铝硅合金细化变质处理

铝硅合金细化变质处理 张绪平 1 2 铝硅合金细化变质处理 一 实验目的1 熟悉A1 Si合金的组织演变的物理化学过程 2 熟悉A1 Si合金的熔炼 精炼 细化和变质处理过程 3 了解A1 Si合金晶粒细化和组织变质处理的基本原理和方法 4 了解细化剂和变质剂对A1 Si合金组织的影响 2 2020 4 22 二 实验原理概述1 Al Si合金概述如汽车工业 正面临着三大问题 能源 公害及安全 其中能源问题最为突出节能的有效途径是提高发动机效率 减少汽车行驶阻力 改善传动机构 降低汽车自重等 特别是一些关键零部件材料 如汽车发动机连杆 活塞空调压缩机 叶片等运动部件 其材质轻量化在降低燃料消耗 尾气排放及噪声污染方面效果尤为显著 轻量化有两大途径 更改结构设计 缩小零部件尺寸和采用轻质材料 因此研究开发高性能轻质材料和先进的制备工艺手段以实现高效节能绿色环保运输机械产品用材将是21世纪一个重要的发展方向 铝硅合金熔化后 液体金属的流动性好 铝硅合金细化变质处理 3 2020 4 22 铝合金的高的质强比 被用于 车体 汽缸 散热器部件等不动部件 一些关键运动部件 因工作在高温高压高速运动 滑动条件下 对材料的性能要求除了相当的强度之外 还需要有良好的耐热耐磨性及尺寸稳定性 主要还是采用传统的铸铁 铸钢等铁合金 Al Si系合金结合了Al基体轻质导电导热性好以及Si粒子热膨胀系数小 硬度高 耐磨的特点 有望满足上述要求 实现汽车的轻量化 铝硅合金细化变质处理 4 2020 4 22 Al Si二元合金相图 铝硅合金细化变质处理 由相图可以看出 室温下形成 和 两种相 相是Si溶于Al中的固溶体 性能和纯铝相似 在共晶温度577 时 Si的最大溶解度是1 65 室温时只有0 05 是Al溶于Si的固溶体 其溶解度难以确定 其量极微小 可将 相看作纯Si 5 2020 4 22 在亚共晶合金中 随含硅量的增加 合金的结晶温度范围不断变小 组织中共晶体的数量逐渐增加 合金流动性显著提高 硅相的增加提高了合金的抗拉强度 但硅相在变质处理以前 一般呈片状分布 严重地割裂了基体 由于应力集中的结果 延伸率显著降低 铝硅合金细化变质处理 6 2020 4 22 在过共晶合金中 当硅量在13 14 时 延伸率只有1 以下 抗拉强度也只有100MPa 变质处理后 抗拉强度可提高到160 190MPa 延伸率可达6 12 含硅量大于14 时 合金基体中有大量大块状的初晶硅析出 抗拉强度和延伸率都急剧下降 因此必须改变初晶硅形态 减少其对机体的割裂作用 铝硅合金细化变质处理 7 2020 4 22 几种常用的Al Si合金的化学成分及性能列于表2 铝硅合金细化变质处理 8 2020 4 22 铝硅合金细化变质处理 ZL101为亚共晶合金 可以用于砂型铸造 壳型铸造和熔模铸造 均为非金属型铸造 无论用哪种方法生产 均应进行变质处理 合金的强度 硬度及塑性均较低 适合做要求不高的产品 ZL102为共晶合金 是应用最广泛的合金 由于材料的致密度高 所以它的强度 硬度及塑性 延伸率 均较高 生产方法同ZL101 同样必须进行变质处理 适合做室温下使用的 强度要求高的产品 9 2020 4 22 ZL108为含有多种合金元素的共晶合金 这是一种常用的压铸合金 金属型铸造 在压铸条件下 由于合金的冷却速度快 几秒钟以内就完成结晶 所以共晶硅来不及长大 故在此生产条件下 该合金不需要进行变质处理 常用于生产重要的压铸产品 ZL111这是一种含有多种合金元素的亚共晶合金 在成分方面的另一特点是加入了0 10 0 35 Ti用于细化晶粒 晶粒细化后可使材料的强度 b 及塑性 均得到提高 该合金通常采用砂型铸造 所以必须进行变质处理 该合金常用于在较高温度下使用的产品 铝硅合金细化变质处理 10 2020 4 22 铝硅合金细化变质处理 美国Al Si系铸造铝合金的化学成分 11 2020 4 22 2 铝硅合金的细化处理目的 细化合金基体 Al的晶粒 晶粒细化是通过控制晶粒的形核和长大来实现的 细化处理的最基本原理是促进形核 抑制长大 对晶粒细化剂的基本要求是 1 含有稳定的异质固相形核颗粒 不易溶解 2 异质形核颗粒与固相 A1间存在良好的晶格匹配关系 3 异质形核颗粒应非常细小 并在铝熔体中呈高度弥散分布 4 加入的细化剂不能带入任何影响铝合金性能的有害元素或杂质 铝硅合金细化变质处理 12 2020 4 22 晶粒细化剂的加入一般采用中间合金的方式 常用晶粒细化剂有以下几种类型 二元Al Ti合金 三元Al Ti B合金 Al Ti C合金以及含稀土的中间合金 生成TiAl3 TiB2 TiC B4C等金属间化合物 这些化合物相在铝熔体中以高度弥散分布的细小异质固相颗粒存在 可以作为 A1形核的核心 从而增加反应界面和晶核数量 减小晶体生长的线速度 起到晶粒细化的作用 铝硅合金细化变质处理 13 2020 4 22 晶粒细化剂的加入量与合金种类 化学成分 加入方法 熔炼温度以及浇铸时间等有关 铝硅合金细化变质处理 14 2020 4 22 3 铝硅合金的变质处理铝硅合金中 Si相在自然生长条件下会长成块状或片状的脆性相 严重地割裂基体 降低合金的强度和塑性 因而需要将它改变成有利的形态 变质处理使共晶硅由粗大的片状变成细小纤维状或层片状 从而改善合金性能 变质处理一般在精炼之后进行 变质剂的熔点应介于变质温度和浇铸温度之间 变质处理时处于液态 有利于变质反应的完成 而在浇铸时已变为黏稠的熔渣 便于扒渣 不致形成熔剂夹杂 铝硅合金细化变质处理 15 2020 4 22 铝硅合金细化变质处理 碱金属中的K Na 碱土金属中的Ca Sr 稀土元素La Ce和混合稀土 氮族元素Sb Bi 氧族元素S Te等均具有变质作用 其中Na Sr的效果最佳 可获得完全均匀的纤维状共晶硅 16 2020 4 22 铝硅合金细化变质处理 铝硅合金常见变质剂 17 2020 4 22 铝硅合金细化变质处理 三 实验设备及材料井式坩埚电阻炉 石墨坩埚 钟罩 模具 Al 7Si合金 A1 5Ti 1B中间合金 A1 10Sr中间合金 C2Cl6 铝箔 金相试样预磨机和抛光机 HF 王水 砂纸等 18 2020 4 22 铝硅合金细化变质处理 四 实验步骤与方法1 在经预热发红的两个石墨坩埚中分别加入1000g的Al 7Si合金原料 升温至720 熔化后保温1h以促进成分的均匀化 在熔融A1 7Si合金中加入0 6 的C2Cl6进行精炼除气 2 对精炼除气处理后的A1 7Si合金取样浇铸一组试样 3 向一个石墨坩埚中加入0 03 的Ti 以Al 5Ti 1B中间合金形式加入 进行晶粒细化处理 处理方法是 将按比例称量好的中间合金用纯铝箔包好后用钟罩压入熔体中 19 2020 4 22 4 向另外一个石墨坩埚中加入0 03 的Sr 以Al 10Sr中间合金形式加入 进行变质处理 处理方法是 将按比例称量好的A1 10Sr中间合金用钟罩压入熔体中 5 每隔30min浇铸一组试样 经细化处理和变质处理的试样分别至少浇铸4组 6 对浇铸出的试样进行切割 粗磨