铝硅合金双螺旋搅拌技术研究及晶粒尺寸预测

摘要

Al-Si合金的密度小、耐磨性高、耐热性好、耐蚀性高、焊接性好，是制作发动机活塞等耐磨损零件的理想材料，目前正应耐磨性需求向着含硅量更高的过共晶方向发展，硅质量分数已达30％以上。过共晶Al-Si合金在铸造时会析出板条状初晶硅并形成大量枝晶，严重影响了合金的力学性能与加工性能。工业上多使用含P化合物对初晶硅进行变质剂处理，或通过搅拌熔体避免形成粗大枝晶。本课题组之前的工作表明，仅通过控制凝固条件也可达到控制初晶硅形貌的目的。为进一步细化晶粒，铝工业还大量使用以Al-Ti-B为代表的细化剂。
　　机械搅拌法设备简单、生产率高，在搅拌的同时还可以对熔体进行冷却处理，在工艺上较其他方法有明显优势。本文使用机械搅拌结合细化剂处理制备Al-Si合金，其核心为两根同向旋转的啮合螺杆，配合可控温加热冷却系统和角度可调的工作平台制备Al-20％Si合金。为研究实验条件对晶粒尺寸的影响，使用正交实验对各实验条件进行分析，结果显示各实验条件对晶粒尺寸的影响程度由大到小排序为:入料温度、冷却水流量、搅拌速度、倾斜角度。得到最优实验条件为:冷却水流量0.3kg/s，搅拌速度200 rpm，倾斜角度15°，入料温度680℃，以此条件进行细化实验，得到晶粒尺寸为41.1μm。
　　为对凝固组织进行预测，在将细化剂颗粒简化为球形的基础上，考虑固相基底对液相的润湿作用，本文建立了以球面为基底的异质形核模型（图4.6）。通过模型求得临界形核半径rc后可以得到临界形核功△G*:△G*=(πr32-3cosα+cos3α/3-πR32-3cosβ+cos3β/3)△Gv+[2πr2(1-cosα)-2πR2(1-cosβ) cosθ]σSL考虑系统中的能量涨落与原子扩散能力大小的影响，求出形核率。晶核形成后，利用凝固时间、长大速度、形核率与最终形成晶粒数量的关系，获得单位体积中生成的晶粒数量，得到晶粒平均尺寸。计算结果与实验结果对比，相对误差不超过5％。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 铝硅合金简介

1．2 半固态金属成形技术简介

1．2．1 半固态金属成形的概念

1．2．2 半固态金属成形技术的发展历程

1．2．3 半固态金属成形技术的特点

1．2．4 半固态金属成形技术的工艺路线与制备方法

1．3 晶粒细化的方法

1．4 凝固过程的组织预测方法

1．5 本文研究的内容、目的与意义

1．5．1 研究内容

1．5．2 研究目的

1．5．3 研究意义

第2章 双螺旋搅拌装置的研究

2．1 搅拌杆

2．1．1 搅拌杆的类型

2．1．2 搅拌杆的参数

2．1．3 搅拌杆的材质

2．2 机筒

2．2．1 机筒的外形

2．2．2 机筒的结构

2．3 导料块

2．4 加热与冷却系统

2．5 工作平台

2．6 本章小结

第3章 Al-Si合金浆料的制备

3．1 实验材料与仪器

3．1．1 实验材料

3．1．2 实验仪器

3．2 实验方案

3．3 实验过程

3．3．1 合金熔体的制备

3．3．2 双螺旋搅拌实验

3．3．3 细化实验

3．3．4 样品的制备

3．4 实验结果分析

3．5 本章小结

第4章 金属凝固晶粒尺寸的预测

4．1 形核理论

4．1．1 均匀形核

4．1．2 非均匀形核

4．2 形核模型

4．3 晶粒尺寸预测模型

4．3．1 结晶潜热的处理

4．3．2 表面能的处理

4．3．3 凝固时间的处理

4．3．4 晶粒长大速度的处理

4．4 预测结果与讨论

第5章 结论

参考文献

致谢