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过共晶AL-20%Si合金Si相形态的演变及性能研究

李庆林  
【摘要】:随着汽车发动机向着高速、大功率和低排放等方向的发展,对材料耐磨性能、机械性能以及尺寸稳定性的要求越来越高。过共晶Al-Si合金由于具有优良的铸造性能、低的密度、低的热膨胀系数、优良的导热性能、高的强度、较好的耐磨和耐腐蚀性能被广泛地应用在航空航天和汽车领域。在汽车领域,过共晶A1-Si合金作为传统铸铁的理想替代材料用以制作汽车发动机用活塞和缸套等耐磨零部件,不仅可以提高发动机的工作效率,而且可以减轻汽车重量、提高燃油利用率和减少尾气排放。然而,过共晶Al-Si合金铸造组织中,初生Si为粗大不规则的块状、五瓣星状和板片状,共晶Si为粗大的针片状,它们在基体上的分布严重割裂了基体的连续性,并且尖端导致局部的应力集中,明显降低了合金的力学性能和耐磨性能,限制了过共晶A1-Si合金的工业化应用。为进一步开发过共晶A1-Si合金的性能潜力,扩大工业化的应用范围,开展过共晶A1-Si合金中初生Si和共晶Si形态演变的研究具有现实意义。 目前,国内外常用的过共晶Al-Si活塞合金的含Si量为17%-22%。该范围的合金相比较高Si含量的Al-Si合金具有窄的结晶温度间隔,具有优良的流动性,从而使合金具有良好的铸造性能。因此,本论文选用Al-20%Si合金为研究对象,研究了能够同时细化和变质初生Si和共晶Si的单一变质剂或细化处理技术,包括稀土变质剂、添加合金元素、原位自生γ-A1203颗粒、熔体的热速处理技术和热扩散处理技术,为过共晶Al-Si合金广泛地工业化应用提供理论依据和科学指导。 过共晶A1-20%Si合金中加入单一的稀土元素Ce和Er后,发现稀土Ce和Er不仅能够细化初生Si,而且能够变质共晶Si组织。随着稀土Ce含量从0.3%增加到1.0%,初生Si的形态从粗大不规则块状、板片状和五瓣星状转变成边缘和端部钝化的块状,且较均匀地分布在合金基体上,其平均尺寸从192μm减小到大约为33μm;共晶Si由原始铸态时的粗大针片状细化为细小的纤维状组织和粒状组织;当加入0.5%Er时,初生Si细化为端部和边缘钝化的细小块状,平均尺寸减小到41μm,共晶Si变质为细小的珊瑚状纤维组织。但是,当添加量为0.8%时出现了初生Si和共晶Si的粗化现象;α-Al的二次枝晶间距发生了先减小后增大的现象。 已有的研究都集中在合金元素的添加对Al-Si合金中析出相以及对合金性能的影响,而没有研究合金化处理对过共晶Al-Si合金中Si相形貌和尺寸的影响。本论文通过向过共晶Al-20%Si合金中加入Mg、Ni和Mn元素进行合金化处理,发现加入2.0%Mg使初生Si细化成平均尺寸大约为29μm的细小规则块状,共晶Si细化为具有多分支的细小纤维组织;添加1.5%Ni可以使初生Si细化成细小的规则块状组织,分布趋于更加的均匀,平均尺寸减小到42μm,共晶Si细化为细小多分枝的纤维组织;加入0.1%Mn时,初生Si的形貌和尺寸发生了突变,其形貌由尺寸较大的块状和板片状转变成了细小块状和少部分长度小于50μm,宽度小于10μm的片状初生Si,其平均尺寸减小到39.7μm,共晶Si细化为细小的粒状和纤维状组织。 将去结晶水的NH4Al(SO4)2无机盐加入到Al-20%Si合金熔体中,通过搅拌和保温后能够原位反应生成微米尺度的γ-Al2O3颗粒。原位自生的γ-Al2O3颗粒通过非均质形核和抑制生长有效地细化Al-20%Si合金中的初生Si和共晶Si组织。原位自生γ-Al2O3质量分数达到0.8%时,初生Si被细化成边缘钝化的细小块状组织,其平均尺寸减小为40μm。然而,进一步使生原位自生的γ-Al2O3颗粒质量分数到1.0%时,出现了粗化现象,其平均尺寸为41μm。随着原位生成γ-A1203颗粒质量分数的增加,共晶Si的片层间距减小,长度变短,尖端和边缘钝化,由原来的粗大针片状向细小的棒状和粒状转变,而非细小纤维状组织。 熔体热速处理技术既能细化初生Si相,也能细化共晶Si组织。当熔体经过1050℃的过热处理后,初生Si的平均尺寸减小到38μm,共晶Si以细小的粒状均匀分布在金属基体上。 合理的热扩散处理工艺条件下能够获得端部和边缘钝化的初生Si和细小的纤维状共晶Si。610℃经过15min的热扩散处理能够获得边缘钝化的小块状和细小的近球状初生Si,平均尺寸大约为11μm;共晶Si以细小的颗粒状和纤维状从液相中重新析出并包围了球状的a-A1组织。580℃经过40min的热扩散处理获得了平均尺寸为35μm的近球状初生Si;共晶Si以细小的纤维状从熔化的液相中重新析出。550℃经过90min的热扩散处理后,初生Si未发生明显的钝化和球化,形态以相互交叉的类树枝状存在;共晶Si细化为平均粒径为1.8μm的细小粒状和球状。 室温力学性能和摩擦磨损性能的测试表明,Al-20%Si合金中初生Si和共晶Si组织的细化处理够使合金的抗拉强度从92MPa提高到变质后的159MPa,提高了42%;断后延伸率从变质前的0.49%提高到变质后的1.72%,提高了72%;合金的摩擦系数和体积磨损率减小,分别减小了27%和45%,该结果揭示Si相的细化能够提高合金的抗拉强度和耐磨性能。


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