喷射成形Al-Si系高硅铝合金组织与性能的研究

摘要

高硅含量铝合金是极具前途的用于航空航天电子器件、汽车发动机、空调机等轻质、低膨胀、高耐磨材料,而硅相粗大是妨碍其应用的关键。利用快速凝固技术制备这类合金,可使硅相明显细化,从而改善各项性能。
　　本论文利用江苏豪然喷射成形合金有限公司自主研发的双喷嘴扫描喷射成形技术,制备了27％Si-Al、42％Si-Al、50％Si-Al一系列不同硅含量的高硅铝合金,采用热等静压技术对合金进行了致密化处理,获得了φ400mm×700mm大规格的硅铝合金。通过室温力学性能测试、热膨胀系数测试及摩擦磨损性能试验,采用光学金相显微镜、X射线衍射仪、扫描电镜等手段对显微组织和性能进行了研究。分析了硅含量对喷射成形硅铝合金微观组织、热膨胀性能的影响,利用UMT-2摩擦磨损试验机,研究了加载力、转速、温度等对硅铝合金摩擦磨损性能的影响。主要研究成果如下:
　　喷射成形态组织与铸造态组织相比,初生硅相明显细化,呈均匀弥散分布,富Al相围绕Si相间隙呈网络分布。随着硅含量的增加,合金凝固区间增大,初生硅相的数量增加,平均尺寸增大,由全部颗粒状分布逐渐演化呈部分颗粒、部分骨架状分布,这种均匀弥散分布的结构有利于降低合金的热膨胀系数。
　　利用热膨胀仪研究了合金的热膨胀系数,随着温度的升高,合金的热膨胀系数逐渐增大。室温至200℃时,27％Si-Al、42％Si-Al、50％Si-Al合金热膨胀系数分别为14.76×10-6K-1、9.75×10-6K-1、9.29×10-6K-1;随着硅含量的增加,合金的热膨胀系数逐渐降低,通过硅含量的调整,可以控制合金的热膨胀系数。
　　经热等静压致密化处理后,随着硅含量的增加,合金的抗拉强度和抗弯强度呈下降趋势。27％Si-Al、42％Si-Al、50％Si-Al合金的平均抗拉强度分别为196MPa、143MPa、135MPa;三点抗弯强度分别为260 MPa、232 MPa、228 MPa;27％Si-Al合金的延伸率为9.5％,42％Si-Al与50％Si-Al合金的延伸率不超过1％。由于硅含量的增加,合金的延伸率迅速下降,塑性、韧性降低。
　　利用UMT-2摩擦磨损仪研究了合金的摩擦磨损性能,随着硅含量的增加,摩擦系数呈上升趋势,27％Si-Al合金磨痕主要以铝基体相的塑性变形为主,存在少量的磨屑,42％Si-Al合金和50％Si-Al合金,存在着大量初生硅相断裂、剥落、脱落的现象,磨损机理由粘着磨损为主逐渐转变为磨料磨损;加载力的上升,使得摩擦系数总体呈下降趋势,这与载荷增加使得初生硅相脱落、碎化,形成转移膜而发生三体磨损有关;转速主要通过影响亚表层形变速率和由摩擦热引起表面温度升高来影响硅铝合金的耐磨性,对于低含量硅铝合金这种影响效果比较显著;温度的升高,使得27％Si-Al合金产生严重的粘着磨损,摩擦系数波动较大,硬质硅相不能起到很好的支撑作用来抵抗材料的磨损,而42％Si-Al合金和50％Si-Al合金,随着硅含量的增加,摩擦曲线波动幅度减小,硅相可有效抵御温度对材料的软化作用,起到有效支撑,磨损机制为粘着磨损与磨料磨损混合机制。

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Contents

第1章 绪 论

1.1 前言

1.2 电子封装材料的发展概述

1.3 喷射成形技术的发展概述

1.4本论文的主要研究背景与内容

第2章 研究思路与试验方案

2.1 研究思路

2.2 材料制备

2.3 热等静压致密化处理

2.4显微组织观察

2.5 力学性能测试

2.6 SEM、EDS

2.8 热膨胀系数的测定

2.9 XRD物相分析

2.10摩擦磨损试验

第3章 喷射成形硅铝合金显微组织的研究

3.1 前言

3.2铸造、沉积态硅铝合金组织

3.3沉积坯显微组织形成过程分析

3.4沉积态孔洞及形成机理

3.5 喷射成形硅铝合金初生硅相形态分析

3.6 喷射成形硅铝合金的致密化

3.7 本章小结

第4章 喷射成形硅铝合金热学力学性能的研究

4.1 前言

4.2硅铝合金的热膨胀性能研究

4.3硅铝合金的力学性能研究

4.4 本章小结

第5章 喷射成形硅铝合金摩擦磨损性能的研究

5.1 前言

5.2材料摩擦磨损的实质与分类

5.3试验结果与分析

5.4 分析与讨论

5.5 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢