（材料学专业论文）锶、锰对改善铸造铝硅合金中铁相有害作用的研究.pdf

摘要 铸造铝硅合金是一种广泛应用于航空航天、汽车等工业领域的合金材料。 铁是铸造铝硅合金中最主要的杂质元素，硬而脆的针状f e 相会大幅降低合金的 力学性能。目前，为了消除其有害影响，工业上采取了一些除铁净化措施，但 其效果却不甚理想，因此改变f e 相形貌成为降低其危害性的重要技术途径。 本文采用添加中和元素m n 和变质元素s r 的方法来改善铝硅合金中的f e 相 形态。利用x r d 、金相显微镜、e p m a 和i n s t r o n 5 8 8 2 材料试验机等测试手 段系统研究了s r 、m n 及其复合加入对铸造铝硅合金试样的微观组织和力学性能 的影响，分析了s t 、m n 对合金中f e 相形貌的改善作用机制，探讨了合金中f e 相析出及其形态的影响因素，以及针状厣f e 相和s r 化合物对气孔形成的影响。 试验研究发现，添加s r 不能将针状口f e 相转变为汉字状a f e 相，但能使 粗大的针状f c 相产生弯曲、断裂与分解。添加m n 能将口f e 相转变成口f e 相， 并使f e 相总的体积含量增加；随着m n 加入量的提高，汉字状f e 相的数量不断 增加，而针状f c 相的数量则不断减少。复合添加s r 和m n 时，m n 对针状f e 相形态的改善作用要比s r 的大，而且m n 元素还可能抑制了s r 对针状f e 相的 碎裂与溶解作用。f e 元素含量对a 1 1 2 s i 合金力学性能的影响最大，m n 次之， s r 最小。同时添加s r 、m n 元素，能中和f c 带来的不利影响，提高合金的力学 性能。最适宜的加入量为：r o ( m n ) r o ( f e ) - - 1 1 1 3 ，o d ( s o = o 1 2 。 在铝硅合金中，f e 相析出形态主要有：粗大针状、细小针状、粗大汉字状、 细小汉字状和鱼骨状等。粗大、细小针状p f e 相分别经舢卢共晶反应、s i 共晶反应生成；后三种f c 相都属于口f e 相，经舢_ 口共晶反应或屯书共晶反 应生成。添加m n 形成的口f e 相实际上是a i s i f e m n 四元金属间化合物，由m n 原子固溶到针状口f e 相之中并依附在其上生长而成。 观察合金的微观组织，发现块状a 1 2 s i 2 s r 化合物常常与针状夕a 1 5 f e s i 相接 触。大多数的气孔分布在针状声f e 相的聚集区，而在汉字状口f e 相附近几乎没 有气孔，表明口i c e 相晶粒是气孔形成的潜在地点，与合金成分无关。同时在气 孔的周围和内部存在含s r 化合物，对气孔的形成有一定作用，这也可能是s r 变 质铝硅合金中气孔广泛分布的原因。 关键词：铝硅合金，铁相，锶，锰 a b s t r a c t a l u m i n i u m s i l i c o nc a s t i n ga l l o y sa r ew i d e l yu s e di ns u c hi n d u s t r i a lf i e l d sa s a e r o s p a c ee n g i n e e r i n g a n da u t o m o t i v em a n u f a c t u r e i r o ni st h em o s tc o m m o n i m p u r i t yi na 1 一s ia l l o y s ，a n dt h ef r a g i l ei r o ni n t e r m e t a l l i cp h a s ep l a t e l e t sd e t e r i o r a t e t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s n o w , t h ep u r i f i c a t i o ne f f e c ti su n p e f f e c tw i t hi r o nr e m o v a l m e t h o di ni n d u s t r y , s ot h ek e yo fe l i m i n a t i n gt h eh a r m f u le f f e c ti st h em o r p h o l o g yo f i r o np h a s ec o u l db et r a n s f o r m e d i nt h et h e s i s ，a d d i t i o no fm a n g a n e s ea n ds t r o n t i u mw e r em a d et oi m p r o v et h e m o r p h o l o g yo fi r o np h a s ei na 1 - s ic a s t i n ga l l o y s t h ee f f e c t so ft h e s ee l e m e n t s a d d i t i o n 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 lp r o p e r t i e si nt h ea l l o y sw e r e i n v e s t i g a t e dc o m p r e h e n s i v l yb yx r d ，o m ，e p m a a n di n s t r o n 5 8 8 2e u m t s ，e t c t h em e c h a n i s mo fs r , m na n dt h e i ri n t e r a c t i o no ni r o np h a s ew e r ea n a l y z e d t h e i n f l u e n c i n gf a c t o r so fp r e c i p i t a t i o na n dm o r p h o l o g yo fi r o np h a s e sa n dt h ee f f e c to f f ep l a t e l e ta n ds rc o m p o u n do nt h ef o r m a t i o no fp o r o s i t ya r ea l s od i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a ts ra d d i t i o nc a n tt r a n s f o r mi r o np h a s ef r o mn e e d l e l i k e 户t oc h i n e s es c r i p t - l i k ea ，b u tc a u s eap h e n o m e n ao fb e n d ，c r a c ka n dd i s s o l u t i o no n i r o np h a s e s t h ea d d i t i o no fm nf a v o r st h ef o r m a t i o no f 口一f ei n t e r m e t a l l i c s ，b u ta l s o i n c r e a s e st h et o t a lv o l u m ep e r c e n t a g eo fi r o n - r i c hi n t e r m e t a l l i cp h a s e s t h en u m b e ro f s c r i p t l i k eai n c r e a s e sa tt h ee x p e n s eo f n e e d l e l i k enw i t hi n c r e a s i n gm nl e v e l w h e n s rp l u sm na d d i t i o n ，t h er o l eo fm no ni r o np h s ei sm o r eo b v i o u st h a ns ra n dt h e e f f e c to ff r a g m e n t a t i o na n dd i s s o l u t i o no fs ri sl i k e l ys u p p r e s s e db ym n f ec o n t e n ti s t h em o s ti n f l u e n t i a lf a c t o ro ft h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e si na i 1 2 s ia l l o y s ，m nt a k e s t h es e c o n dp l a c ea n ds ri st h el e a s t w h e nt h ea l l o yi sa d d e dw i t hs rp l u sm n ，t h e d e t r i m e n t a li n f l u e n c eo fi r o ni sc o u n t e r a c t e d ，a sar e s u l t ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa r e i m p r o v e d t h eo p t i m i z e da d d i t i o na m o u n ti sc o ( m n ) c o ( f e ) - 1 1 1 3a n dc o ( s 0 = o 1 2 i nt h em i c r o s t r u c t u r eo fa i s ia l l o y s ，t h ec o m m o nt y p e so fi r o np h a s e si n c l u d e l o n gn e e d l e ，s h o r tn e e d l e ，c o a r s ec h i n e s es c r i p t ，f i n ec h i n e s es c r i p ta n df i s h b o n e l i k e l o n ga n ds h o r tn e e d l e l i k e 一f ep h a s e sa r ef o r m e db yb i n a r ye u t e c t i ca i - a n d l i 耋e m a r ye u e e r i e 触- s i - pr e s p e c t i v e l y t h el a t t e rt h r e ei r o np h a s e sb e l o n g t o 口f c ， w h i c ha r ef o r m e db yb i n a r ye u t e c t i c 趟嵋 a n d t e r n a r ye u t e c t i ca l - a - f 1 t h ea - f ep h a s e ， p r e c i p i t a t e di na l l o yw i t hm a na d d i t i o n ，a c t u a l l yi sa i s i f e m ni n t e 珊e t a l l i c s w h i c h d u et os o l i dd i s s o l u t i o na n d g r o w t ho fm ni n 口一f en e e d l e b 1 0 c k ya 1 2 s i 2 s rc o m p o u n d sw e r eo b s e r v e dt oh a v ef r e q u e n tp h y s i c a l c 0 n t a c t w i t hf l - a l s f e s in e e d l e s i nt h em i e r o s t r u c t u r e t h e m a j o r i t y0 fp o r c sa r ed j s t r i b n t e di l i a c c u m u l a t o nr e g i o n so f p - f en e e d l e s ，b u tt h er e g i o n sc o n t a i n i n gc h i n e s e s c r i p t 口f e p a r t l c l e sa r e 砒m o s tf r e eo fp o r o s i t y t h e p - f en e e d l e sa r ep o t e n t i a ls i t e sf o rp o r o s i t y t o 肺a t i o nr e g a r d l e s so ft h ea l l o yc o m p o s i t i o n t h es rc o m p o u n d s p a r t i c l e sw e r es e e n 1 n s l d e0 ra r o u n dw i t ht h ep o r e s ，w h i c hi n d i c a t e st h a tt h es r c o m p o u n d sp l a yar o l ei n p o r ef o r m a t i o n ，a n dt h a tt h i si sp r o b a b l yo n eo ft h er e a s o n sf o rt h e w i d e l yd i s t r i b u t e d p o r o s i t yi ns r m o d i f i e da 1 s ia l l o y s k e y w o r d s ：剐- s ia l l o y , i r o np h a s e ，s r , m n ! i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特另j ) j n 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 慨碰彳 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公命论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名翩签名：塑堡 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章前言 现代工业和铸造新技术的不断发展，使得社会对铸造铝合金的需求量越来 越大。以汽车制造业为例【l j ，近几十年来，能源问题同益突出，降低汽车油耗成 为各国汽车制造商提高产品竞争力的关键。研究统计表明：轿车每减重1 0 ， 油耗可降低8 1 0 ：而1 6 - - 2 0 t 的卡车每减重1 0 0 0 k g ，油耗降低6 7 ， 可见减轻车重可显著提高燃油效率。为此，各大汽车生产厂家纷纷使用铝合金 来代替钢铁材料，达到减重的目的，当前发达国家平均每辆汽车用铝量已经达 到1 4 0 k g ，且每年以2 0 - 3 0 的速度递增l 引。 铝硅合金是铸造铝合会中用途最广的一类合金【3 1 。该系合金中硅的质量分数 一般为4 - - - - 2 2 ，因而具有优良的铸造性能，如流动性好、气密性好、收缩率 小和热裂倾向小，经过变质和热处理后，具有良好的力学性能、物理性能、耐 腐蚀性能和机加工性能。 1 1 问题的提出 在铸造铝硅合金的生产过程中，由于原材料、熔炼工具等原因，会不可避 免地造成合金中含铁，有时甚至达到较高的含量。此外，随着铝硅合金产量的 不断增长，为了降低成本和节约能源，废铝回炉料逐渐增多；二次铝经过多次 回收利用，使其在熔炼过程中不断地与坩埚等熔炼工具接触，导致合金中铁含 量增蒯4 1 。铁在铝中的固溶度很低，一旦超过固溶度极限，便在铸造铝硅合金中 与及其他合金元素化合，形成质脆的针状或板片状铁相，严重地割裂基体， 成为应力集中源，大大降低合金的机械性能。而且，粗大的初生针片状铁相在 凝固过程的早期形成，阻碍了液态合金在枝晶间的流动，降低合金的流动性并 使充型性能恶化i 5 。 在舢s i 二元合金中，随着f e 含量的增加，铸件的抗拉强度及伸长率逐渐 下降，当f e 的质量分数在0 8 1 0 时，抗拉强度及伸长率下降较快【6 l 。 b a c k e r u d i7 j 提到当合金中的f c 含量从0 4 增加到1 2 时，合金的强度提高微不 武汉理工大学硕士学位论文 足道，但伸长率却从4 降到1 。k h a l i f a 等人i 在3 1 9 合金中观察到大多数气 孔与，一a i f e s i 针接触( 如图1 - 1 所示) ，并认为是p 枷f e s i 针阻碍了金属液流动 的缘故。 j ：o 图1 - 13 1 9 合金中与f l - a i f e s i 针接触的气孔 因此，铁在铸造铝硅台金中通常被认为是一种最有害的杂质元素o i ，应加 以限制。 1 2 国内外研究现状 1 21 铁相晶体结构和微观形貌 铁在铝硅合金中通常以脆性的富铁金属阃化台物形式存在，最常见的有a 相和口相两种。口相中s j 含量较低，f e s i 比在55 2 7 5 ；芦相中s i 含量较高， f e s i 比在2 2 5 1 6 。目前，口相的化学式通常表达为a i s s i f e 2 、a 1 1 2 s i 2 f 0 3 、 a 1 2 0 s i 2 f e 5 ，成分组成范围为3 0 3 3 f e 、6 1 2 s i ；算相的化学式通常表达 为a 1 5 s i f e 、a l g s i 2 f e 2 ，成分组成范围为2 5 3 0 f e 、1 2 1 5 s i 。 在平衡态的a 1 s i f e 系中，a 相具有六方晶格结构，空问群为p 6 - d m m c ，品 格常数口= 12 3 n m ，c = 26 2 n m 。在实际合金中，也存在着具有立方晶系的a 相， 这种相的空问群为i m 3 ，单位品胞里有1 3 8 个原子，晶格常数口= 1 2 5 6 n m 。口 相的晶体结构为单斜晶型1 1 1 1 2 1 。 所谓n 相和口相是从相图角度来说的，它们对应着。种成分构成和晶体结 构而针状相和汉字状相则从微观形貌区分的【l ”。常常把它们等同起来是由于n 囝 武汉理工大学硕士学位论文 相常以汉字状出现，而卢相常以针状相出现。但夕相并不总是以针状出现，a 相 除了汉字状以外，还会有鱼骨状、星形、多边形和块状等。当a i f e s i 三元化合 物中加入其它元素后，f c 相的确定就更加复杂，虽然一般仍能从形貌上区别a 相或者口相，但实际上组元成分的变化会使相结构也发生变化。如在加铍的合 金中出现的多角形f c 相，早期依l e l 把它们称为a 相，而现在经测定，发现它同 口相有完全不同的相结构。 。 在正常的凝固条件下，铁更倾向于以针状口相结晶，而且容易变得粗大。 临界含铁量通常指口相形成时，铝液应该具有的最低含铁量。目前这个临界值 还没有定论。m o n d o l f o 1 4 j 认为f e 含量超过o 8 时，卢相开始析出。f c 相对铝硅 合金的有害作用主要是由口相引起的，它具有小面特征，割裂基体，极易产生 应力集中，从而严重削弱合金的力学性能，尤其是伸长率【1 5 , 1 6 】。 1 2 2 抵消铝硅合金中铁相有害作用的措施 消除f e 相有害作用的方法有：一是设法降低铁在铝合金中的含量；二是改 变铁在铝合金中的存在形剁r 7 1 。现今工业上有多种净化方法可以降低铁含量， 其净化效果都与富铁相的形态密切相关1 1 8 j 。由此可见，改变富铁相的形态已成 为降低其危害性的关键。 ， 改变富铁相形态的方法主要有：( 1 ) 冷速的改变1 1 9 j ：提高冷却速率，可以 通过提高临界铁含量来阻止届a 1 5 s i f e 相的形成。最近的研究报告指出1 2 ，在低 的冷却速率( 1 s ) 下，有利于口f e 相形成：在高的冷却速率( 1 0 s ) 下， 阻止卢f e 相形成；但在很高的冷却速率( 2 0 s ) 下，非常有利于卢f e 相形成。 ( 2 ) 熔体过热处理1 2 1 j ：当熔体过热到很高的温度时，7 - a ! 相转变成口相不利 于卢f e 相的形核，从而抑制了卢f e 相的出现。k a n i c k i 等人1 2 2 j 发现，随着铝液 过热度的提高，铸件中富铁相变得精细，当铝液温度高于8 0 0 时，汉字状a f e 相取代针状p f e 相。但是过热温度太高，会增加铝液中氢和氧化夹杂物的含量。 ( 3 ) 中和元素的加入【冽：加入特定的中和元素，通过促使汉字状等形态的口f e 相的生成来抑制针状口f e 相的生成，并以此来改善合金强度、塑性和物理性能。 最常用的中和元素是m n ，其他还有一些应用相对较少的中和元素，如c r 、c o 、 m o 、b e 、n i 和s 等。 前两种方法都缺乏可操作性，在很大程度上依赖于其他因素。长期以来， 3 武汉理工大学硕士学位论文 人们对f c 相问题进行了广泛的研究，主要集中在加入中和元素改善f c 相形貌， 以消除f c 相的危害作用。 1 2 3m n 对铝硅合金中f e 相的影响 m n 是铝硅合金中最常用的中和元素，添加适量的m n 能大大减少针状f e 相的数量和尺寸，甚至于使针状f e 相完全消失 2 4 - 2 9 1 。这主要是m n 能与熔体中 的砧、s i 、f e 等元素反应形成复杂的金属问化合物，使得针状f c 相转变为危害 较小的汉字状f e 相。铝硅合金中的f e 相实际上是固溶体，它有相当的晶格空 位去溶解其它元素。m n 作为中和元素加入到铝硅合金中去，能有效促进 口s i f e m n 相生成，此时a a l s i f e m n 相是稳定相。对a 1 s i f e 三元合金来 兑， a 1 8 s i f e 2 是准稳定相，对a 1 s i f e m n 四元化合物来说，稳定相与非稳定相的相互 转化同f e 、m n 的相对含量有关。 目前，抵消铁的有害作用所需的m n 量没有定论1 2 4 删。在z a l s i l 3 合余中， 当( f e ) 0 4 5 的情况下，用于砂型和金属铸造的铝硅合金，要求c o ( m n ) 0 5 缈( f e ) 。然而，有时甚至a ) ( m n ) o g ( f e ) 时，仍然有一些针状f e 相存在。所以， 有人推荐按o ) ( m n ) - 2 o ) ( f e ) - - 0 5 】添加m n ”j 。 必须注意的是，尽管m n 能抑制针状f c 相的生成，减少或消除针状f c 相， 但并不能完全消除f e 相的有害作用。首先，m n 仍然不能完全除去合金中的铁， 且合金中富铁相总的比例随m n 、f e 加入量的增大而增大，这使得合金的塑性下 降；其次，m n 的加入还可能带来其它的副作用【2 2 1 。s h a b e s t a r i l 3 1 j 发现在铝硅合 金中，增加f c 或m n 的含量会导致富铁金属间化合物的体积含量增加。 1 2 4s r 对铝硅合金中f e 相的影响 s r 是一种表面活性元素，是铝硅合金中广泛应用的一种高效变质剂【3 2 】。人 们发现，s r 在把粗大针片状共晶s i 相变成细小纤维状的同时，对合金中的f c 4 武汉理工大学硕士学位论文 相也有明显的作用【3 3 。3 踟。1 9 7 5 年，m o r r i s 3 9 l 专利首先报道0 0 5 s r 使6 0 6 3 合金 的f c 相均转化为汉字状。之后，s i g w o r t h 加j 在3 1 9 合金中添加0 0 0 1 的s r ，发 现针片状f e 相开始消失，汉字状f c 相增多，加入过量的s f ，针状f c 相得到完 全抑制。k u l u m k 4 1 j 等研究了s r 对a 3 8 0 合金中f e 相的影响，认为o 0 6 的s r 使f e 相颗粒尺寸减少3 0 ，同时使颗粒变得更加圆整，但f e 相的体积分数并 未有明显减少。近来，p e n n o r s 4 2 j 等也在3 1 9 合金中加s r ，观察到了f e 相形态的 明显变化，在低冷却速度下，0 0 4 0 0 6 的s r 能有效地使长针片碎裂和熔断， 而过量的s r 则会使口针粗化。 人们在其它一些合金中也观察到了类似的现象，都认为s r 的加入能使针状 口f e 相碎裂和熔断，转化为口f e 相，有效改善f e 相形貌，减小其危害。但也有 研究人员认为，s r 的加入使共晶s i 变质成纤维状，从而使f e 相更容易在金相上 观察到，s r 并没有真正改变f e 相的形态。 尽管s r 对铝硅合金中f e 相的影响己进行了较多的研究，然而s r 对f e 相的 影响机理仍不十分清楚，也没有一致的看法。主要有以下四种机理：a l p 晶核理 论、毒化理论、碎裂和溶解理论、先共晶形核理论。( 1 ) a l p 晶核理论1 4 3 j ：a l p 和针片有着相近的晶体结构，在熔体中比f e 相和s i 相先形成，其可能是p 针 片的结晶核心和生长基底。加入s r 后，s r 与熔体中微量的p 反应生成s r p ，口 针片生长的基底数量减少，增大了结晶所需的过冷度，从而抑制了口针片的析 出。( 2 ) 毒化理论1 4 4 j ：s f 是一种表面活性元素，容易吸附在针状口f e 相的生长 基底上，从而“毒化”了基底的活性，破坏了共生形核条件，抑制了口f e 相的 生长。( 3 ) 碎裂和溶解理论：s a m u e l 等1 4 5 , 4 6 1 通过对3 1 9 合金中届枷5 s i f e 的观察 发现，加s r 前，厣a 1 5 s i f e 是针片状的，针长达数百甚至上千微米；加s r 后， 长针被切割成许多较短的只有数十微米的小段，各小段之间或断或续地连接着， 夕针的分枝也与主干间由于“缩颈”而断开，这就是s r 对p 针的碎裂和溶解作 用。碎裂导致夕f e 相体积分数增加，而溶解则可降低p f e 相体积分数，两种过 程的综合作用使f e 相的体积分数无明显下降。( 4 ) 先共晶形核理论m ：口针在 开始结晶的区域是液体，即先于共晶反应温度结晶，因而能够自由地生长，长 成粗大的卢针片。f e 量的增加提高了p 针片开始析出的温度，并高于共晶反应 温度，因此一些粗大口针片在共晶温度之上长大析出了。s r 变质降低了合金的 共晶反应温度，是p 相析出温度和共晶反应温度之间的差值更大，更容易在共 晶反应前自由长大伸展，直至碰到枝晶a 。 5 武汉理t 大学硕士学位论文 变质剂对铝硅合金的临界含铁量有一定的影响。n a 变质剂可导致临界含铁 量的降低【镐1 ，而p 变质剂却降低了声相对含铁量的敏感程度1 4 9 1 。如果把n a 对 f e 的这种作用，归因于使铝硅合金共晶温度的降低，则现在普遍用于代替n a 的s r 变质剂，也会引起临界含铁量的降低【删。此外，过量添加s r 还会使熔体吸 气倾向增大，易产生气孔缺陷，使合金密度降低【5 m 3 1 。 1 3 本论文的研究目的及主要内容 对于本课题所提出的问题，国内外的研究主要集中在m n 对铝硅合金中f e 相的影响，s r 对铝硅合金中f e 相影响的研究比较零碎，因此本试验有必要系统 的研究s r 对铝硅合金中f c 相的影响作用，并考虑s r 和m n 复合添加对铝硅合 金中f e 相的影响，采用正交试验设计研究s r 和m n 对铝硅合金中f e 相的复合 影响作用，最大程度地改善f e 相对铝硅合金的有害作用。在研究过程中，着重 分析铝硅合金中f e 相的形核及其析出形态，并探讨m n 、s r 对f e 相的影响机制， 这有助于揭示二者对改善铝硅合金中f c 相形态的本质。 。本研究拟从以下几方面分析s r 、m n 对铝硅合金中f e 相的影响作用： ( 1 ) 单独添加s r ，分析不同s r 加入量对高f c 含量的铝硅合金中f e 相的 影响； ( 2 ) 单独添加一定量s r ，分析s r 对不同f c 含量的铝硅合金中f e 相的影 响； ( 3 ) 单独添加m n ，分析不同锰铁比对高f e 含量的铝硅合金中f e 相的影 响； ( 4 ) 添加一定量的s r ，同时加入不同量的m n ，分析不同锰铁比对含s f 、 高f e 含量的铝硅合金中f c 相的影响； ( 5 ) 按正交试验设计添加不同量的f e 、m n 和s r ，分析m n 和s r 对铝硅合 金中f c 相的复合作用。 6 武汉理t 大学硕士学位论文 第2 章试验材料及方法 z l l 0 2 是典型的二元共晶铝硅合金，合金中s i 的质量分数为1 0 - 1 3 ， 该合金具有优良的铸造性能，但力学性能和切削加工性能较差。为了防止其他 合金元素干扰而影响s r 、m n 的作用效果，本次试验选择只有和s i 两种元素 的z l l 0 2 合金作为基体合金。 2 1 试验原材料及制备 2 1 1 试验原材料 本试验原材料主要有工业纯铝锭，a i 2 0 s i 中间合金锭，a i 1 0 f e 中间合金 锭，a i 1 0 s r 中间合金锭，a i 1 0 m n 中间合金锭。这些中间合金锭都是某公司的 同一批次产品。 2 1 2 合金的熔炼 熔炼采用s g 7 5 1 2 坩埚电阻炉，内置石墨坩埚，配以d r z 9 型调节式测温 控制仪，n i c r n i s i 热电偶测温。 首先，按水玻璃：z n o ，= 3 ：1 的比例配置涂料，均匀涂于石墨坩埚、铁模 型、热电偶、氩气吹气管、漏勺等需与合金液接触的工具，并缓慢加热烘干。 然后，按试验设计的成分配比( 各试样的具体加入量在第3 章中列出，考 虑s r 烧损，并取烧损率为4 0 ) ，将称量好的纯铝、a i 2 0 s i 和a i 1 0 f e 中间合 金放入石墨坩埚中熔炼，温度上升到7 0 0 以上时，待加入的金属锭完全熔化， 再加入a 1 1 0 s r 或a i 1 0 m n 中间合金，直到温度升至7 5 0 5 时停止升温。保温 约1 0 分钟，通入氩气精炼、除气、除渣，并浇注金属试样( 见图2 - 1 ) ，金属铸 型在浇注前先预热至2 5 0 - 3 5 0 ，浇注温度为7 5 0 ，然后冷却至室温。 7 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 1 拉伸试棒尺寸示意图( 单位：m m ) 2 2 试样的微观结构分析 2 2 1 金相组织观察 在试棒的端部取样( m1 6 m m 处) ，制成金相试样，并用体积分数为0 5 的 h f 溶液腐蚀，腐蚀时间约3 m i n 。用o l y m p u s b h m 3 6 3 u 型摄影金相显微镜分析 合金的金相组织，并用l m a g e t o o l 软件测量金相试样中的f e 相长度。 2 2 2x 射线衍射分析 将试棒切割成币1 0 m m x 5 m m 的圆柱形样品，要求表面较平整。采用 d m a x r b 型x - r a y 衍射仪对试样进行物相分析。 2 2 3 电子探针分析 选取具有代表性的铸件试样，采用日本j x a - 8 8 0 0 r 型电子探针测试，观察 f e 相的微观形态，分析合金中各相的组成，探讨f c 相形核机理及s r 、m n 对f c 相的影响。 2 3 试样的力学性能测试 采用i n s t r o n 5 8 8 2 电子万能材料试验机对试棒进行拉伸试验，抗拉试棒按 照g b 2 2 8 2 0 0 2 金属拉伸试验试样的规定整理，如图2 - 1 所示，标距定为5 0 m m 。 8 武汉理工大学硕士学位论文 每种成分的合金取三个拉伸试样试验，最终测定值取其平均值。 抗拉强度和伸长率按照下面的公式计算： 吼- 墨f o 6 。姓 乇 式中：吼： 咒： f o ： 6 ： 乇： 厶： 抗拉强度m p a 试样拉断前最大负荷n 试样原始截面面积r a m 2 伸长率 试样标距长度 试样拉断后，标距部分的长度 9 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章试验结果及分析 本试验分别从以下几方面研究了s r 、m n 对含f e 铝硅合金的组织和力学性 能的影响： ( 1 ) 单独添加s r ，探讨不同s r 加入量对z l l 0 2 ( t o ( f e ) = 1 2 ) 合金的组 织和力学性能的影响，确定最佳s r 加入量； ( 2 ) 单独添加0 1 2 s r ，探讨s r 变质对不同f c 含量的z l l 0 2 合金的组织 和力学性能的影响； ( 3 ) 分两组进行试验，第一组合会不加s r 变质，第二组添加0 1 2 s r 变质， 探讨不同锰铁比对z l l 0 2 ( c o ( f e ) = 1 2 ) 合金中f e 相形态和力学性能的影响， 确定最佳锰铁比； ( 4 ) 按正交试验设计添加不同量的f e 、m n 和s r 元素，分析f e 、m n 和s r 对合金的组织和力学性能的影响，并探讨m n 和s r 对铝硅合金中f e 相的复合作 用，确定m n 和s r 的最适宜复合加入量。 3 1s r 对高f e 铝硅合金组织和力学性能的影响 在含f c 量为1 2 的a i 1 2 s i 合金中添加不同含量s f 元素( 加入量分别为 0 0 3 、0 0 6 、o 0 9 、0 1 2 和o 1 8 ) ，试样编号及合金的成分设计见表3 - 1 。 表3 - 1a i s i f e s r 合金的试验成分设计 1 0 武汉理工大学硕十学位论文 针状口f e 相变为a f e 相。 ( 2 ) 金相显微观察发现，加入s f 元素不能从根本上抑制f e 相的出现，s r 元素只能在一定程度上使铝硅合金中的针状f e 相产生弯曲、断裂和分解，使针 状f c 相的平均长度减小。将s r 元素用来改善铝硅合金中f c 相的同时，也对其 中的共晶s i 起到了很好的变质作用。并且s r 加入量为0 0 3 时，已经可以使共 晶s i 达到很好的变质效果。 ( 3 ) 随着s r 加入量的逐渐增加，合金的抗拉强度和伸长率均呈现出先增后 减的变化趋势，当s r 加入量为o 1 2 时可以达到最佳效果。此时，合金中针状 f e 相的平均长度已减d , n0 2 5 6 4 m m ，抗拉强度为1 4 8m p a ，并且伸长率也达到 了最大值2 3 2 ，合金的综合力学性能有了显著提高。 3 2s r 变质对不同f e 含量的铝硅合金的影响 在上节中，添加0 1 2 s r 能使f e 含量为1 2 的a i 1 2 s i 合金达到最佳变质 效果，为了进一步研究s r 元素对铝硅合会中f e 相的碎裂与溶解作用，本节将继 续选用a 1 1 2 s i 作为基体合会，而将合会的f e 含量定为0 1 8 、0 9 5 、1 1 0 、 2 o 和3 o ，变质元素s r 的加入量固定在0 1 2 ，分析s r 变质对不同f e 含量 的z l l 0 2 合金的组织和力学性能的影响。试样编号及合会的成分设计见表3 2 。 表3 2 舢s i s r - f e 合金的试验成分设计 3 2 1 试样的x r d 结果及分析 首先对每炉的金相试样进行会相观察，发现f c 含量为0 1 8 和0 5 0 的合 1 6 武汉理工人学硕十学位论文 金中f e 相主要是细小针状，而f c 含量为0 9 5 、1 1 0 、2 0 和3 0 的合金中 f c 相都是粗大的针片状，而且大多溶断成了许多小块。因此分别选择f c 含量为 0 1 8 和0 9 5 的两个试样进行x r a y 衍射分析，衍射谱如图3 - 6 所示。 2 03 04 07 0 20 ( 。) ( a ) i i - 1 ：c o ( f e ) = 0 1 8 7 0 20 1 。) ( b ) i i - 3 ：o g ( f e ) = 0 9 5 图3 - 6 不同f e 含量的s r 变质合金试样的x r d 图谱 图3 6 a 是试样1 的x r d 图谱，此时f e 含量较低，仅为0 1 8 ，合金基 本以口舢和共晶s i 为主；图3 6 b 是试样3 的x r d 图谱，合金中f c 含量提 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 高为0 9 5 ，经分析发现其中除了口捌和共晶s i ，还含有少量的a i s f e s i 相。在 试样中并未发现有口f c 相存在，证明s r 不能将p f e 相( 5 f e s i ) 转化为口一f c 相，而是只将粗大的针状夕一f e 相碎裂成了许多小段，并没有改变f e 相的晶体结 构。这与3 1 中s r 变质高铁砧一s i 合金的x r d 结果一致。 3 2 2 试样的金相显微组织 图3 7 为不同f e 含量的s r 变质s i 合金的显微组织形貌。在图3 7 a 中可 以看到，a a i ( 白色) 呈树枝状分布，共晶s i 呈细小颗粒和细小条状分布于枝 晶间，组织较均匀，这表明s r 对共晶s i 有很好的变质作用。浅灰色针状相为卢f e 相，平均长度为2 6 比m 。试样中既没有骨骼状的口f e 相出现，针状口f e 相也没 有发生断裂，可见s r 对尺寸较小的针状f e 相的变质作用不明显。图3 7 b 是f e 含量为0 5 0 的合金试样的金相显微照片，此时合金中既存在细小的针状f e 相， 也有粗大的针片状f e 相，而且在粗大f e 相上出现裂纹和小孔，可见s r 对尺寸 较大的针状f e 相有明显的变质作用。 当合会中f e 含量不断增加时，针状口f e 相相应地不断变粗大，s r 变质对针 状口f e 相的影响变得逐渐明显起来，f e 相出现断裂( 见图3 - 7 c ) 、甚至碎裂( 见 图3 7 d ) 。进一步提高合金中f e 含量，达到t o ( f e ) = 2 0 0 时，在图3 7 e 中，虽 然针状f e 相溶断成了许多小段，但原来的针状相的分布状态依然清晰可见，有 些f e 相的尺寸原本可以达到5 0 0 t m ，但由于s r 的变质作用，针状f e 相溶断成 许多较短的只有数十微米的小段，在断裂处，甚至出现微米级的颗粒状f e 相。 针状f c 相一旦溶断成这种状态，其对合金力学性能的有害影响程度将明显降低。 当t o ( f e ) = 3 0 0 ( 见图3 - 7 f ) 时，粗大的针状口f e 相几乎全被碎断成许多小段， 共晶s i 呈纤维状均匀分布。表明0 1 2 s r 加入量对f c 含量高达3 0 0 的合金中 的针状f e 相仍有很好的变质作用，同时对共晶s i 亦有很好的变质作用。 试验结果表明，s r 对s i 合金中细小的针状f e 相的变质作用不明显，但 对尺寸较大的针状f e 相有明显的变质作用。这仍然可以从热力学角度来解释， 因为细小针状f e 相的表面积很小，能量状态也较低，很难再发生分裂，转变成 尺寸更小、能量状态更低的相；粗大针状f e 相则不同，由于其能量状态相对较 高，s r 的碎裂与溶解作用能促进其向尺寸更小的形态转变，以增加相的稳定性。 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 ( e ) 1 1 - 5 ：烈f e ) = 2 0 ( 01 1 6 ：“f e ) = 3o 图3 7 不同f c 含最的s r 变质a l s j 合金的余相组织 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 3 典型试样的e p m a 测试结果 选取试样- 4 ( a l 一1 2 s i 11 0 f e - 0 1 2 s t ) ，利用e p m a 观察合金的微观组织， 并进行点分析和面分析。图3 8 是该合金试样的s e m 照片，组织中存在大量发 生断裂的针状f c 相，也有未断裂的粗大针状f e 相，可见s r 加入量为01 2 时 仍然不能完全抑制粗大的针状f e 相出现。对试样中的部分相进行点分析，结果 如图3 - 9 所示。分析点1 处的e d s 图谱，针状相约含5 7 a 1 、1 5 s i 和2 7 f c ， 所以不难知道该析出相实际上就是化学式近似为a i s f e s i 的口- f e 相。点2 处的 块状相常常与针状皿f c 相相连，或在