铝硅合金初晶硅与共晶硅同时变质处理的研究

摘要

随着社会的进步，制造业的飞速发展，人类物质生活不断提高，出现了资源和能源逐渐枯竭，生存环境逐渐恶化的严重问题。这要求使用可持续发展的材料。另一方面，在节能、节材的要求下，材料又向着轻量化方向发展，以减轻自重、提高功率质量比，达到高速、高效、节能和减轻污染的目的。 本文研究的铸造过共晶铝硅合金就是符合可持续发展的材料之一。因为从过共晶铝硅合金的性能来看：它具有优异的低膨胀性能，有很高的耐磨性、耐蚀性、较小的比重和良好的导热性。因此，它被广泛的应用于汽车、航天等领域。在汽车工业方面，研究开发高性能的汽车材料成为汽车工业发展的一个重要课题，别是关键零部件材料，如发动机活塞、转子等。但是长期以来，困扰和限制过共晶铝硅合金应用的主要问题是这类合金的缺点：过共晶铝硅合金的微观组织中通常存在较粗大的不规则初生硅和针状共晶硅，这些较粗大的硅相随机地分布在合金的基体中，严重地割裂了合金基体，在外力作用下，合金中的硅相尖端和棱角部位易引起局部应力集中，从而明显降低了合金的力学性能，尤其是影响其塑性及耐磨性的提高。此外，采用过共晶铝硅合金材料制造的各种零部件在机械加工过程中，合金中硬而脆的初生硅相还会加快机加工刀具的磨损，同时机加工后零部件的表面光洁度也很差，无法满足实际生产的需要，因而过共晶铝硅合金在工业上未能得到广泛的应用。而经过复合变质处理的过共晶铝硅合金中的初生硅和共晶硅明显细化，这些均匀分布在基体中的细小块状初生硅明显地改善了该合金的力学性能。因此，研究过共晶铝硅合金复合变质效果、变质机制及生长方式具有极其重要的理论意义和实际价值。 针对过共晶铝硅合金晶硅的细化变质问题，本文研究了不同体系变质剂对过共晶铝硅合金中晶硅细化的影响规律，发现了Al-P-RE-Sr 是变质效果较佳的复合变质剂。用此复合变质剂对过共晶Al-30wt.％Si 合金进行了变质，得出了较佳的变质处理工艺参数。并对复合变质的过共晶铝硅合金进行了性能分析。 实验结果表明：Al-P 合金，RE，Al-Sr 合金在900℃分别对Al-30wt.％Si 合金进行变质处理，粗大板条状初晶硅和粗大针状共晶硅分别得到细化，细化后初晶硅呈块状，平均尺寸为22μm，共晶硅呈纤维状。用Al-P-RE、Al-P-Sr、Al-P-RE-Sr 复合变质过共晶Al-30wt.％Si 合金时，初晶硅和同晶硅都可得到同时细化，初晶硅被细化成小块状的同时共晶硅也被细化成了纤维状。此外RE具有促进Al-P 合金进一步细化初晶硅的作用，并可使初晶硅的棱角得以钝化。同时Al-P-RE-Sr 复合变质剂具有良好的变质长效性和重熔性，在保温7h时或重熔5 次后，初晶硅的平均尺寸不超过36μm，共晶硅的形貌为纤维状。在非平衡凝固条件下，过共晶铝硅合金中共晶点在水平方向的向右偏移量? CE 表达式为：当加入0.8％Al-P+0.8％Al-Sr+1.2％RE 复合变质剂时，Al-30wt.％Si 合金共晶点在水平方向的向右偏移量为1.3wt.％。经Al-P-Sr-RE 变质后，HB 由未变质前的70.97提高到90.81；b σ 达到最大值245.2 Mpa，比未加RE时提高了11.4％；ψ达到了3.7％，比未添加RE时提高了19.4％；磨损率随着施加载荷的增加而增加，经Al-P 或Al-P-Sr-RE变质处理后，合金的磨损率都有所降低，而Al-P-Sr-RE 复合变质后，该合金的磨损率最低。