过共晶铝硅合金的铸造工艺

过共晶铝硅合金的铸造工艺

0过共晶铝硅合金的变质剂研究3a90过度普通的硅铁粉具有密度低、强度高、耐碱、耐腐蚀性差等优点。这是理想的用于汽车、摩托车等汽车激活的材料。目前,国外已将它广泛用于活塞生产中,但国内中型和轻型汽车发动机活塞大部分仍还采用共晶铝硅合金。随着汽车工业的发展,对活塞材料性能的要求不断提高,传统的共晶铝硅合金越来越不能满足使用要求。与共晶铝硅合金相比,过共晶铝硅合金的导师:肖于德教授流动性、耐磨性更好。但是,在常规的铸造条件下,未经变质的过共晶铝硅合金组织中存在粗大片状的初晶硅和长针状的共晶硅,严重割裂基体,恶化合金的铸造性能和力学性能,尤其是影响其塑性及耐磨性。因此,有必要对过共晶铝硅合金中初晶硅和共晶硅的变质细化开展研究。有研究表明,对过共晶铝硅合金进行变质处理可明显改善合金中硅相的形貌、大小和分布,获得良好的力学性能和耐磨性能。能对铝硅合金起变质作用的元素有钠、锶、锑、钡、磷、硫、砷等。但由于这些元素本身都具有局限性,就使得用单一的变质剂处理始终难以达到最佳的综合效果。因此,克服变质剂自身存在的缺点,寻找复合变质处理的方法成为了铝合金研究领域的一个重要课题。目前较为普遍的是应用两种或两种以上的变质剂对铝合金进行复合变质处理,但这些变质处理的效果仍不理想。为此,作者研究了铝-钛-硼、铝-锑、铝-镧和铜-磷二元及三元变质处理对铸造A390合金组织中的初晶硅及共晶硅形态的影响,考查了不同变质处理对该合金力学性能与耐磨性能的影响。1试验方法与材料试验原料为纯度99.9%铝锭、纯度99.9%镁锭、Al-30Si、Al-50Cu和Al-10Mn(质量分数,下同)中间合金。先将原料按Al-18Si-4.5Cu-0.6Mg-0.1Mn成分配制出过共晶铝硅母合金熔炼原料并进行熔炼。用石墨坩埚在CRL-D型电阻炉内于760℃熔化母合金并保温,加入C2Cl6精炼除气,变质剂细化剂以Al-10La、Al-10Sb、Cu-13P和Al-5Ti-2B中间合金的形式加入。二元变质处理时,母合金熔液静置5min后,添加Al-10La(以镧质量分数为0.6%的量加入),待熔化后静置5min,然后依次添加Al-10Sb(以锑质量分数为0.008%的量加入)和适量Al-5Ti-2B晶粒细化剂(以钛和硼总质量分数为0.6%的量加入);三元变质处理时,先将母合金熔液升温到900~950℃,添加Cu-13P中间合金(以铜和磷总质量分数为0.67%的量加入),保温60min,再降温到760℃后添加Al-10La(以镧质量分数为0.6%的量加入),静置5min后添加Al-10Sb(以锑质量分数为0.008%的量加入)和Al-5Ti-2B(以钛和硼总质量分数为0.6%的量加入)。待添加完变质剂和细化剂后静置5min,降温到720℃,用预热至130℃的铁模浇注成ϕ15mm×115mm圆棒。在铸态圆棒上截取ϕ15mm×10mm的试样,经预磨、粗磨和细磨后用Cr2O3抛光液及金刚石研磨膏进行机械抛光,再用Keller试剂(体积分数为0.5%浓HF+1.5%浓HCl+2.5%浓HNO3+95.5%H2O)浸蚀,用Polvar-MET型光学显微镜下观察晶粒尺寸及第二相形貌、尺寸。拉伸试样按照GB/T6397-1986加工成R16比例试样,试验在CSS-400型电子万能试验机上进行,拉伸速度为0.2mm·min-1,取6根试样的平均值。摩擦磨损试验在CETRUMT-3型多功能微摩擦磨损测试仪上进行,上试样为ϕ9.5mm的铬钢球(62HRC),下试样采用19mm×12mm×12mm试块,下试样表面经800#金相水砂纸磨光,用精度为0.1mg的ShimdzuAUY220型分析天平测量其质量,计算磨损质量损失,试验在干磨条件下进行,频率为5Hz,载荷为100N,磨损时间为30min。用KYKY-2500型扫描电镜(SEM)观察磨损表面形貌;用QUANTA-200型环境扫描电镜(SEM)附带的能谱仪分析磨屑成分。2试验结果与讨论2.1元变质处理对共晶硅的细化效果由图1可见,未经变质处理的A390合金铸态组织中初晶硅为粗大不规则块状,呈针状尺寸大于50μm的共晶硅占50%以上,基体晶粒较大;经二元变质处理后的,合金组织中初晶硅数量增多,没有出现聚集,硅相棱角发生了钝化,表面圆滑,但部分初晶硅仍有尖角突出,尺寸小于30μm;在变质处理过程中,锑对共晶硅有变质效果,能有效地使共晶硅由针状变成颗粒状,并使树枝状基体的条杆变细,分布均匀;此外,它易填补生长中的铝硅合金晶粒的表面缺陷,阻碍晶粒继续长大,使晶粒细化。一般将锑与稀土元素按一定的比例混合进行变质处理可有效细化合金中的共晶硅,而对初晶硅的细化效果不明显,但从图1(b)可以看到,初晶硅的形貌和大小也发生了一定程度的改变,这可能是由于加入了适量的Al-5Ti-2B,细化了基体,促进了变质效果;而稀土本身就有非均质形核作用,可在固液界面前沿产生成分过冷而促进形核。也有人认为稀土降低了铝熔体表面活化能,提高了铝熔体在TiAl3和TiB2表面的润湿性,阻碍了TiB2的聚集、沉淀。稀土的变质、净化、化学活泼性等与Al2Ti2B的细化作用结合起来,从而提高了细化剂的性能。由图1还可见,经三元变质处理后,合金中初晶硅尺寸进一步减小,部分初晶硅发生球化,分布均匀。共晶硅呈短杆状,部分呈颗粒状,基体晶粒明显细化。这是因为在铝硅熔体中加入适量磷后,磷与铝形成高熔点的AlP化合物,这种化合物的晶格常数与硅相近,可作为硅相的异质核心,增加硅相的形核率,对初晶硅起到细化作用。磷除了起异质核心作用外,还吸附在初晶硅生长面上,使其产生多重孪晶,其形貌由树枝状变为花状再到颗粒状;而过共晶铝硅合金中的共晶硅无需形核,可直接依附于初晶硅生长,所以,磷在细化初晶硅的同时,也间接地细化了共晶硅,但对其形貌的改变作用甚小,只有通过与其他元素的复合变质,才能在细化共晶硅的同时改变其形貌。再者,适量Al-5Ti-2B合金的加入影响了铝硅合金熔体中AlP的分布及聚集状态,并最终对初晶硅的大小和分布产生影响。2.2元变质处理后的温室强度变化由表1可知,A390合金经过变质处理后,合金抗拉强度与伸长率明显提高;其中经二元变质处理的室温抗拉强度较未变质处理的提高了15.1%,而经过三元变质处理的室温抗拉强度提高了31%;经三元变质处理后合金室温伸长率较未变质处理的提高了150%。2.3未变质和二元变质处理合金的形态及磨损机理由表2可知,A390合金经过变质处理后,其摩擦因数与质量损失都有所减小,且经过三元变质处理后摩擦因数明显比二元变质处理的小,质量损失也有所下降。由此可见,合金经二元和三元变质处理后均有利于提高其耐磨性能。合金经变质处理后耐磨性能优于未变质处理的,这是由于合金中硅相的尺寸和分布对其耐磨性有很大影响,经变质处理后合金的初晶硅得到细化,在相同的磨损应力下,虽仍有初晶硅被磨料切入和剥落,但发生的几率已大大降低,而那些未被剥落的细小初晶硅硬质点增加了铝基体的承载能力,使得磨损量降低。另外,基体晶粒细化使基体的强度、硬度提高,磨料磨损产生的犁沟变浅。由图2可以看出,未变质处理合金的磨损表面有粗大的犁沟痕迹,并伴有大块金属剥落;经二元变质处理合金的犁沟痕迹细小,没有大块金属剥落。对未变质处理和经二元变质处理的合金磨损表面在更高倍电镜下观察,可见在犁沟痕迹附近分布有大量的白色颗粒M,分析表明其为富硅的颗粒,判断是硅相,如图3(a)所示。经三元变质处理后合金的磨损犁沟更密更细,磨屑大体上呈不规则的片状和粒状。片状磨屑的A点主要含铝和铁元素,而粒状磨屑的B点主要含铝和硅元素,还有少量镁和铜元素,如图3(b),(c)所示。由此可知,合金磨损机理是微观切削和脆性剥落磨损的共同叠加作用,未变质处理的合金以脆性剥落磨损为主,经变质处理的合金则以微观切削为主。由于变质前后的合金组织是不同尺寸的初晶硅分布在共晶基体上,在磨损时,由于铝基体比较软,首先在其表面上产生切削,形成一道道的犁沟磨迹。当切削遇上初晶硅颗粒时,由于其棱角形态与较高的显微硬度,不易发生塑性变形,易在磨损应力作用下于尖角处形成对铝基体的应力集中;由于尖角形态的初晶硅与铝基体的结合力较弱,易在磨损应力作用下造成初晶硅颗粒发生断裂、剥落,进而作为硬质点在磨面之间滑动形成显微切削,使磨料垂直楔入表面而产生犁沟痕迹,硅颗粒越细越多,犁沟痕迹就越细越密。由于经三元变质处理后初晶硅得到细化,棱角钝化,剥落后也较细小,因此犁沟痕迹必然要细密些。另外,合金的力学性能越低,越不易吸收其和磨料相对运动所产生的冲击能量,在磨损表面产生压痕,产生鳞片状剥落物越多。3变质对3g329合金力学性能的影响(1)对A390合金进行二元变质处理和三元变质处理后,合金的铸态组织得到细化、变质效果良好