厂在已有合金的基础上加入微量稀 土元素【l 】，使合金高温性能得到改善，促进了我国活塞材料的发展。到7 0 年 代初，在全国活塞行业活动的倡导下，大力推广a l s i 系活塞材料，逐步取代 a i - c u 系合会。 1 9 7 1 年采用加磷变质处理工艺，研制成功了金相组织呈过共晶型的共晶 a l s i 合金z l l 0 8 和z l l 0 9 5 1 ，并在生产中逐步得到推广应用。到7 0 年代 中期开始对过共晶a 1 一s i 合金进行研制。 活塞铝合金材料经历了从亚共晶到共晶再到过共晶的发展过程，而汽车用 发动机正向着高转速、高增压、低排放的要求发展，传统活塞材料的关键性能， 如高温疲劳强度、耐磨性已不能满足起日益发展的要求。近年来常出现活塞顶 部因高温而龟裂和第一道环槽磨损等破坏现象。为此出现了复合材料活塞、组 合式活塞、不锈钢活塞等。然而这些活塞制造工艺复杂，生产率低，制造成本 高，实际生产批量小，应用范围有限。 目前，国内外活塞企业主要采用共晶和过共晶a l _ s i 合金生产活塞，但都 致力于改善传统的a 1 s i 合金的综合性能。通过调整a 1 一s i 合金中元素的种类 和含量，可以提高其力学性能，适应高性能、大功率发动机的要求，而在合金 基体中获得细小均匀分布的初晶s i 则可以大大提高活塞的耐磨性能。因此， 如何对共晶和过共晶a 1 一s i 合金进行有效的变质，如何调整合金的组成成分成 为发展活塞合金的关键，也是目前国内外活塞行业研究和发展的方向。 2 山东大学硕士学位论文 1 2a l _ s i 合金的组织和力学性能特点 1 2 1a m j 合金的组织特点 a l s i 二元合金具有简单的共晶型相图【l 】( 如图1 1 所示) 。室温下仅形成仅 和p 两种相。0 【相是s i 溶于a l 中的固溶体，性能和纯a l 相似，所以也可以写 成a ( a d 相。在共晶温度5 7 7 时，s i 的最大溶解度是1 6 5 ，室温时只有0 0 5 ； 1 3 是a l 溶于s i 的固溶体，其溶解度至今尚未完全确定，其量极微，故可将1 3 相看成是纯s i 。当s i 量在1 6 5 1 2 6 时，结晶过程中先析出q 相，到5 7 7 时， 析出( c t + p ) 共晶体。通常把共晶体中的p 相称为共晶s i ，它在铸念下，若不 经变质处理，呈粗大的片状；共晶和过共晶成分的合金组织中出现的初晶p 相 称为初晶s i ，它在铸态下，若不经变质处理，呈粗大的多角形块状或板状。 二元a l - s i 合金中，随着含s i 量的增加，合会的结晶温度范围不断变小， 组织中共晶体的数量不断增加，合金的流动性( 充型能力) 显著提高。随着含 s i 量的增加，合金的线收缩率也随之下降，热裂倾向也相应减少。根据生产经 验，常用a l s i 合金的含s i 量均在5 以上【l 】。 图1 1a l _ s i 合金二元相图 f i g 1 1p h a s ed i a g r a mo fb i n a r ya i - s ia l l o y s 第一苹绪论 1 2 2a 1 s j 合金的力学性能特点 二元a l _ s i 合金中，随着含s i 量的增加，合金的结晶温度范围不断变小， 组织中共晶体的数量不断增加，合金的流动性显著提高；s i 相的增加提高了合 会的抗拉强度。但s i 相在未经变质处理以前，在共晶体中一般都呈片状分布， 严重地割裂了基体，由于应力集中的结果，使伸长率显著降低；当s i 量超过 1 3 1 4 时，未变质的过共晶a l s i 合金由于初晶s i 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1 以下，抗拉强 度也只有i o o m p a 左右，失去了使用价值。因此生产中必须对合金中的初晶s i 进行细化，使初晶s i 颗粒粒度变小，分布均匀、弥散，从而大大改善过共晶 a l - s i 合金的力学性能，使其获得了广泛的应用。目前工业应用的a l s i 合金中 s i 的质量分数已从1 8 提高到2 2 2 6 ，s i 的质量分数越高，初晶s i 的细化就 越关键【“8 1 。 二元a 1 一s i 合金力学性能主要取决于s i 粒子的形状和分御状念，不论是共 晶体中的s i ，还是初晶s i ，如果既细又圆，同时分布均匀，则合金既有高的塑 性，又有相当高的强度9 1 。 1 3 提高a l _ s i 合金力学性能的主要途径 为了既能保持a l s i 合金的固有优点，又能使机械性能有更大幅度的提高， 近几十年来，世界各国铸铝工作者研究并采用了不少行之有效的措施，使这类 合金的抗拉强度有的高达3 5 0 - - 4 0 0 m p a ，伸长率大幅度提高，使其应用更为广 泛。 这些措施主要包括f l 】：( a ) 变质处理；( b ) 合金化和热处理；( c ) 减少合金 中的有害杂质；( d ) 改进铸造方法。其中前两种方法是铝合金生产行业研究的 重点，也是改善合金综合性能的有效方法。 1 3 1a h i 合金的合金化 绝大多数内燃机活塞都采用具有低膨胀系数的共晶和过共晶a l _ s i 活塞合 金铸造，这是因为这类合金能提供最好的综合性能。为提高活塞合金的综合性 4 山东大学硕士学位论文 能，在a l s i 合金中加入m g 、c u 、n i 、t i 、m n 及其它强化元素可组成多元合 金，而且工业生产中还不可避免地含有杂质元素f e 。这些元素一方面能不同程 度地溶入a 固溶体中，使固溶体结构复杂化，提高合金的强度；更为重要的是， 它们在合金中生成m g a s i 、c u a l 2 、a 1 2 c u m g 、a 1 4 m g s c u 4 s i 4 等化合物相。它们 在a 固溶体中的溶解度随温度的下降而降低，经淬火( 固溶化) 和时效处理后， 使合金的力学性能大大提高。这些化合物相通常称为“强化相”。 1 3 2 减少合金中的有害杂质 用高纯a l 和高纯s i 配制a l s i 合金时，即使不经变质处理也能获得良好 的变质组织，显示出很高的力学性能。在生产实践和科学研究中发现在a l s i 合金中，如果f e 、c a 等杂质含量或含气量增大时，将使合金性能明显降低【l 】。 ( 1 ) 杂质f e 的有害作用和消除方法 f e 是a l s i 合会中的主要杂质，它主要来自炉料、坩埚和熔炼工具。在 铸造a l s i 合金中，f e 常以1 3 ( a 1 s i f e ) 铁相出现。p 铁相硬而脆，往往以粗大 的针状穿过a a l 晶粒，大大削弱了基体，降低了合金的力学性能，尤其是伸 长率和冲击值。 f e 一般在a l s i 活塞合金中被视为降低合金机械性能的杂质元素，f e 相 的形貌变化与合金成分密切相关。f e 以针状存在时降低合金的室温机械性能 ，但以汉字状或鱼骨状存在时，可以提高合会的高温强度，高温处理( 熔体 过热到9 0 0 。c 以上) 可以改善f e 相的影响【3 1 ，这与我国活塞行业当前对f e 相 作用的了解以及所采取的控制f e 相形貌的措施全然不同【l o 】。 为了消除f e 相的有害作用，可以加入微量m n 、c r 、m o 、b e 等元素。其 中由于m n 的来源广，价格便宜，在工业生产上得到了广泛的应用。加入这些 元素的作用是使粗大针状p 铁相变成新的复杂多元化合物( 例如a 1 s i m n f e 相) ，消除了原有针状铁相削弱基体的有害作用。但是m n 量加入不宜过多， 否则将形成粗大脆性化合物，降低合金的力学性能。 ( 2 ) c a 元素的影响 杂质c a 大多是由原材料( 结晶s i ) 带入合金中的，以硅化钙( c a 2 s i 、c a s i 、 c a s i 2 ) 、氮化钙、磷化钙等化合物的形式出现。当合金中杂质c a 较多时，会 5 第一章绪论 使合金熔体流动性变差，容易吸气和发生微观针孔或缩松，并产生偏析性硬脆 化合物，严重时将使铸件废品率明显上升【1 1 。所以，若用含c a 量过多的低牌 号结晶s i 时，较难获得高质量铸件。 1 3 3a l - s i 合金的变质处理 在活塞生产上广泛应用的主要是共晶和过共晶a 1 一s i 合金。共晶a 1 一s i 合 金未变质时，共晶s i 板片是通过孪晶方式长大的，孪晶面为( 1 1 1 ) 面，在一个共 晶团内部s i 板片起源于一个核心，所以是连续的i i 。共晶a 1 _ s i 合金未变质时， 共晶s i 呈板片状分布在a l 基体中，以至影响合金的力学性能、机加工性能等。 当材料中s i 含量超过共晶成分时，在组织中出现大量的层片状共晶s i 和多角 形或板片状的初晶s i 相，它们严重割裂基体，使塑性急剧降低，从而限制了 a 1 一s i 合会材料的应用。理想的组织应该是在基体上均匀地分布着一定数量的颗 粒状初生s i 相和短棒状共晶s i 相，这样既能保留基体良好的韧性，又能充分 发挥初生s i 相和共晶s i 相的增强作用。因此，必须改善合金的组织结构，即 对合会中的初晶s i 和共品s i 进行细化处理。 a l s i 合金的变质或细化，包括初晶0 【固溶体、共晶体和初晶s i 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( 细化) 剂或元素来实现的。 1 9 2 0 年p a c z 4 】最新报道了a l s i 系中的变质行为，是在熔炼中偶然加入了 n a f 盐后得到的f 12 1 。随后，许多研究者探讨了各种各样元素的变质效果【1 姐。 1 3 2 1a l _ s i 合金共晶体的变质 共晶成分的合金组织，通过加n a ( 或n a 盐) 、s r 、s b 等变质剂变质处理， 由原来的粗片状共晶体( 仅+ s i ) 基体上分布着少量多角形初晶s i 的组织，变为 由树枝状的0 【固溶体和( c 【+ s i ) 共晶体组成的亚共晶组织，共晶体中的s i 也变 为珊瑚状【l 】。由于组织的显著变化，合金的室温机械性能特别是伸长率得到很 大的提高，切削加工性能也有明显地改善。 近些年来，运用现代测试技术的观察结果，对n a 变质机理提出了几种理 论，择其要者说明如下： ( 1 ) s i 晶粒的成长受抑制理论 6 山东人学硕十学位论文 a l s i 共晶成分的合金凝固时，s i 与a l 的共晶结晶属于“小平面非小平 面”共生，由于s i 在a l 液中的扩散速度大，s i 晶核容易得到s i 原子而成长为 晶粒。因此，s i 在共晶转变时是先导相，先析出板状s i ，接着在s i 晶体的基础 上析出长片状的连续的共晶s i 【2 2 划】。 加入微量n a 后，n a 原子不溶于0 【固溶体内，而呈薄膜状吸附在s i 晶核和 伐晶核的表面上。共晶转变时，一方面n a 原子薄膜使液相中析出来的s i 晶体 固液界面上凹凸不平，凸起部分就形成分叉的共晶s i ；另一方面，吸附在0 【晶 核表面的n a 原子较之s i 晶核表面少得多，以及n a 对a l 原子扩散的阻碍作用 比s i 原子小，所以加n a 后将使a 晶核得到优先结晶和生长，因而共晶组织中 出现了初晶仅。0 【固溶体的优先析出，很快地包围了尚未长大的s i 晶体，也就 限制了s i 晶体的长大。从电子扫描显微照片中可以清晰看到变质前的s i 晶体， 呈粗片状，加n a 后成为分叉的棒状【2 5 1 。 同时，加n a 后，提高了合金液的粘度，使合金液对流减弱，原子扩散困 难，因而易于达到较大的过冷度，而使晶体生长速度减慢。有人测得6 0 7 。c 加 n a 后在合会液中s i 的扩散系数，仪为加n a 前的15 ，证实n a 有阻碍s i 原子 扩散的作用。 变质后的合金液，通过振动或剧烈搅动，变质效果会很快消失，证明s i 晶 粒表面有n a 的薄膜存在。 ( 2 ) s i 晶核的生成受到抑制理论 这一理论认为：在合金液中存在着一些未熔化的s i 晶体( 因为s i 的熔点 为1 4 1 4 ，