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摘要 以金相分析、力学性能测试为主要研究手段，辅助以s e m 分析、d s c 分析 等实验手段，研究了热挤压变形对铸造a i - s i - c u - m g 合金微观组织和力学性能的 影响，以及b i 对铸造和变形a 1 s i c u - m g 合金微观组织和力学性能的影响，并 对机理进行了讨论。 首先，对铸造灿s i c u - m g 合金试样实施热挤压变形，考察了变形工艺对其 组织和性能的影响。研究表明，热挤压变形可以球化共晶硅颗粒，焊合缩孔、缩 松，从而使合金铸态下的抗拉强度由2 0 5 m p a 提高到2 6 0 m p a ，伸长率由3 2 提 高到1 0 ，分别提高了2 6 8 和2 1 2 5 研究还表明，t 6 处理工艺对合金变 形的力学性能有着重要的影响。经试验确定，变形a 1 s i c u - m g 合金的最佳t 6 处理工艺为5 2 0 x1 0 1 1 + 2 0 0 x1 0 h ，此时合金具有最佳的综合力学性能，抗 拉强度达到4 0 1 7 m p a ，伸长率约为4 9 ，硬度为1 3 6 - 1 4 1 i - i b s ，与铸造 a i - s i c u - m g 合金t 6 态力学性能相比，强度提高了3 6 1 ，伸长率提高了1 2 0 0 ，硬度提高了2 7 3 。 再次，研究了b i 对铸造和变形a 1 s i c u - m g 合金微观组织和力学性能的影 响，发现：b i 对铸造a 1 s i c u - m g 合金具有较好的变质作用，b i 变质后，共晶 s i 由粗大的针片状变为细小的纤维状，同时初生a - a i 枝晶得到细化；与未变质 的合金相比，加入3 b i 变质后，其铸态抗拉强度提高了3 9 ，伸长率提高了 6 2 5 n 。研究还发现，b i 对变形a i s i - c u - m g 合金有较好的变质作用，b i 变质后， 合金变形后的共晶硅颗粒更加细小，分布更加均匀 最后，分别比较了铸造和变形a 1 - s i c u - m g 合金与成分相近的铸造铝合金 z l l 0 8 以及变形铝合金4 0 3 2 力学性能之间的关系，发现：与成分相近的铸态铝 硅合金z l l 0 8 相比，铸造a i - s i - c u - m g 合金铸态强度提高了5 1 ，伸长率由0 2 提高到3 2 ，t 6 态强度提高了1 5 7 ，伸长率由0 2 提高到0 5 ；与成分相 近的变形铝合金4 0 3 2 相比，变形a i - s i - c u - m g 合金t 6 态强度提高了7 4 ，伸 长率由o 2 提高到6 5 ，硬度提高了1 6 7 关键词：铝硅合金；熟挤压；热处理；变质处理；力学性能 山东大学硕士学位论文一高强高韧可锻铸造a i - s i - c u - m g 合金 i nt h i sp a p e r , t h em i c r o s t m c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa i - s i - c u - m g c a s t i n ga l l o yh a v eb e e ni n v e s t i g a t e db ye m p l o y i n gt h em c t a l l g r a p h i ca n a l y s i s 、s e m a n a l y s i sa n dd s ca n a l y s i s ，a n dt h ee f f e c to fb io nm i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fc a s t i n ga n dw r o u g h ta i - s i - c u - m ga l l o yh a v e b e e ns t u d i e d , t o o a n dt h e m e c h a n i s mh a sb e e nd i c u s s e d f i r s t l y , h o te x t r u s i o nw a sc a r r i e do u ti na i - s i - c u - m gc a s t i n ga l l o ys a m p l e sa n d t h ee f f e c to fh o te x t r u s i o no nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h i s a l l o yw a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eh o te x t r u s i o ni m p r o v e s a s - c a s t m i c r o s t r u c u t r e , s p h e r o i d i z e sg r a i n so f e u t e c t i cs i ；h o te x t r u s i o nc a nm a r k e d l yi m p r o v e t h em e c h a n i c a lp f o p 硎铭o ft h i sa l l o y , e s p e c i a l l yd u c t i l i t y o w i n gt oh o te x t r u s i o n , t h et e n s i l e - s t r e n g t ha n de l o n g a t i o np e r c e n t a g eo ft h i sa l l o yw i t h o u th e a tt r e a t m e n t i n m a s e sb y2 6 8 a n d2 1 2 5 r e s p e c t i v e l y i ti sa l s os h o w nt h a tt 6h e a t - t r e a t m e n t t e c h n i q u e sp l a ya l lh a p o r t a n tp o l ei nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa i - s i - c u - m gw r o u g h t a l l o y e x p e r i m e n t sc o n f i r mt h a tt h eo p t i m a lt 6h c a t - u e a t m e n tt e c h n i q u ei s5 2 0 3 3 1 0 h + 2 0 0 x 3 1 0 h , a n dt h e nt h ea l l o yh a so p t i m a lm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，t h et e n s i l e s 仃e n g t h 、e x t e n s i l b i l i t ya n dh a r d n e s sa r e4 0 1 7 m p a 、4 9 a n d1 3 6 - 1 4 1 髓s r e s p e c t i v e l y , a n dt h et e n s i l es t r e n g t h 、e x t e n s i l b i l i t ya n dl m r d l l t m sa r ci n c r e a s e db y 3 6 1 、1 2 0 0 a n d2 7 3 ，c o m p a r e d 诵t ht h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f a l - s i - c u - m g c a s t i n ga l l o yt r e a t e db yt 6h e a t - t r e a t m e n t s e c o n d l y , b iw a sa d d e dt oc a s t i n ga n dw r o u g h ta i s i c u - m ga l l o y , a n dt h e i n f l u e n c eo fb io nt h em i c r o s t m o u r ea n dm e c h a n i c a lp r o e a l i e so ft h ea l l o yw a s s t u d i e d 1 1 r e s u l t ss h o wt h a tb ih a sm a r k e m ym o d i f y i n ge f f e c to l la i - s i - c u - m g c a s t i n ga l l o y ；, i to c c u r st h a tt h em o d i f a c t i o no fe n t e c t i cs if r o mf l a k et of i b r o u sa n d g r a i nr e f i n e m e n to fp i m a r ya - a l ；c o m p a r e dw i t hu n m o d i f i e da l l o y , t h ec a s t i n g t e n s i l e - s t r e n g t ha n de l o n g a t i o np e r c e n t a g eo ft h ea l l o yw i t h3 b ia d d e d 批 e n h a n c e db y3 9 a n d6 2 5 r e s p e c t i v e l y 刖忙r e s u l t sa l s os h o wt h a tb ic a l l m a r k e d l yi m p r o v et h em i c r o g t r u c t u r eo f a l - s i - c u - m gw r o u g h ta l l o y f i n a l l y , i ti sc o m p a r e dt h a tt h em e c h a n i c a lp r o e r t yb e t w e e nc a s t i n ga n dw r o u g h t h i 山东大学硕士学位论文一高强高韧可锻铸造a i - s i - c u - m g 合金 砧- s i - c u - m ga l l o ya n da ic a s t i n ga 1 1 0 yz l l 0 8o ra 1w r o u g h ta l l o y4 0 3 2 i ti s d i s c o v e r e dt h a t , c o m p a r e dw i t hz l l 0 8 ，t h et e n s i l es t r e n g t ho fa s - c a s ta i - s i - c u - m g c a s t i n ga l l o yi si n c r e a s e db y5 1 ，a n do x t e n s i b i l i t yi se 帕h a n c e df r o m0 2 t o3 2 ； a n dt h et e n s i l es t r e n g t ho fa i s i - - c u - m gc a s t i n ga l l o yt r e a t e db y t 6h e a t - t r e a u n e n ti s 1 5 7 9 缸a n dv x t e n s i b i l i t yi se n h a n c e df r o m0 2 t o0 5 。a n di ti sf o u n dt h a t , c o m p a r e dw i t h4 0 3 2 t h et e n s i l es t r g t ho f a l s i - c u - m gw r o u g h ta l l o yt r e a t e db y t 6 h e a t - t r e a t r n a n ti si n c r e a s e db y7 4 ，e x t o n s i b i l i t yi se n h a n c e df r o m0 2 t o6 5 ，a n d h a r d n o s si si n c r e a s e db y1 6 7 k o yw o r d s ：a 1 - s ia u o y ；h o te x t r u s i o n ；h e a tt r e a t m e n t ；m o d i f i c a t i o n ；m e c h a n i c a l p r o p e r t y 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技成果。对本人的研究做 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：日期：垫1 1 墨生 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9 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：查量垂导师签名：竺碰日期：三竺玉兰箩 山东大学硕士学位论文一高强高韧可锻铸造a i - s i - c u - m g 合金 本文的主要创新点 本课题通过合金成分优化设计确定a 1 - s i - c u - m g 合金的化学成分，并采用半 连续铸造工艺获得铸棒，然后通过反挤压变形进一步提高合金的强度和韧性，从 而实现铸造铝硅合金的锻造加工。并研究了热挤压变形对铸造a i $ i - c u - m $ 合金 微观组织和力学性能的影响，并研究了b i 对铸造和变形a l - $ i c u - m g 合金微观 组织和力学性能的影响。本文的主要创新点如下： 1 发明了一种新型a i - $ i - c u - m g 合金该合金既可用于铸造成型又可用于 锻造成型。 2 研究了b i 对铸造和变形a i - s i - - c m - m g 合金微观组织和力学性能的影响。 v 山东大学硕士学位论文一高强高韧可锻铸造a i - s i - c u - m g 合金 第l 章绪论 1 1 国内外铝硅合金锻造生产的发展现状 铝硅合金具有密度和热膨胀系数小、尺寸稳定、耐磨性能好等特点，因此被 广泛应用于汽车、摩托车、航空航天工业以及家用电器等产品的制造【它是 铝合金中品种最多，用量最大的合金。 铝硅合金与铝铜、铝镁、铝锌等可以通过塑性变形成形的合金不同，液态铝 硅合金流动性优良，一直被作为铸造合金应用。对于亚共晶和共晶铝硅合金，铸 造过程中形成的板条状脆性共晶硅严重割裂铝基体，使得合金韧性、变形能力差； 对于过共晶铝硅合金，粗大的初晶硅与板条状共晶硅的双重影响导致了合金更差 的韧性和塑性变形能力这些原因导致了铝硅合金抗暴压能力差，高温下变形程 度小，成形非常困难 5 - 6 1 ，这是铝硅合金不作为变形铝合金的主要原因 1 2 铝硅合金锻件的特性 7 - 8 与铝硅合金铸件相比，铝硅合金锻件具有以下优点 ( 1 ) 铸态缺陷明显减少，a _ a 1 枝晶更加细小，共晶硅颗粒球化而且细小， 初晶硅颗粒细小而且其边角更为圆滑，共晶硅与初晶硅颗粒呈一定流 线型分布； ( 2 ) 合金室温力学性能显著提高，抗拉强度、延伸率以及布氏硬度都显著 提高； ( 3 ) 合金力学性能可靠性显著提高； ( 4 ) 合金更加美观耐用。 1 3 铝硅合金锻件市场分析 ( 1 ) 铝硅合金锻件的产销情况分析 由于铝及合金锻件具有以上一系列的优越性，在航空航天、汽车、船舶、 交通运输、兵器、电讯等工业部门备受青睐，应用范围越来越广泛据初步统计， 铝锻件在世界锻件总产量中由1 9 8 5 年的0 5 上升到了2 0 0 2 年的1 5 左右，目 前，世界上消耗锻件3 4 4 万吨左右，其中铝锻件占了5 0 万仇左右钛锻件和 高温锻件大约占o 5 ，即1 8 万讹左右，钢铁锻件仍然占绝大多数。从铝加工 山东大学硕士学位论文一高强高韧可锻铸造a l - s u - m g 合金 工业的角度来看，目前全世界铝产量( 包括再生铝) 为3 0 0 0 万妇以上，其中 8 0 要变成加工材，即目前世界上加工铝材年产量为2 4 0 0 万蚀左右，其中板、 带、箔材占5 7 左右，挤压材占3 8 左右。铝合金锻造材料由于成本较高，生 产技术难度较大，仅在特别重要的受力部位才应用，近十多年来，由于军工和民 用工业，特别是交通运输业现代化和轻量化的需要，以铝代钢的要求十分迫切， 因而，铝锻件和应用都得到了迅猛的增长。其中铝材中的比例已由1 9 8 5 年的o 5 增加到了2 0 0 2 年的2 1 ，即5 0 万垤左右。 为了满足军工和民用各部门对铝及铝合金锻件日益增长的要求，世界各国都 在集中人力、物力和财力发展铝锻压生产，设计和制造各种锻压设备，特别是大 中型水( 液) 压锻压机。但是，由于锻压设备比较贵，制造周期长，锻件生产技 术比较复杂，因而很难满足市场需要。目前世界上铝锻件的生产能力约为3 0 万 讹左右，不能满足消费量5 0 万讹的需求。中国由于大中型水( 液) 压锻造设 备少，生产能力低，远远不能满足工业部门对铝锻压件的需求，年缺口量在1 5 万讹以上。到2 0 1 0 年，由于我国的汽车、飞机、船舶的大量增加，铝锻件的年 消耗量可能达5 万蚀以上。 ( 2 ) 市场分析 由以上分析，铝及铝合金锻件主要用于要求轻量化程度大的工业部门，根 据当前各国的应用情况，主要的市场分布如下： 航空( 飞机) 锻件：飞机上的锻件占飞机材料重量的8 0 以上，如起落 架、框架、肋条、发动机动环、不动环等，一架飞机上所用的锻件上千种，其中 除了少数高温部件是用高温合金和钛合金锻件外，绝大部分已铝化。我国研制的 歼击机等军用飞机和民用飞机也在迅速发展，需要消耗的铝锻件也会逐年增加。 航天锻件：航天器上的锻件主要是锻环、轮圈、翼梁和机座等，绝大部 分为铝锻件，只有少数的钛锻件。宇宙飞船、火箭、导弹、卫星等的发展对铝锻 件的需求与日俱增。如近年来，我国研制的超远程导弹用a h j 合金壳体锻件， 每件重达3 0 0 多公斤，价值几十万元。 兵器工业：如坦克、装甲车、运兵车、战车、火箭弹、炮架、军舰等常 规武器上是用铝合金锻件作为承力件的数量大大增加，基本上替代了钢铁锻件。 汽车是使用铝合金锻件最有前途的行业，也是铝锻件的最大用户。主要 山东大学硕士学位论文一高强高韧可锻铸造a i - s i - - c u - m g 合金 用作轮毂( 特别是重型汽车和大中型客车) ，保险杠、底座大梁和其它一些中小 型铝锻件，其中，铝轮毂是用量最大的铝锻件，主要用于大客车、卡车和重型汽 车上近年来，在中小型汽车、摩托车和高级轿车上也开始应用。据统计，世界 上近年来铝轮毂用量的年增长速度达2 0 以上，目前使用量达l 亿个以上。我 国冈l j h , j 起步，但是一汽、二汽等大型汽车企业正在开始研发。随着汽车产量的增 加( 2 0 0 5 年我国汽车产量预计达6 0 0 万辆年，世界汽车产量可能要突破8 0 0 0 万辆年) ，铝轮毅和其它铝锻件的用量将会得到惊人的发展 能源动力工业上，铝锻件会逐渐替代某些钢锻件制作机架、护环、动环和 不动环以及煤矿运输车轮、液化天然气法兰盘、，一般都是大中型锻件。 船舶和舰艇上大量使用铝锻件作机架、动环和不动环、炮台架等。 在机械制造业上，目前主要用于木工机械、纺织机械等作机架、滑块、连 杆，以及交线攀等，仅纺织机用绞线盘铝锻件，我国每年就需要数万件，重1 0 0 0 多吨。 t t 模具工业上用铝合金模锻件制作橡胶模具、鞋模具及其它轻工模具，年用 量上万吨。 1 4 铝硅合金难以锻造的原因 金属的可锻性是衡量金属材料经受锻压成形难易程度一项工艺性能。可锻性 好表示该材料适应于锻压成形，可锻性差则会给锻压成形造成困难。 由于铸造铝硅合金可锻性差，目前国内几乎均采用铸造成型工艺。但是，在 常规铸造条件下获得的铝硅合金的微观组织中，共晶硅相为粗大的针片状，初晶 硅为粗大的多角块状，使合金丧失了必要的使用性能，同时恶化了合金的切削加 工性能，更不能通过变形使其强化。因此，该类合金力学性能受到限制【9 1 1 4 1 微观组织导致合金难以锻造 ( 1 ) s i 相的大小和形态导致合金难以锻造 在常规铸造条件下获得的共晶铝硅合金的微观组织中，如图1 1 所示，出现 板条状的共晶s i ，甚至出现出大的多角形板状初晶s i ，严重地割裂了a l 基体； 在s i 相的尖端和棱角处引起应力集中，合金容易沿晶粒的边界处，或者板状s i 坐东大学硕士学位论文一高强高韧可锻铸造a i - s i - - c u - m g 合金 本身开裂而形成裂纹，使合金变脆，机械性能特别是伸长率显著降低，切削加工 性能也不好。 图1 t 铸造共晶铝硅合金的铸态组织 f i 9 1 1t h e 勰l s t m i c r o s t r u c t u r e o f c a s t e u t e c t i c a i - s i a l l o y ( 2 ) f e 相的大小和形态导致合金难以锻造【1 2 】 铁在铸造铝合金中一直被认为是一种主要的有害杂质，各个国家、专业标准 均对其作了明确的限制，各企业标准对其控制更为严格。这主要是由于随铁含量 增加，在金相组织中会形成本身硬度很高的针、片状脆性铁相，它的存在割裂了 铝合金的基体，降低了合金的力学性能，尤其是韧性，并且使零件机械加工难度 增加，刀、刃具磨损严重，尺寸稳定性差等。 1 4 2 铸态缺陷导致合金难以锻造 经扫描电镜观察，铸造共晶铝硅合金拉伸试样端口存在明显的孔洞缺陷( 见 图1 2 ) ，文献 1 3 】表明此类缺陷是由于铝液在凝固过程中体积收缩而得不到铝液 的补充或由于凝固过程气体的析出而形成的，而且在铸件中是难以避免的【1 3 】。 这类缺陷的存在，一方面减少了受力的横截面积，另一方面在孔洞处容易造成应 力集中，受力过程中导致裂纹产生和扩展。 山东大学硕士学位论文一高强高韧可锻铸造a l - s i - c u - m g 合金 图1 2 铸造试样断口形貌 f i 9 1 2t h ef r a c t o g r a p ho f a s - e a s tt e s ts a m p l e 以上原因的综合作用，导致合金难以通过锻造使其强化。 1 5 改善铝硅合金可锻性的途径“棚 1 5 1 防止初晶s i 组织的残留及产生 共晶型a i - s i 系合金的熔铸生产，由于不对初晶s i 进行变质处理，在工艺措 施不到位的条件下铸锭中难免出现尺寸超标的初晶s i 组织。初晶s i 的纤维硬度很 高，它不仅增加切削加工刀具的磨损，影响材料组织的均匀性，还降低受力件的 使用寿命，因而是一种组织缺陷，需要严格限制，初晶s i 的晶粒大小一般要求不 超过0 0 8 m 。为了防止初晶s i 组织的残留及产生，根据笔者的经验，应采取下面 的措施。 1 5 1 1 避免采用低的熔炼温度 铸锭中残留的初晶s i ，主要来源于： ( 1 ) 利用a i - s i 中间合金间接合金化时，合金中的s i 含量远比a 卜s i 二元系 共晶点处的s i 含量高( 见图1 ) ，因而合金锭中有初晶s i 存在 ( 2 ) 利用液体硅铝明、结晶s i 块、s i 添加剂和s i 粉合金化时，加入共晶型 合金中的s i 本身就是初晶s i 。在共晶型合金的熔炼时，若熔炼温度低，熔体中的 初晶s i 得不到充分的溶解和扩散，因而可残留至铸锭中。根据工业生产的实践， 当用a i - s i 中间合金合金化时，其共晶型合金的熔炼温度一般应控制在7 6 0 8 0 0 1 5 1 2 控制共晶型合金s i 含量 山东大学硕士学位论文一高强高韧可锻铸造a i - s - c u m g 合金 a l s i - - 元素共晶点的含s i 量为1 2 6 ( 见图1 3 ) ，按金属学原理，在不平 衡冷却条件下，发生共晶点右移，其他合金组元对共晶点的位置也会有某种程度 的影响。共晶型4 0 3 2 、4 a 1 1 合金中的s i 含量上限为1 3 5 ，可能是理想条件下 不平衡冷却时的共晶点。工业生产条件下，合金成分不可能是绝对均匀的，而且 有浓度起伏存在，因此在实际生产中不宜将s i 含量控制过高，以免出现初晶s i 组织。 s 懦 图1 3a l s i 合金相图 f i 9 1 3t h ep h a s ed i a g r a mo f a i - s ia l l o y 工业生产的实践证明，将4 0 3 2 合金中的s i 含量控制在i i 2 1 2 5 ， 4 a l l 合金中的s i 含量控制在i i 7 1 2 6 是合适的。 1 5 1 3 注意熔体搅拌，确保成分均匀 若成分搅拌不均，熔体中将会出现s i 含量较高的区域，可导致初晶s i 组织的 形成。 1 5 2 合金的化学成分控制 共晶型4 0 3 2 、4 a 1 1 合金中，除含有较高的s i 以外，还含有适量的c u 、m g 、n i 等元素，合金中f e 含量的允许值也较高。 山东大学硕士学位论文一高强高韧可锻铸造a i - s - c u - m g 合金 本着既保证质量又注重节约的原则，在化学成分控制方面应注重以下几点： ( 1 ) c u 、n i 含量控制在中下限。我国c u 、n i 资源匮乏，价格昂贵，在保证 其值符合标准的前提下，应按中下限控制。 ( 2 ) m g 含量控制在标准的中上限。m g 是易氧化烧损的元素，4 0 3 2 和4 a l l 合 金的熔铸生产都是在较高温度下进行的，而且铸造作业时问长，因此，应将m g 含量控制在标准的中上限，并加强熔体保护 ( 3 ) s i 含量控制在标准的中下限。为了防止铸锭中出现初晶s i 组织，同时 改善铸锭的加工性能，应将s i 含量控制在标准的中下限。 f e 含量控制在0 5 以下共晶型合金中s i 含量很高，当f e 含量较高时易出 现含a 1 、f e 、s i 的粗大针状的p 相，该p 相不仅增加铸锭的裂纹倾向，还易产生锻 造裂纹。生产实践证明，将f e 含量控制在0 5 以下是合适的。 1 5 3 共晶s l 相的变质处理 共晶型a 卜s i 系变形铝合金，若在浇注前不进行共晶s i 相的变质处理，其铸 锭没有工业实用价值。 1 5 3 1 共晶s i 相的n a 变质 广泛用于工业生产的n a 变质剂为n a 盐，这是一种传统的变质工艺，常见的变 质剂的组分见表3 。 襄3 常见盐变质剂的组分 采用n a 盐变质剂的突出优点是可以获得满意的变质效果，同时变质成本低。 但有以下缺点： ( 1 ) n a 盐极易氧化挥发，变质有效期短，且可使熔体中氢含量增加。 ( 2 ) n a 盐变质剂中的n a f 有毒，损害人体健康，腐蚀工具、设备 ( 3 ) 没有重熔变质效果 山东大学硕士学位论文一高强高韧可锻铸造a l - s i - c u - m g 合金 在变形铝合金的熔铸生产中，使用的冶金炉通常为反射炉，容积较大，铸造 作业时间较长。工业生产的实践证明，运用n a 盐变质剂对共晶s i 相进行变质处理， 需采取特殊的工艺措施，减少变质后熔体中的n a 烧损，有效的延长变质有效期。 1 5 3 2 共晶s i 相的s r 变质 共晶s i 相的s r 变质，是继n a 变质后出现的新技术，它有与n a 相近的变质效果。 共晶s i 相的s r 变质，广泛应用的是含s r4 6 、6 8 、8 1 0 的a 卜s r 中间合金。该合金可用熔盐电解法生产，也可用向铝液中直接加金属 s r 的方法生产。 a l s r 中间合金可制成锭状，向浇注前的炉内熔体中加入；也可制成中9 5n u n 的线状，在浇注流口处连续加人。 s r 盐变质剂也曾在工业生产中应用，其中含有s r f 2 、s r c l 2 、n a 3 a i f 6 等，但 其变质效果不太稳定。 s r 变质的突出优点：可获得与n a 相近的变质效果；变质有效期长；无毒无烟 害，不损害人体健康；不腐蚀熔炼设备；有一定程度的重熔变质效果。s r 变质的 缺点主要是s r 可分解炉气中的水蒸气，使熔体中氢含量增加，且变质成本较高。 在变形铝合金的熔炼生产中，若在炉内用a 1 - s r 中间合金变质，需在熔体表面覆 盖含s r c l 2 的覆盖剂，以减少s r 的烧损，进而延长s r 变质的有效期，同时也有利 于降低熔体中的含氢量。 1 5 3 3 共晶s i 相的s b 变质【1 5 】 共晶s i 相的s b 变质，其变质效果略低于n a 的，通常采用含s b 5 8 的a 卜s b 中间合金将s b 加到合金中，s b 有长效变质效果。加s b 变质剂的合金对铸造凝固速 度敏感，如凝固冷却速度低或铸件壁厚较大时会降低变质效果。s b 可与合金中的 m g 形成m 9 3 s b 2 化合物，降低t m g 的强化作用。s b 可与n a 形成m 9 3 s b 2 化合物，因 此在熔铸生产中采用s b 变质时，不能使用钠盐。 1 5 4 抑制铸锭中气体缺陷的产生 生产实践证明，在共晶型a 卜s i 系合金铸锭的低倍试片上时有气孔缺陷产生， 并且随空气湿度的增加而加重。 山东大学硕士学位论文一高强高韧可锻铸造a i - s i - c u - m g 合金 1 5 4 1 气孔缺陷形成的原因 多年工业生产的经验证明，铸锭中的气孔缺陷主要在结晶温度范围较窄的合 金中产生，其本质原因是浇注前合金熔体中的含氢量高，结晶时析出的气体从敞 露液面排出受阻所致。就共晶型a i - s i 系合金而言，具体原因： ( 1 ) 为防止在s i 的合金化时残留初晶s i ，熔铸生产中的熔体温度控制较高， 因而吸收的氢量较多。 ( 2 ) 变质处理前的除气精练进行得不充分，精练后熔体中的氢含量仍然较 高。 ( 3 ) 变质剂质量低，如盐类变质剂脱水干燥不彻底，a 卜s r 、a 卜s b 变质合 金中的氢含量高，必将影响变质后熔体的氢含量。 ( 4 ) 变质后合金熔体的粘度增大，原因是、s r 的原子半径均大于a 1 ( r n i = o 1 7 1 3 m m ，r s , = o 1 8 3 6 m l ，r a 尸o 1 3 1 2 m ) 。有资料显示n a 变质后合金熔体粘度 可增加3 0 【埘变质后熔体粘度增加，结晶时析出的气体难于上升至敞露液面 排出。 ( 5 ) n a 、s r 变质剂的化学活性很强，极易在敞露液面上生成n a 、s r 的氧化 物，使敞露液面出现结壳现象，阻碍了析出气体的排出。 1 5 4 2 防止气孔缺陷的途径 为了防止缺陷的产生，根据生产实践经验采取以下措施： 鼢 ( 1 ) 加强对变质处理的炉内熔体除气精练，必要时可在浇注生产线上增加 除气装置或在液穴内采取吹氩气精练措施【1 6 1 。 ( 2 ) 避免采用较低的铸造温度和降低熔体的粘度。 ( 3 ) 及时清除敞露液面上的结壳，以改善析出气泡的排除条件 1 6 选题意义 锻压生产是向各个工业行业提供机械零件毛坯的主要途径之一。锻压生产的 优越性在于：它不但能获得机械零件的形状，而且能改善材料的内部组织、提高 力学性能。一般来说，对于受力大、力学性能要求高的重要机械零件，多数采用 锻压方法来制造。 在飞机上锻压件的重量占8 0 ，坦克上锻压件重量占7 0 ，汽车上锻压件 重量占6 0 ，电力工业中的水轮机主轴、透平叶轮、转子、护环等均是锻压而 山东大学硕士学位论文一高强高韧可锻铸造a i - s i - c u - m g 合金 成，从这些例子可以看出，锻压生产在工业行业中占有极重要的地位。 铝合金由于比重小、比强度、比刚度高等一系列优点，已大量使用在各个工 业部门，铝合金锻压件更成了各个工业部门机械零件必不可少的材料。 本课题旨在研发一种高强韧可锻铝硅合金，即可用于铸造成型又可用于锻造 成型加工，通过铸锻联合工艺可大幅度提高合金强度指标和韧性指标，满足目前 国防及民用日益增长的对铸造铝合金高强韧的需求。打破国内外现有铝合金只有 分别进行铸、锻加工的材料牌号的历史。铸造铝硅合金由于具有较好的力学性能 和切削性能，在车轮、活塞等汽车零部件、摩托车车轮制造业中占有重要地位。 由于铸造铝硅合金可锻性差，目前国内均采用铸造成型工艺。但是，在常规铸造 条件下获得的铝硅合金的微观组织中，共晶硅相为粗大的针片状，初晶硅为粗大 的多角块状，使合金丧失了必要的使用性能，同时恶化了合金的切削加工性能， 更不能通过变形使其强化。因此，该类合金力学性能受到限制。本课题旨在新研 制一种可锻的铸造铝硅合金。采用半连续铸造工艺获得铸棒，然后进行反挤压变 形进一步提高合金的强度和韧性。该项目完成后，可以获得一种具有高韧性的新 型铝合金材料，填补国内空白，可取代进口生产汽车及摩托车车轮、活塞、轴承、 双向斜盘等汽车零部件；同时，新材料的应用，可降低产品成本，提高生产效率， 提高产品性能。 1 7 主要研究内容 本论文以铸造铝硅合金为基，添加提高可锻性的合金化元素，通过半连续铸 造，反挤压变形，制得一种强度高，韧性好，并具有良好的耐磨性和尺寸稳定性 的可锻铸造铝合金新材料，可用于航空、航天、汽车、摩托车、机械等行业。主 要研究内容包括： ( 1 ) 可锻铸造a 1 一s i - c u - m g 合金成分设计； ( 2 ) a 1 s i c u - m g 合金的显微组织细化及变质工艺，熔体处理工艺设计； ( 3 ) a l - s i c u - m g 合金的组织遗传性研究； ( 4 ) a 1 s i c u - m g 合金的变形工艺及热处理工艺优化； ( 5 ) a 1 - s i c u - m g 合金产品试制及推广应用。 山东大学硕士学位论文一高强高韧可锻铸造a i - s i - c u = m g 合金 参考文献 1 c r i v e l l o n eg f u g a n t ia ，m u sc ，s a l i n a sd p e r m a n e n tm o l dg r a v i t yc a s t i n g c y l i n d e rb l o c kw i t hh y p e r e u t e c t i ca l u m i n i u ml i n e r s s a et r a n s a c t i o n s 2 0 0 1 ， 1 1 0 ( 5 ) ：3 0 3 3 0 9 2 s t o c k e r 只r u c k e r tf h u m m e r tkt h en f f v va l u m i n i u m - s i l i c o nc y l i n d e rb a r r e l t e c h n o l o g y f o rd i e - c a s ta l u m i n i u mc r a n k c a s t e s m t zm o t o r t e c h n i s c h e z e i t s c h r i f l 1 9 9 7 ；5 8 ( 9 ) ：1 6 - 1 9 3 o z b e ks ，s i n g e la r e s o m es p e c i a lm e t a lm a t r i xc o m p o s i t e s ( m m c s ) p r o d u c e d b ys p r a yc o - d e p o s i t i o n t h ei n s t i t u t eo f m e t a l s 1 9 8 7 ，9 ：1 - 3 4 l a v e r n i ae j g r a n tn j s p r a yd e p o s i t i o no fm e t a l s ：ar e v i 帆m a t e r i a ls c i e n c e e n g i n e e r i n g 1 9 8 8 ；9 8 ：3 8 1 - 3 9 4 5 a l t a nt m o d e mf o r g i n g m 】c o l u m b u so h i od e f e r e n c ei n d u s t r yp r e s s 。1 9 8 4 ： 4 5 1 2 2 6 周飞，彭颖红，雷军，等l d l l 合金活塞裙锻造成形坯料工艺上海交通大学 学报，2 0 0 1 ，3 5 ( 1 ) ：8 6 8 9 7 邵百明，杨弋涛，孙保良，等变形对铝硅合金铸件组织和性能的影响热加 工工艺，2 0 0 5 。4 ：2 5 - 2 8 8 李贞宽，边秀房，韩娜，等热变形对共晶铝硅合金铸件组织和性能的影响 特征铸造及有色合金，2 0 0 6 ，2 6 ( 1 2 ) ：8 0 0 - 8 0 1 9 中国机械工程学会铸造分会铸造手册嗍北京：机械工业出版社，2 0 0 2 ： 9 8 2 1 3 。6 3 3 6 6 3 1 0 铸造有色合金及其熔炼联合编写组铸造有色合金及其熔炼【h 叼北京：国 防工业出版社，1 9 8 5 ：6 7 1 2 3 1 1 陆文华，李隆盛，黄良余铸造合金及其熔炼【h q 北京：机械工业出版社，2 0 0 2 ： 2 6 2 2 6 9 1 2 罗启全铝合金熔炼与铸造 m 】广州：广东科技出版社，2 0 0 2 1 3 崔振山，徐秉业，任广升，等。圆柱体内部孔洞热锻闭合过程的数值模拟叨 塑性工程学报，2 0 0 2 ，9 ( 1 ) ：4 9 - 5 2 1 4 王德满a l - s i 系变形铝合金的熔铸工艺特点轻合金加工技术，2 0 0 5 ，3 3 ( 6 ) ： 山东大学硕士学位论文一高强高韧可锻铸造a l - s i - c u - m g 合金 l l - 1 3 1 5 黄恢元，刘伯操，蔡宗德，等铸造手册( 第三卷) m 北京：机械工业出 版社，1 9 9 7 2 7 6 1 6 黄良余铸造有色合金及其熔炼 m 北京：国防工业出版社，1 9 8 0 2 8 彭学仕铝合金半连续铸造中在液穴内精炼熔体的初探【刀轻合金加工技术，2 0 0 3 ，( 4 ) 5 - - 6 山东大学硕士学位论文一高强高韧可锻铸造a i - s i - c u - m g 合金 第2 章研究方案与实验方法 2 1 研究的主要方法和技术路线 2 1 1 研究方法： 1 参照国内外铸态高强韧性铸造铝硅合金的成分，分析相图，研究各种合金 元素在铝原子中的固溶度，以及生成第二相的情况以此进行成分和工艺参数的优 化设计 2 选者合适的变质剂，确定其合理的加入量及加入工艺。 3 参考国内外文献，选择合理的变形工艺。 4 研究不同热处理工艺对合金力学性能的影响，确定最佳热处理工艺，获得 最佳综合力学性能。 2 1 2 技术路线： 优化合金成分，改进熔炼工艺，选择合理的变形及热处理工艺。 研究的技术路线如图2 1 所示。 2 2 实验材料 试验用原材料的纯度：a 1 为9 9 7 ( 质量分数，下同) ，s i 为9 9 o ，c u 为 9 9 9 5 ，m g 为9 9 9 5 ，b i 为9 9 9 9 。试验a 1 - s i - c u - m g 合金的化学成分如表 2 1 所示。 表2 1a i - s i - c u - m g 合金的化学成分 t a b 2 1t h ec o m p o s i t i o n so f t h ee u t e c t i ca i s i - c u - m ga l l o y s 2 3 合金熔炼与铸造 2 3 1 熔炼与铸造方法简介 铝合金的铸造种类有很多，有重力铸造和压力铸造它们又可分成多种类型。 山东大学硕士学位论文一高强高韧可锻铸造a i - s i - c u - m g 合金 由于不同铝合金的组成不同从而表现出合金的物理、化学性能均有所不同，结晶 过程也不尽相同。故必须针对铝合金的特性，合理选择铸造方法，才能防止或减 少铸造缺陷的产生，获得优质铸件。熔炼方法根据熔炼炉的不同可分为两大类： 电炉和火焰炉。它们各有优缺点，适用于不同要求。 i 成分确定 l 浇注工艺变形工艺 l 热处理工艺 | _ jjj j 电 机 子金械 探 相性 热 针观能 分 分察测 析 析试 弋弋弋弋 i 实验结果综合分析 j 结论 图2 1 研究的技术路线 f i 9 2 1t h et e c h n i c a ll i n