（材料加工工程专业论文）铁路车辆用亚共晶alsi合金强韧化技术的研究.pdf

四j i i 大学硕士学位论史 铁路车辆用亚共晶a 卜s j 合金强韧化技术的研究 材料加工工程专业 研究生：廖乃镘指导教师：李伟教授 亚共品a l s i 合金具有比重小、比强度高、铸造性能和机械加工性能好、 耐腐蚀、容易回收利用、有利于节能、减轻制动、环境友好等等优点，已成为 机车车辆最有前途的轻合金材料之一，具有巨大的发展潜力。本文在综合论述 亚共晶a j s i 合金研究进展的基础上，用传统冶炼_ _ 艺，通过细化、变质处理 和正交热处理等工艺，研究开发适合铁路车辆非主要受力部件用的有一定塑韧 性的中商强度亚共晶a 1 一s i 合金。通过力学性能测试试验，采用光学显微镜( o m ) 、 扫描电予显微镜( s e m ) 、电子探引( e p m a ) 等现代材料分析测试手段，研究 了单一a 1 t i c 口a i 晶粒细化剂和s r 变质剂以及“a l t i c + s r ”复合细化变 质处理对亚共品a l s i 合金组织和性能的影响；讨论了t i 含量( 质量分数) 对 合金组织和性能的影响；探讨了t i c 作为异质结晶核心的细化机理以及t i c 与 s r 的共同细化作用；分析比较了两种熔体处理工艺( 单一a l t i c 细化处理和 “a 1 t i c + s r ”复合细化变质处理) 对热处理后的亚共品a l s i 合金组织和性 能的影响；研究了热处理工艺参数( 固溶时间、固溶温度、时效时削、时效温 度) 对合金组织和力学性能的影响程度，并探讨了热处理强化的机理。 研究结果表明： ( 1 ) a 1t ic 中间合会对亚共晶a l _ s i 合金枝品髓a i 相细化效果显著， 合金的力学性能得到了一定程度的改善。a 卜t i c 细化剂对亚共晶 卜s i 合金 的共晶s i 相有一定程度的“变质”作用，使共晶s i 得到一定程度的细化。但 共晶s i 在单一a 卜t i c 细化剂的作用下处于变质不足的状态，空间形貌仍然为 针片状结构。用s e m ( 带电子探针) 在结晶核心发现了富含t i 和c 元素的粒子。 ( 2 ) s r 元素能使共晶s i 相显著得到细化，但相对于a 卜t i c 细化处理来 讲2 一a i 相尺寸较大；s r 元素加入量达到0 卫( 质量分数) 时，共晶s i 帽有 过变质倾向：在s r 变质的同时，添加少量的a l t i c 晶粒细化剂，能使亚共晶 i 壁! ! 堡璧堕笙塑旦垩苎曼! ! ：墅鱼全堡塑些垫查堕窒 a l s i 合金的组织得到进一步的细化，表明：“a l t i c + s r ”复合细化变质处理 与单一a 1 t i c 细化处理和单一s r 变质处理相比，初晶口一a i 相和共晶s i 相都 得到了更大程度的细化，力学性能也相应得到提高，而且不存在所谓的“毒化 作用”。 ( 3 ) 当合金中的t i 含量较高( 质量分数0 7 5 ) 时，a 1 t i c 细化剂对口一a i 相的细化作用消失，合金显微组织中发现粗大的针状物。利用电子探针( e p m a ) 检测到该物相中含有a l 、t i 、o 、c ( 其中a 1 和t i 的原子分数比接近3 ：1 ) 。 这一结果对构建新型亚共晶a l s i 合金具有指导意义。 ( 4 ) 不同正交热处理工艺参数，对单一a l t i c 细化处理和“a 1 一t i c + s r ” 复合细化变质处理的亚共晶a 1 s i 合金组织和力学性能，有不同程度的影响。 a l “一c 细化处理的合会由于共晶s i 尺寸较大，固溶处理所需时间较长；经a 1 s r 和a l t i c 复合细化变质的亚共晶a 1 一s i 合金，热处理后抗拉强度和延伸率有不 同程度的提高。试验结果表明：单一a 1 t i c 细化处理的最佳热处理工艺为： 5 2 0 1 8 h + 1 7 0 8 h ；“a l - t i c + s r ”复合细化变质处理的最佳热处理工艺 为：5 2 0 1 6 h + 1 7 0 8 h 。 本文所得的结果可以为进一步探索铁路车辆用高强韧亚共晶a 1 s i 合金提 供参考。 关键词：铁路车辆；亚共晶a 卜s i 合金；细化处理：变质处理；正交热处理 四川大学硕士学位论文 s t u d yo nt h es t r e n g t h e n i n ga n dt o u g h e n i n go fh y p o e u t e c t i c a l s ia l l o y su s e di nr a i l w a yv e h i c l e s a b s t r a c t h y p o e u t e c t i ca 1 一s ia l l o y si so n eo ft h em o s tp r o m i s i n gl i g h tm e t a la l l o y sf o r r a i l w a yv e h i c l e sn o w a d a y sf o ri t sl o ws p e c i f i cd e n s i t y , h i g hs p e c i f i cs t r e n g t h ，g o o d c a s t a b i l i t ya n dm a c h i n a b i l i t y , e a s yr e c l a m a t i o n ，e n e r g ys a v ep r o p e r t y , e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o ne t c ，a n ds oh a sg r e a tp o t e n l i a l si nm o d e mi n d u s t r y b a s e do nd e t a i l r e v i e w so ft h ep r o g r e s so fh y p o e u t e e t i ca i s ia l l o y s ，t h ep r e s e n ts t u d yi n v e s t i g a t e d s o n l e h y p o e u t e c t i c a i s i a l l o y s w i mm o d e r a t em e c h a n i c a l s t r e n g t h f o r n o n h e a v y s t r e s s e dc o m p o n e n t s i n r a i l w a yv e h i c l e s t r a d i t i o n a l l ys m e l t i n g p r o c e s s e sl i k eg r a i nr e f i n i n ga n dm o d i f i c a t i o n ，a n dm a t h e m a t i c a l l yo r t h o g o n a l h e a t - t r e a t m e n tm e t h o d s ，w e r ec a r r i e do u tt o g e t h e r t h ee f f e c t so fa i - t i cr e f i n e r , s r a n dt ie l e m e n t so 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 l p r o p e r t i e s o ft e s t i n g 埘p o e u t e c t i ca 1 一s ia l l o y sh a y eb e e ni n v e s t i g a t e db ym e a n so fm e c h a n i c a lp r o p e r t y m e a s u r e m e n t ，o p t i c a lm i c r o s c o p y ( o m ) ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ， e l e c t r o np r o b em i c r o a n a l y s i s ( e p m a ) ，r e s p e c t i v e l y t h er e f i n e m e n tm e c h a n i s mo f t i ca n dt h ei n t e r a c t i v i t yb e t w e e nt i ca n ds rh a v eb e e nd i s c u s s e da c c o r d i n gt ot h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s i n f l u e n c eo nt h eh e a t t r e a t e dm 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 t e s t i n gh y p o e u t e c t i ca 1 一s ia l l o y sc a u s e db yd i f f e r e n tm e l tp r o c e s s e s ，t h a ti s ，r e f i n e d b ya l t i cm a t e ra l l o ya n d o rm o d i f i e db yt h ec o m b i n a t i o no fa 1 一t i cm a t e ra l l o y a n ds re l e m e n t ，h a sb e e na n a l y z e d s i m i l a r l y , t h ei n f l u e n c eo fh e a tt r e a t m e n t p a r a m e t e r ss u c ha ss o l u t i o nt e m p e r a t u r e ，s o l u t i o nt i m e ，a g e i n gt e m p e r a t u r ea n d a g e i n gt i m eo nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo ft e s t i n gh y p o e u t e c t i ca 1 一s i a l l o y sh a sa l s ob e e ns t u d i e d t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h e 口一a 1p h a s e so fh y p o e u t e c t i ca i - s ia l l o y sw e r eg r e a t l yr e f i n e db y a l t i ca d d i t i o na n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r ei n c r e a s e dt os o m ee x t e n t ， f u r t h e r m o r e ，t h ee u t e c t i cs ip h a s e sw e r em o d i f i e dt os o m ee x t e n tt o o ，t h o u g ht h e a c i c u l a r f i a k es t r u c t u r ec o u l dn o tb et h o r o u g h l yc h a n g e db ya 1 一t i cm a t e ra l l o y i n t h ec o r eo f 口一a 1c r y s t a l ，p a r t i c l e sw h i c ha r er i c hi nt ia n dcw e r ef o u n db ym e a n s 1 i i 鏖乃镘铁路车辆用弧共晶a 1 - s i 含金强韧化技术研究 o fe l e c t r o np r o b er n i c r o a n a l y s i s ( e p m a ) ( 2 ) t h ee u t e c t i cs ip h a s e sw e r ee v i d e n t l ym o d i f i e db ys rm o d i f i e r b u t ，t h es i z eo f 盘- a 1w a sr e l a t i v e l yl a r g e rw h e nc o m p a r e dw i t ht h a to ft 2 一a 1r e f i n e db ya i t i c r e f i n e r w h e nt h ea d d i t i o no fs re x c e e d e do 2 ( m a s sp e r c e n t ) ，t h e r e a p p e a r e d o v e r - m o d i f i e dm i c r o s t r u c t u r ew h i c hl e dt op o o rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s c o m b i n e d w i t ho 0 5 s r , m u c hl o w e ra 1 一t i cc o u l dl e a dt of i n e rc r y s t a l so f 口一a ia n de u t e c t i c s it h a nt h a ta d d e db ye i t h e ro fs ro ra 1 t i ca l o n e t h ep e r f o r m a l l c eo ft h e h y p o e u t e c t i ca i s ia l l o y sw a se n h a n c e do w i n gt ot h ef i n e rc r y s t a l sc a u s e db yt h e c o e x i s t e n c eo fa i t i ca n ds r f u r t h e r m o r e ，t h e r ew a sn o “p o i s o n i n ge f f e c t d u n n g t h i se x p e r i m e n t ( 3 ) w h e nt ia d d i t i o nw a s0 7 5 ，t h er e f i n e m e n te f f e c to f a l t i co na 。a lp h a s e d i s a p p e a r e d u s i n gac o m b i n a t i o n o fm e t a l l o g r a p h i ca n dm i c r o a n a l y t i c a lt e c h n i q u e s ， c o a r s ea c i c u l a r f i a k ep h a s e sw e r ef o u n dm a i n l yc o n s t i t u t e do fa 1 ，t i ，ca n do w i t l l i nt h ec o a r s ep h a s e s i tw a sf o u n dt h a tt h ea t o mf r a c t i o no fa 1t ot iw a s a p p r o x i m a t e l y 3 ：1 t h i s e x p e r i m e n t a l r e s u l tw a sb e n e f i c i a lt on e w t y p e o f h y p o e u t e c t i ca l s ia l l o y s ( 4 ) v a r i o u sp r o c e s s i n gp a r a m e t e r so fo r t h o g o n a lh e a t t r e a t m e n tr e s u l ti nd i f f e r e n t e f f e c t so nm i c r o s t m c t u r ea n dp e r f o r m a n c eo ft e s t i n gh y p o e u t e c t i ca 1 一s i a l l o y s r e f i n e db ye i t h e ra 1 一t i co r “a 1 一t i c + s r i tw a sf o u n dt h a th y p o e u t e c t i ca 1 s i a l l o y sr e f i n e do n l yb ya l 一雕一cr e q u i r e dl o n g e rs o l u t i o nt i m et h a nt h a to fa l l o y s r e f i n e db y a 1 一t i c + s r t h et e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o no ft h eh e a t - t r e a t e d a l l o y sw e r ei m p r o v e da sar e s u l to ft h ec o n b i n a t i o no fs ra n da l t i c t h er e s u l t s i n d i c a t e dt h a tt h eb e s th e a t - t r e a t m e n tp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sf o rh y p o e u t e c t i ca 1 - s i a l l o y sr e f i n e db ya l t i ca l o n es h o u l db e ：5 2 0 18 h + l7 0 8 h w 1 1 i l et h eb e s t h e a t - t r e a t m e n tp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sf o rh y p o e u t e c t i ca 1 一s i a l l o y sr e f i n e db y a 1 一t i c + s r ”s h o u l db e ：5 2 0 1 6 h + 1 7 0 8 h t h er e s u l t so ft h i si n v e s t i g a t i o nc o u l dp r o v i d er e f e r e n c e sf o rf u r t h e rs t u d i e si n h i g hs t r e n g t ha n dh i g ht o u g h n e s sh y p o e u t e c t i ca i s ia l l o y su s e di nr a i l w a yv e h i c l e s k e y w o r d s ：r a i l w a yv e h i c l e ；h y p o e u t e c t i ca i s ia l l o y ；r e f i n e m e n t ；m o d i f i c a t i o n ； o r t h o g o n a lh e a t - t r e a t m e n t 四川大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 铁路车辆用铸件的特点与现状 随着机械化、自动化程度的提高，在节能、节材、环保的要求下，材料的 轻量化问题日益提上日程。而轻量化要求材料有高的比强度和比刚度，以尽量 减轻自重，提高功率质量比。交通运输是国家三重要基础设施，是经济和社会 发展的先行。铁路作为交通运输的骨干，是国民经济的大动脉，要在与航空、 高速公路等运输行业的激烈竞争中立于不败之地，必须大力发展高速铁路。 目前用于制造铁路车辆铸件的材料视其所用部位的不同有铸钢、铸铁、铸 铝等多种，且以钢件为主。铁路机车车辆的大部分铸钢件，如构架、侧架、摇 枕、心盘及车钩等重要零部件，都是用z g 2 5 铸造而成。制动盘等零件常用铸 铁件制造，如日本采用n i - c r - m o 低合金铸铁来制造制动盘，用于东海道新干 线上。铸铝件重量轻，主要用于主电机冷却风扇、空气制动零件、发动机活 塞等比较小的零件。铸钢、铸铁材料的最大特点是具有良好的加工性和焊接性， 价格也比较经济，在铁路车辆系统有长期的使用经验，其特性也早已为人们所 熟知。存在的问题是铸件尺寸和重量大、耐蚀性较差。目前，对于铁路运输的 要求，已由过去的只顾安全、价格便宜、大量运输的时代向安全、快捷、环保、 节能、舒适新时代转变。新时代铁路运输如何满足乘客的多样化需求，如何考 虑噪音、节约能源等环保问题，如何解决全球规模的资源短缺等问题目益提上 日程。 由于铝具有储量大、开采冶炼多、密度小、比强度高、导电性能好、耐腐 蚀、外观漂亮、价格适中等一系列优点，使铝及其合金不但在航空、航天、舰 船等军事工业，而且在建材、家电、电力、运输等民用工业中占有重要的地位， 起着日益重要的作用。可见，轻量化除了在设计上采用新的技术以外，在材料 上选用铝合金材料则是主要对策，这为实现可持续发展具有重大的实际意义。 最近几年来，世界上许多国家都在进行机车车辆铸钢( 铁) 件铝合金化的 研究并取得了重大进展。位于幕尼黑的k n o r r - b r e m s e 公司( w e s t i nr h o u s e 制动 公司的母公司) 在铝制动盘、改进的闸片以及小型制动钳三个重要领域取得了重 大进展，该公司制造的铝制动盘现已在哥本哈根的电力多组动车、奥斯陆的 廖乃镘铁路车辆用亚共晶a 1 s i 台金强韧化技术研究 l r v 车、巴伐利亚固定编组列车、斯图加特的l r v 车、a a r 0 t 美铁路协会1 货车、慕尼黑地铁车、i c e l 列车车辆、a n s a l d o b r e d a 列车车辆、澳大利亚昆士 兰c a i m s 摆式列车以及香港特区九龙广州铁路的车辆上运用【2 1 。日本目前 正在尝试采用铝合金复合材料来取代铁系材料来减轻制动装置的重量 3 1 。我国 内地在列车车辆车辆铝合金化的研究方面也有一定进展。戚墅堰列车车辆车辆 工艺研究所自1 9 9 6 年开始进行高强度铝合金齿轮箱体的研究，先后试制了万向 轴式高速动力车齿轮箱体、提速列车车辆齿轮箱体、“蓝箭”高速动力车齿轮箱 体等”。 列车车辆铸钢( 铁) 件铝合金化可减少制动力，降低车辆对轨道线路的静、 动负荷，使线路的维修周期和钢轨的使用寿命大大延长，节约能耗，降低费用； 同时，由于运行电能消耗的减少，列车车辆轻量化还具有长远而显著的经济效 益。在维修方面，钢制车辆主要维修工作量是由于钢结构腐蚀而造成的，而铝 合金由于其耐腐蚀性能好使维修工作量明显减少。 1 2a i 及a l 合金的特点 纯铝比较软，富有延展性，易于塑性变形，容易铸造和回收再生，其表面 又有一层白色的薄层氧化膜，不但其抗腐蚀性能好，而且外观漂亮。如果根据 各种不同的用途，要求具有更高的强度和改善材料的组织和其他各种性能，可 以在纯铝中添加各种合金元素( 如c u 、m g 、m n 、t i 等) ，生产出满足各种性能 和用途的铝合金。铝合金可加工成板、带、条、箔、管、棒、线、自由锻件和 模锻件等各种加工材，也可以加工成铸件、压铸件等铸造材。从强度和耐蚀性 考虑，特别是从加工性来考虑，可根据使用部位的要求来选择适当的材料。 ( 1 ) a 1 一m g 系台金中用量最大的是5 0 8 3 ( l f 4 ) 合金，是含4 5 m g 的 非热处理型台金。其特点是具有良好的焊接性和耐腐蚀性，强度较高，低温韧 性良好。此外，5 0 5 2 合金、5 0 0 5 合金由于其良好的耐蚀性和中等强度，也有一 定程度的应用。 ( 2 ) a 1 - m g s i 系合金的主要特点是具有优异的挤压成型特性，可以挤压 出结构形状复杂、薄壁、中空的各种型材，该合金抗腐蚀性强、外观好、可以 无涂装使用。 四川大学硕士学位论文 ( 3 ) a i - z n 。m g 系合金不仅强度高，而且挤压性能好，具有良好的耐蚀性， 适于制造受力大的部件。 ( 4 ) a 1 l i 系合金具有低密度、高强度、高弹性模量以及良好的抗腐蚀性 能，成为航空、航天、舰船以及兵器工业中最有潜力的新型结构材料。但其塑 性、韧性较差，妨碍了它的广泛应用。 ( 5 ) a i c u 系合金，该类合金的特点是具有很高的机械性能，但其铸造工 艺性能很差，容易产生缩松和热裂，且耐蚀性较差，使其应用受到一定的限制。 ( 6 ) a i s i 系合金，它具有优怠的铸造性能，如收缩率小、流动性好、热 裂倾向小等，同时具有较好的机械性能、物理性能、切削加工性能和气密性， 是铸造合金中品种最多，应用最广的合金。 1 3 亚共晶a j _ s i 合金熔体处理技术 亚共晶铸造a l s i 合金是铝合金材料的重要组成部分之一，铝占地壳总量 的8 ，1 3 ( 质量分数) ，是金属元素中蕴藏量最丰富的元素，硅则为2 7 7 2 ( 质 量分数) ，在非金属元素中仅次于氧，在固体非金属元素中居第一，所以材料来 源及其丰富，是可以长期有效利用选择的材料。它具有良好的铸造性能，易于 生产形状复杂的零件，是研究和应用最为广泛的铸造铝合金，适用于各种铸造 方法。s i 作为该合金的主要合金元素加入，提高了合金的铸造性能，改善了流 动性，降低了热裂倾向，减少了缩松，提高了气密性，可获得组织致密的铸件。 该类合金具有良好的抗蚀性，中等强度，但塑性较低。s i 虽然改善了合金的铸 造性能，但是它对合金的基体强度与韧性均有所削弱( w s ， 7 ) 。国内、国外 铸造a l s i 合金的性能比较，见表1 1 。 尽管亚共晶铸造铝硅合金具有广阔的应用前景，但是其研究和应用也面临 着严重的挑战。首先，随着现代工业的飞速发展，人们对铸件的可靠性要求越 来越高，同时对合金综合性能和特种性能等要求也不断提高。如何使传统的铸 造a l s i 合金在新世纪继续保持发展势头，如何使得这种传统合金材料焕发新 的光彩，是摆在我们面前的重要课题。因此，a 1 s i 合金的研究主要是如何通过 合金元素强化、改变第二相组织、减少合金杂质含量、热处理技术以提高合金 的力学性能。 廖乃镘铁路车辆用亚若品a l - s i 合金强韧化技术研究 表1几种典型铸造铝硅合金机械性能对比。3 注：t 6 为吲溶处理及完全人工时效 1 3 1 优化合金成分 成分决定组织，组织决定性能。铸造a l s j 合金中，s i 主要是提高合金的流 动性，但对塑性不利，因此从合金的铸造性能和力学性能两方面考虑，s i 含量 不能太高也不能过低，目前现有的高强铸造a l s i 合金中s i 的含量一般为6 8 。c u 和m g 是a l s i 合金中两个最主要的强化元素，它们在热处理和时效过 程中形成m 9 2 s i 、c u a l 2 、w ( a i 。s i 5 c u 4 m g a ) 等弥散强化相，大大提高合金的强 度。在a l s i c u 系中，随m g 含量增加，强度急剧升高，而塑韧性下降。其机 制为，加入m g 后合金中增加了m 啦s i 和w ( a l 。m g s s i 4 c u a ) 两种强化相。所以， 为了使合金保持一定塑性，m g 宜控制在o 5 以下【6 l 。m n 在铝合金中形成 m n a i 。的弥散质点，阻止再结晶的粗大化，提高再结晶温度，有效地细化再结 晶晶粒，提高合金的强度，并且由于m n 的加入形成的化合物能够溶解大量的 铁，比如m n 3 s i 2 a 1 能溶解较多的f e 而形成( m n of e o9 ) 3 s i 2 a 1 1 5 【”，使铁的化 合物形态从针状变为块状，能在一定程度上改善韧性，即能溶解杂质f e ，减少 f e 的有害作用。t i 在铝合金中形成金属间化合物t i 3 a 】晶体，成为a l 的固溶 四川大学硕士学位论文 体初晶d 枝晶组织的有效异质结晶核，并有抑制其成长的作用而使晶粒细化。 加入微量的稀土元素可以提高合金的高温强度，促进时效强化效果；合金中加 入t l 、z r 、b 可以细化晶粒，提高合金的力学性能。 人们综合考虑各种合金元素强化机理，通过实验，优化调整合金成分而得 到新的高强铸造a l s i 合金。李培杰1 6 j 等人对铝硅合金中的三种主要元素s i 、 c u 、m g 分别在 5 5 ，7 5 】、 1 4 ，2 8 、 o 1 5 ，o 4 5 区域进行一元回归的正交试 验，得出了合金的力学性能与合金元素含量之间的回归方程，经过优化处理和 试验验证确定了合金最优成分。李德成j 等人在a l s i c u 系合金z l l 0 7 的基础 上通过添加适量的m g 、z n 、c d 、t i 等多元合金化元素能显著提高合金的综合 力学性能，特别是屈服强度最为明显。彭晋民1 9 1 等人经过实验表明( 硅含量8 以上，c u 含量o 5 以上) 对抗拉强度影响最大的是c u 含量，s i 其次，而m g 对其影响最小；对延伸率而言，s i 含量影响最大，c u 其次，而m g 最小。 1 3 2 精炼净化 铝的化学性质比较活泼，熔炼过程中易与水气反应氧化形成夹杂物并吸氢， 氢在铝合金中从液态到固态的饱和溶解度相差近1 7 倍。气体和夹杂物的不利影 响有：生成一些不希望出现的相，如脆性相、低熔点相等；偏聚于晶界，降低 晶界强度：降低材料的致密度和连续性，如气孔、缩松等。因此，铝合金铸件 极易产生针孔和夹杂等缺陷，故必须在浇注前，对其作精炼净化处理，目的是 排除这些气体和夹杂物，提高合金液的纯净度。 最早铝液净化是用c 1 2 气体或氯盐( c 2 c 1 6 等) 等处理铝液，但是c 1 2 气体 或氯盐除氢效果虽好，去夹杂能力却较差，同时产生大量有毒气体。n 2 和m 为惰性气体，但其去氢效果不佳。很长时问以来均是将c 1 2 、f r e o n 、c 2 c 1 6 、s f 6 等与n 2 和m 复合处理铝液【1 0 1 ，在此期间国内也研制出许多无毒精炼剂【1 1 , 1 2 。 近年来，铝熔体净化技术如旋转叶轮法、喷射熔剂法、电磁净化法、过滤技术 以及真空精炼技术等得到了较大的发展i i 。 1 3 3 晶粒细化 材料的屈服强度与合金晶粒尺寸或枝晶间距服从下列关系【1 4 】 廖乃镘 铁路车辆用亚拭品a 卜s i 合金强韧化技术研究 d = o - 0 + k i d 、| 式中d ：晶粒当量直径或枝晶间距 d 。：频率因子 k ：与合金成分、特性有关的常数 可见晶粒越细，枝晶间距越小，屈服强度越高。对铝合金来说，组织细化主要 指初晶t 2 一a 1 枝晶的细化，不仅提高了合金的力学性能，还能改善其补缩能力， 有助于消除缩松、缩孔，防止冷隔等铸造缺陷，同时能细化有害杂质相( 如粗 大f e 相) 。因此，对铝合金进行细化处理，己经成为一种基本的强化手段。 亚共晶a l s i 合金中a a 1 通常呈现二种不同的晶粒形态：等轴晶、柱状晶 或双柱状晶( t c g ) 。为了抑制柱状晶和双柱状晶的生长，促进细小的等轴晶的 形成，有目的地向舢液中加入t i 、b 等中间合金。常用的晶粒细化剂有三种类 型：二元a l n 合金、二元a l b 合金和三元a 1 t i b 合金以及最近受到广泛关 注的a 1 t i c 合金。 多年来，人们在铝合金的晶粒细化剂方面进行了大量研究，不断探索寻找 更为有效的新型口a 1 枝晶细化剂。l u 等【l 靶对两种不同类型的晶粒细化剂对 a 3 5 6 合金细化效果进行比较，结果发现：a 1 4 b 中间合金的细化能力最强， a l t i b 中间合金次之。s i g w o r t h 和g u z o w s k i l l 6 , 1 7 也得到了相似的结果，但他 们认为a 1 3 b 合金的细化能力最强，而a 1 4 b 合金没有晶粒细化能力。原因是 b 在a 1 3 b 合金中以a 1 8 2 颗粒形式存在，而在m 4 b 合金中则以a 1 8 1 2 形式存 在，a 1 8 2 不能作为初晶口一a i 形核基底。基于以上的研究，s i g w o r t ha n d g u z o w s k i ”7 】开发了种适合于亚共晶a l s i 合金的晶粒细化剂a 1 3 t i 一3 b 中间 合金，并投入了工业应用。 近年来，t i c 粒子对a l 及其合金的细化形核能力已为许多人所接受 1 8 - 2 5 1 。 他们认为a 1 t i c 晶粒细化剂与当前广泛使用的a 1 t i b 细化剂相比具有很大的优 势。a 1 t i c 虽然也是通过t i a l 3 和t i c 两种粒子起到细化作用的，且t i c 质点本 身也有很高的熔点，但它本身不像t i b 2 容易聚集，并且不受z r 、c r 、m n 等元 素的影响，而且t i c 质点比t i b 2 质点尺寸小得多，可以进一步细化至纳米级， 这作为异质形核核心有利。 许春香等【25 j 研究了a 1 5 t i 一1 b 、a i 一3 t i 一1 b 、a 1 t i 。c 中间合金对亚共晶铝硅 四川大学硕士学位论文 合金z l l 0 4 的晶粒细化效果。研究结果表明中间合金a l t i c 的细化效果明显 优于a 1 5 t i 一1 b 和a 1 3 t i 1 b 。王振卿等【1 8 研究了利用a i t i c 细化纯铝时发现， 0 1 的中间合金的加入量即出现明显的细化作用，达到o 2 时已接近最理想 的效果。 目前，关于细化口一a i 机理的说法主要有包晶反应理论【2 6 l 、颗粒理论阶2 8 i 和超形核理论i2 9 瑚川1 等，但是没有统一的定论。 ( 1 ) 包晶反应理论 这个理论认为中间合金的细化作用是由于包晶反应引起的，即： l + t i a l 3 一a a l 包晶反应理论者认为a 1 t i - - 元中间合金的添加量在亚包晶成分范围内，那么由 中间合金加入的铝化钛晶体在熔融铝液中溶解很慢，因而产生晶粒细化作用， 但细化效果随时间单一延长明显衰减。a 1 t i b 中间合金的细化效果要好得多， 尤其是它的抗衰减性。可以用b 对a 1 一t i 相图的影响来解释，认为b 能使包晶点由 0 1 5 t i 向相图的富铝角方向移动，这样即使在很低钛含量的情况下，铝化物 在热力学上也是稳定的| 2 。 ( 2 ) 碳化物一硼化物颗粒理论 这个理论首先是由c i b u l a 1 提出的。他认为普通a l t i 二元中间合金的细 化作用，即使在没有特意添加碳的情况下，也是由t i c 粒子引起的。熔体中残 留的几百个p p m 的碳含量就可有效地形成t i c 。关于t i 和b 的联合加入的情况， 认为弥散在熔体中的t i b 。粒子是异质形核的核心，在铝熔体中的t i b ：和t i c 实 际上是不溶解的，其细化作用的衰减只是部分粒子沉淀或聚集的结果”。 ( 3 ) 超形核理论 j o n e s f 2 9 , 3 0 , 3 1 考虑到a l - t i b 中间台金能够以如此少的添) j n - n 来细化晶粒， 引入了“超形核”术语来描述这个过程。他还提出一个理论来解释基于溶质在 基底和熔体界砸发生偏析的超形核，通过计算t i 在熔体和t i b 2 中的活性，j o n e s 指出了t i 原子将在t i b 2 与熔体界面上发生偏析，使溶解的t i 量超过临界值。 这个偏析导致t i b 2 表面形成一个稳定的原子层。由于偏析层是钛在铝中的固溶 体，他断言，这个原子层在纯铝的熔点以上能够保持稳定，即在铸造之前就预 先存在。当温度降低时，这个偏析层允许在不形核的过冷条件下大量生长一次 口- a 1 晶粒。j o n e s 在超形核模型中，还证明了溶质原子的尺寸与铝原子尺寸的 廖乃镘铁路车辆用哑共品a 1 s i 合金强韧化技术研究 关系是关键因素。接近于铝原予尺寸的溶质，将导致发生超形核；而与铝原子 尺寸非常失配的溶质，不能发生超形核。 1 3 4 变质处理 a l s i 合金的力学性能与组织中共晶硅的形态紧密相关，铝硅合金未变质 时，共晶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，尤其是塑性降低。变质是改变共晶硅形貌、尺寸的过程，即 使共晶硅由粗大的针片状变成细小的纤维状或层片状。但是对s i 量 6 的a l s i 合金。 根据孪晶生长缺陷理论，硅晶体为金刚石型的立方晶系，理想情况下应按 方向生长成为八面体形状，如图1 1 ( a ) 所示。但是在铸造条件下，由 于过冷和杂质元素的作用，在未变质的a 】s i 合金中，硅晶体存在不少孪 1 1 ) n ) l 1 ) ( a )( b ) ( a )理想的硅晶体( 金刚石型)( b ) 硅晶体的孪晶缺陷及生长台阶 图1 1硅晶体的生长示意图。2 1 晶缺陷，如图1 1 ( b ) 所示，孪晶凹谷构成了晶体的生长台阶，由于硅原子在 此台阶上堆积所需要的能量较小，因此生长得较快，最后沿 晶向长成板 片状，t p r e ( t w i np l a nr e e n t r a n t - - e d g e ) 机制很少起作用。变质元素的加入， 四川大学硕士学位论文 消除了共晶s i 生长的固有台阶，产生大量高密度孪晶，变为t p r e 生长机制， 迫使硅晶体回复 生长方向，最终长成纤维杆状。抑制共晶s i 的生长，需 要有外柬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 ，原 子半径与此值相近的元素可作为a 1 一s i 合金的变质剂【1 3 j 。 n a 变质 钠加入后，一方面n a 吸附在硅生长的晶体表面，尤其是在孪晶凹谷的生 长台阶上，阻止共晶硅的生长；另一方面，n a 在晶体表面吸附后嵌入硅的晶格 内，使得硅原子产生错排，促使孪晶的形成，促进共品硅晶体长成分枝频繁的 纤维杆状，从而使共晶硅得到细化。其细化效果，对砂型、石膏型铸件而言比 较好，还有分散铸件缩窝的作用，这对要求气密性好的铸件有重要的作用。钠 盐变质法的成本低，制备也比较简单，适合批量小、要求不很高的产品，其缺 点是：钠是化学活泼性元素，在变质处理中氧化、烧损激烈、冒白色烟雾，对 人体和环境都有危害，操作也不太安全，特别是易腐蚀坩锅，它的充分变质有 效时间短，一般不超过l h t l 3 】。 s r 变质 锶的变质机理与钠相似，由于s r 是表面活性元素，它优先吸附在硅晶体的 孪晶凹谷处，阻碍硅原子在孪晶凹谷上的堆砌以达到细化共晶硅的效果。s r 在 s i 相表面的吸附有一个临界饱和值，达到这个饱和值s r ，即起完全变质作用。 由于是物理吸附，与生长速度无关，所以s r 变质效果对合金的冷却速度不敏感。 这是国外使用得较多的一种长效变质方法。加入量为炉料总重量的o 0 4 一 o 0 5 的s r 可以达到较好的变质效果f 3 2 】。其优点是变质效果比钠盐好，氧化烧 损也比钠盐少，有效变质持续时问长，对坩锅的腐蚀性也比钠盐小，可使坩锅 的使用寿命延长。这种变质法操作也比使用钠盐安全卫生，不产生对人体和环 境有害的气体，变质效果也比钠盐好，一般有8 0 9 0 的良好变质合格率【3 2 】。 其缺点是，成本比较高，要预先熔制成中间合金，没有钠盐那样分散铸件缩窝 的作用。 b a 变质 这是利用l 一4 的a l b a 中间合金或钡盐来对铝合金液进行变质处理的 廖乃镘铁路车辆用亚共晶a 1 s i 台金强韧化技术研究 方法 1 3 1 。其优点是b a 资源丰富，价格便宜，制取工艺比较简单变质过程中无 吸气倾向，不腐蚀坩锅，也不污染环境，具有长效性。缺点是变质效果不如钠， 变质效果受冷却速度的影响大，变质后合金的延伸率提高不多，对氯化物敏感。 稀土( r e ) 变质 稀土对共晶a l s i 合金具有较好的变质作用。其机理是稀土加入后减弱了 s i s i 、s i a l 原子团的结合，加强了a 1 a 1 原子的结合，导致口一a 1 首先形核而 对硅相过冷。共晶结晶时，a a i 相作为领先相首先析出并长大，从而限制了 共晶硅的生长。由于稀土元素比较活泼，易和h 2 、o z 、n 2 等气体作用而产生 r e 2 0 3 、r e h 、r e n 等气体，具有除气精炼、净化熔体的作用。稀土与a 1 、c u 等形成高熔点化合物，能提高熔体的流动性，改善铸造性能。这些弥敞分布的 化合物又能与基体结合，起到强化和稳定晶界的作用，延缓合金元素在高温下 的扩散速度，从而提高合金的高温强度和耐热性。因此，用稀土元素作为a 1 s i 合金的变质剂，不但变质效果好，而且可以提高合金的力学性能。 b i ( 铋) 的变质 一 b i 是一种长效变质剂，可以保持有效变质时间3 5 h i ”】。b i 变质时，由于 b i 的密度较a