二元AL-Si合金力学行为与β-Si相形态间的相关性研究

摘要

近共晶和过共晶Al-Si系合金以其铸造性能好、综合力学性能高、热膨胀系数低、导热性好等优点，成为制造活塞、汽缸等汽车零部件理想的轻量化材料。然而，粗大板块状的初晶β-Si相和针片状的共晶β-Si相（β-Si相以下简称为Si相）形态是降低其力学性能的主要因素。工业生产中常采用变质处理来改善Si相形态，从而提高拉伸性能。但目前Si相形态（包括Si相形貌、尺寸及分布等）对硬度、耐磨性等其它力学性能的影响规律尚缺乏系统研究。基于此，本文以近共晶Al-13Si和过共晶Al-25Si二元合金为主要研究对象，采用P、Sr变质处理Al-13Si合金分别获得过共晶/亚共晶组织特征形态;通过加P等熔体处理，使Al-25Si合金中初晶Si相呈不同尺寸及分布形态。研究了在成分一定的前提下，Si相形貌、尺寸及分布等变化时，Al-13Si和Al-25Si合金宏观硬度、拉伸性能以及摩擦磨损性能的变化规律;分析了硬度、耐磨性能等力学行为对Si相形态敏感性差异及其成因;研究了Ca元素对P变质或细化的抑制作用机理，提出了一种高效环保的除Ca新工艺。
　　本文主要研究工作如下:
　　(1)近共晶Al-13Si合金Si相组织形貌及分布与力学行为的相关性研究发现，在室温条件下，当化学成分一定时，调控Si相形貌及分布并不能使Al-13Si合金的硬度发生明显变化，表明硬度对Si相形貌及分布不敏感。但Si相形态却显著影响拉伸性能和耐磨性能:合金经Sr变质处理后，α-Al基体与共晶Si相界面结合关系得到显著改善，拉伸强度达到205MPa，相比P变质处理提升23％左右，延伸率由1.03％提高至3.48％;摩擦磨损试验中合金的磨损量也较P变质的少，尤其是在高载荷(120N、150N)条件下，合金的耐磨性更好。与之相反，在高温(350℃)条件下，P变质后合金中Si相分布相对更均匀，变形更协调，合金拉伸强度更高，达到72MPa，延伸率为7.4％;摩擦系数变化更为平稳，耐磨性更佳。以上结果表明，合金拉伸性能和耐磨性均对Si相形貌及分布比较敏感。
　　(2)过共晶Al-25Si合金初晶Si相尺寸与力学行为的相关性室温条件下，将Al-25Si合金初晶Si平均尺寸由200μm细化至15μm左右时，拉伸强度由99MPa提高至152MPa，比未细化时提高53％，延伸率由0.65％提高至0.94％;同样地，摩擦磨损试验中合金在高载荷条件下磨损量也明显减少，合金的耐磨性得到提升。但硬度值仍与细化前几乎保持一致，其它几组过共晶Al-Si合金的硬度值也反映了类似的规律。这说明Al-Si合金的室温硬度与Si相形貌、尺寸及分布变化无关，主要取决于Si的体积分数。高温(350℃)条件下，初晶Si相的细化同样有利于合金拉伸性能和耐磨性的提高:拉伸强度由66MPa提高至69MPa，延伸率由0.4％提升至2.7％;摩擦系数变得更加稳定。
　　(3)杂质Ca对P变质或细化的抑制作用机理与除Ca新工艺
　　系统研究了Ca和P元素在Al-Si熔体中的相互作用，分析了Ca添加量对P变质Al-13Si合金组织形态的影响，揭示了Al-Si-Ca-P合金系中Ca的存在形态，发现其主要以Ca3P2形式存在，其次为Al2Si2Ca。
　　利用Ca与P亲和力极强这一特性，提出了一种除Ca新工艺，即通过加入Al-P中间合金与铝合金熔体中的Ca反应使之以富钙化合物的形式除去。该工艺简便、高效、环保，可使合金中的Ca含量降至10ppm以下。

目录

声明

摘要

本文的创新点与主要贡献

1．1 引言

1．2．1 Al-Si系多元活塞合金的发展及应用趋势

1．2．2 Al-Si合金组织及性能特点

1．3 改善Al-Si系合金组织及性能的主要途径

1．3．1 Si相形态的调控

1．3．2 减少有害杂质元素

1．3．3 合金化和热处理

1．3．4 改进铸造工艺

1．4 Si相形态调控存在的问题

1．5 本文研究意义及主要研究内容

参考文献

2．1 引言

2．2 研究思路与技术路线

2．3 试验材料与试验过程

2．3．1 试验原料及辅助设备

2．3．2 试验用合金的制备

2．4 试样分析表征

2．4．1 金相组织观察

2．4．2 扫描电镜观察

2．4．3 X射线衍射分析

2．4．4 光谱成分分析

2．5 力学性能测试

2．5．1 宏观硬度测试

2．5．2 拉伸性能测试

2．5．3 耐磨性测试

参考文献

第三章 Al-Si合金力学行为对Si相形态的敏感性差异

3．1 引言

3．3 Si相形态对二元Al-Si合金力学行为的影响

3．3．1 Si相形态对二元Al-Si合金硬度的影响

3．3．2 Si相形态对二元Al-Si合金拉伸性能的影响

3．3．3 Si形态对二元Al-Si合金耐磨性的影响

3．4 本章小结

参考文献

第四章 Ca对P变质Al-Si合金的抑制机理及除Ca新工艺

4．1 引言

4．2 Ca添加量对P变质Al-Si合金Si相形态的影响

4．3 Al-Ca-P三元体系物相组成及微观组织形态

4．4 Al-Si-Ca-P四元体系中富钙化合物的研究

4．5 除Ca新工艺的提出

4．6 Ca在AlP中的掺杂

4．7 本章小结

参考文献

第五章 结论

致谢

攻读硕士学位期间发表论文

申请专利

参与科研项目

参加的学术会议

获得奖励