Al-10Si-2Cu合金共晶团的细化及其对热裂敏感性的影响

摘要

含铜铝合金由于比强度高、耐腐蚀性好、加工性能优良，在工业中的应用愈加广泛，尤其在汽车工业中的应用较为突出，其中铸造Al-Si-Cu系合金已成为汽车缸体、缸盖的重要合金材料。然而，生产实践中发现铜元素虽能大大强化铝合金基体，却也能严重降低铸造合金的抗热裂性能，导致废品率上升，大量理论研究也进一步证明铜元素增加了合金的凝固温度范围，是一种“致裂”元素。针对铸造铝合金容易产生热裂缺陷的现象，大量研究提出热裂形成机理，探究热裂的解决方法。细化被认为是缓解合金热裂性能的重要方法之一，尤其是初生α-Al的细化能推迟枝晶搭接，提高液相补缩能力，有效缓解热裂的发生。随着对热裂的进一步研究，不少学者逐渐认识到共晶反应通常发生在凝固末期，处于热裂发展阶段，因而共晶组织与热裂的发生紧密相关。显然，对于近Al-Si共晶成分（12.5wt.％Si）的铝合金来说，Al-Si共晶组织不仅在凝固末期产生，在凝固组织中的占比也远高于其他合金组织，使得热裂发生的整个“脆裂”区域低于初生Al的凝固温度范围，因而与初生Al相比，共晶团组织对解决近共晶成分铝合金的热裂缺陷更加重要。但是，共晶团的表征及凝固过程组织观测困难等原因，目前有关共晶组织的深入研究相对较少。
　　鉴于Al-Si-Cu系铸造合金易产生热裂缺陷，应用受到限制，同时为了方便共晶团的获取，本文选取含Si量较高的Al-10wt.％ Si-2wt.％ Cu三元合金为实验合金，采用1wt.％新型中间合金(Al-10wt.％ Si-2wt.％ Fe)孕育剂细化实验合金的共晶组织，通过对比探究以共晶团细化为主导作用的热裂敏感性降低机制，最终达到减少Al-Si-Cu系合金热裂缺陷的目的。实验中选取的对比试样分别为Al-10Si-2Cu的空白合金、Sr变质处理合金、Sr变质后进行新型孕育剂处理合金，采用平板扫描仪、金相显微镜获取共晶团形貌，利用热分析方法表征合金的凝固行为，扫描电子显微镜(SEM)表征Al2Cu、β-Al5FeSi相等微观组织，借助金属型约束铸模(CRC)定性评价不同共晶团尺寸下合金的热裂程度。
　　实验结果表明Sr变质+新型孕育剂处理合金共晶团尺寸减小至Sr变质的1/4，同时合金铸态下的宏观孔隙密度和尺寸均减小。凝固冷却曲线显示共晶平台也有所提升，进一步说明孕育处理能促进共晶形核。将Sr变质处理和变质后孕育处理合金的CRC热裂敏感性指数(HTS)对比，Al-10Si-2Cu合金的热裂敏感性随着共晶团的细化而有效缓解。考虑到金属间化合物也是重要的“致裂”因素，进一步观测发现Al2Cu孕育前后尺寸基本不变，β-Al5FeSi相随共晶团的细化有所减小，也有利于减轻热裂。另外，热学曲线还显示Al-Fe-Si中间合金在含Cu合金中的孕育效能随保温时间延长逐步丧失，结合SEM表征分析，孕育效果的衰退很可能是由于Al2Cu相倾向于“争夺”富Fe相，使得促进Si相形核的(AlFeSi)团簇减少所致。合金铸态下抗拉强度得到改善，说明含Fe元素中间合金的孕育并未带来力学性能的恶化。
　　综合以上表征结果，本文从以下两个方面建立了共晶细化改善近Al-Si共晶成分Al-Si-Cu合金热裂的作用机理:1.液相补缩机制。Al2Cu、β-Al5FeSi金属间化合物由于易堵塞晶间流动通道，严重降低糊状区的渗透性，导致合金背底气孔偏多。共晶团尺寸减小能推迟晶间搭接，抑制气孔形核，是提高液相补缩能力的主要原因，同时β-Al5FeSi相的尺寸相应减小也有益于改善热裂。2.凝固后期金属塑性变形机制。应力作用下，细小的半固态共晶团在更多液膜的辅助下更容易滑移，且受初生α-Al枝晶的阻碍少，移动灵活，能更好地释放局部应力。当合金固相率偏高，液相通道完全分隔成分散的液相池，液相补缩及塑性变形困难，单位体积增多的液膜有利于应力集中的分散。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景和意义

1．2 铝合金热裂的研究进展

1．2．1 热裂的形成机制

1．2．2 热裂的影响因素

1．3 铝合金晶粒尺寸与热裂的相关性

1．3．1 初生α-Al尺寸对热裂的影响

1．3．2 Al-Si共晶团尺寸对热裂性能的影响

1．4 热裂的评价方法

1．4．1 观察性测试法

1．4．2 力学性能测试法

1．5 铝合金的熔体处理技术

1．6 本文主要研究内容

第二章 技术路线和实验过程

2．1 技术路线

2．2 实验步骤

2．2．1 合金的制备及熔炼处理

2．2．2 金相试样制备及表征

2．2．3 凝固行为的表征

2．2．4 铸态下合金力学行为测试

2．2．5 CRC模具的浇注及相应热裂敏感性评价

第三章 Al-10Si-2Cu合金共晶团的孕育处理

3．1金相组织表征

3．2 凝固过程热分析

3．2．1 孕育处理后的凝固行为变化

3．2．2 保温时间对孕育效能的影响

3．3 Cu元素对Al-Fe-Si中间合金细化效能的影响

3．4 中间合金孕育对Al-10Si-2Cu中金属间化合物的影响

3．5 力学性能表征

第四章 Al-10Si-2Cu合金共晶团细化对热裂敏感性的缓解

4．1 热裂评价

4．2 共晶细化降低热裂倾向性的机理探究

4．2．1 共晶团细化对补缩能力的提升

4．2．2 共晶团细化对凝固后期金属塑性的影响

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 创新和不足

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间完成的论文