固液混合铸造铝合金和高铬铸铁的研究

摘要

固液混合铸造是一种新型的材料制备技术，其主要工艺过程是在过热的合金熔体中加入大量的同种合金粉末或润湿好的异种合金粉末，经强烈均匀搅拌后进行铸造或各种热加工。本文自行设计制造了固液混合铸造的实验设备，初步确定了固液混合铸造制备高合金含量的铝合金及高铬铸铁的基本工艺规律，采用固液混合铸造技术制备了合金成分较高的铝合金和高铬铸铁合金。通过DSC 分析、力学性能测试及OM、XRD、SEM 形貌分析等手段对固液混合铸造Al-Mn 合金、Al-Cr 合金、Al-Cu 合金以及高铬铸铁的组织、性能及其后续重熔处理和挤压成形性能进行了研究，并初步探索了固液混合铸造工艺的细晶机理，研究结果如下： （1）采用固液混合铸造技术有效地改善了合金的组织： 固液混合铸造制备的Al-20Mn 合金的初生相尺寸可控制在10μm 以内，且形貌以球形或等轴状为主。 固液混合铸造Al-20Cu 合金的初生α-Al 为蔷薇状或近球状，其大小可以达到70μm（加入200μm～96μm 粉末）或50μm（加入74μm～43μm 粉末），明显小于半固态加工的120μm。固液混合铸造Al-40Cu 合金初生θ相更为圆整。长度方向的平均尺寸由普通铸造500μm 减至100μm（加入200μm～96μm 粉末），或80μm（加入74μm～43μm 粉末）；径向的平均尺寸由普通铸造80μm 减为40μm（加入200μm～96μm 粉末），或30μm（加入74μm～43μm 粉末），长径比由普通铸造的6 减至2.5。 固液混合铸造制备的Cr15 高铬铸铁合金的共晶碳化物组织更加细小，板片长度最大为50μm，碳化物有明显的球化现象；奥氏体枝晶的树枝状形貌消除，形成更加细小的等轴晶粒；合金组织的共晶团尺寸变小，共晶团直径在20μm～50μm之间，合金的偏析得以改善。 （2）固液混合铸造有效地提高了合金的抗拉强度： 固液混合铸造的Al-20Mn 合金的抗拉强度由传统铸造的30MPa，半固态铸造的60 Mpa 提高到固液混合铸造的100MPa 左右，延伸率也有所提高。固液混合铸造Al-10Mn 合金的抗拉强度大幅提高到130MPa，其后续加工性能得以改善。固液混合铸造Al-10Mn 合金坯料经过热挤压加工后其抗拉强度提高到181MP，其中坯料最佳加热温度为600℃。 固液混合铸造Al-10Cr 合金的研究中发现，当粉料比为0.4，或当粉料比为0.2 且粉末粒度为38μm～74μm 时，合金的组织明显细化，综合力学性能较好,室温拉伸性能为:σb=119.3MPa, σ0.2=89.5MPa。 在固液混合铸造工艺条件下，Al-20Cu 合金的室温力学性能为：σb＝165MPa，σ0.2＝100MPa，δ＝2％（加入200μm～96μm 粉末）；σb＝193MPa，σ0.2＝116MPa，δ＝3％（加入74μm～ 43μm 粉末）。Al-40Cu 合金的室温力学性能为：σb＝187MPa，σ0.2＝113MPa，δ＝1.5％（加入200μm～ 96μm 粉末）；σb＝209MPa，σ0.2＝125MPa，δ＝2％（加入74μm～ 43μm 粉末）。 固液混合铸造的高铬铸铁合金试样室温拉伸性能为：抗拉强度σb=635MPa，屈服强度σs=401MPa，高于普通铸造制备的合金试样。 （3）固液混合铸造Al-10Cr 合金的磨损机制室温时主要为磨粒磨损，而高温时主要为粘着磨损，较半固态铸造合金有较强的耐磨性。固液混合铸造Al-10Cr合金的抗晶间腐蚀性能要高于半固态铸造Al-10Cr 合金。固液混合铸造Al-Cu 合金试样S2-4＋2＃的磨损量明显小于实验中其它加工方法制备试样的磨损量，主要为“疲劳磨损＋粘着磨损”的层离剥落磨损机制。固液混合铸造工艺改善了高铬铸铁合金的耐磨性能，使摩擦磨损实验的质量损失率由1.00％降低到0.53％。 （4）固液混合铸造高铬铸铁合金试样热压性能得以提高，墩粗变形比累计可达到34％以上，高于普通铸造合金的22％左右。 （5）固液混合铸造Al-10Mn、Al-20Mn 合金重熔处理后析出相变得圆整、均匀，且随着重熔温度的增加，晶粒越大。固液混合铸造重熔处理使Al-Mn 合金中较为粗大的析出相被碎裂和细化。固液混合铸造高铬铸铁合金坯料的重熔处理的合适温度在1220℃～1240℃之间，重熔处理有效地改善了粉末与基体冶金结合，部分修复了坯料中的气孔、疏松、缩孔等缺陷。