基于SIMA法的AlSi30合金半固态坯料复合制备技术研究

摘要

过共晶铝硅合金(Si＞12.6wt％)是一种优良的耐磨材料，它具有密度小、热膨胀系数小、耐磨性高等诸多优点，广泛用于制造汽车和压缩机的零部件，特别是制造汽车发动机活塞的理想材料。目前过共晶铝硅合金成形方法主要有铸锭冶金法和粉末冶金法，但这两种方法都存在其自身的不足。
　　 半固态金属成形是一种具有近净成形、高质量等优点的新型成形技术，由于浆料初生相呈球形，因此传统成形方法中的许多问题应用该技术都可以得到很好的解决。应变诱发熔化激活(SIMA)法是固态条件下制备半固态坯料的重要途径，但由于该技术工艺过程相对复杂，且引入的变形量有限，因此极大地限制了其推广和应用。本文将高压扭转(HPT)工艺引入到SIMA法中，替代传统的冷热塑性变形，简化了工艺流程，且提供了更大的变形量，显著细化了晶粒，为后续半固态等温处理提供了良好的应变诱导条件。
　　 本文首先研究了高压扭转施加载荷和扭转圈数对粉末固化后组织和性能的影响。结果表明：A1Si30合金粉末经高压扭转处理后得到盘状试样，其初晶硅被大幅细化和磨圆，且显微硬度最大达到144.56kg/mm2，远远高于常规铸造生产的AlSi30合金的显微硬度值。高压扭转载荷越大，扭转圈数越多，细化效果越明显，显微硬度值也越高。晶粒的细化和圆整化主要是在粉末颗粒内部各相之间的相互作用下完成的，而粉末试样的致密化主要是由粉末颗粒之间的相互作用完成的。
　　 其次研究了高压扭转施加载荷、扭转圈数以及半固态等温处理保温温度、保温时间对试样不同位置处半固态组织形成的影响。结果表明：对于同一试样的不同位置处的组织来说，由于变形量的不同，造成累积的变形能有所差别，所以与之相匹配的最佳半固态等温处理工艺参数也有所不同。对于r=5mm处较佳的工艺参数匹配为：高压扭转载荷0.2GPa的情况下扭转5圈，半固态等温处理的温度为645℃，保温时间为50min；对于r=10mm处较佳的工艺参数匹配为：高压扭转载荷为0.2GPa的情况下扭转5圈，半固态等温处理的温度为615℃，保温时间为20min。A1Si30合金半固态组织的演变主要是由两个过程参与完成的，一是共晶基体中共晶硅的析出、聚集和长大的过程；另一个是初晶硅周围硅晶粒偏聚造成初晶硅的粗化过程。
　　 将HPT技术复合到SIMA法半固态制坯过程中，并由此得到了性能更加优异的半固态坯料，大大简化了传统工艺流程，这对传统半固态坯料制备技术由单一走向复合，由实验研究走向实际应用具有重要的现实意义。

目录

文摘

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致谢

第一章绪论

1.1半固态金属成形技术

1.1.1半固态金属成形的分类

1.1.2半固态金属坯料的制备

1.1.3半固态金属浆料的技术指标

1.1.4半固态金属成形的优点

1.1.5半固态金属成形技术的应用现状

1.2高压扭转技术

1.2.1高压扭转法的基本原理

1.2.2高压扭转法变形量的估算

1.2.3高压扭转法的主要影响因素

1.3课题的来源

1.4选题的目的和意义

1.5课题的主要研究内容

第二章实验方法

2.1主要实验设备

2.1.1高压扭转模具

2.1.2保温设备

2.2实验材料的选择

2.3正交试验的基本原理

2.3.1正交试验法的概念

2.3.2正交试验法中的术语和符号

2.3.3正交试验法的原理解释

2.3.4极差分析法的基本原理

2.4实验方案

2.4.1高压扭转实验方案

2.4.2半固态等温处理实验方案

2.5金相观察

2.5.1金相试样的制备

2.5.2金相观察及分析

2.6硬度和相对密度的测试

2.6.1硬度测试

2.6.2相对密度测试

第三章高压扭转固化AlSi30合金粉末实验研究

3.1高压扭转后试样的宏观形貌

3.2高压扭转后试样的显微组织

3.2.1不同载荷下试样的显微组织

3.2.2不同圈数下试样的显微组织

3.2.3不同位置处试样的显微组织

3.3高压扭转工艺参数对试样显微组织的影响

3.3.1施加载荷对显微组织的影响

3.3.2扭转圈数对显微组织的影响

3.3.3扭转半径对显微组织的影响

3.4高压扭转工艺参数对试样显微硬度的影响

3.4.1施加载荷对显微硬度的影响

3.4.2扭转圈数对显微硬度的影响

3.4.3扭转半径对显微硬度的影响

3.5高压扭转工艺参数对试样相对密度的影响

3.6高压扭转工艺细化、致密粉末试样机理分析

3.7本章小结

第四章半固态等温处理过程工艺参数对显微组织的影响

4.1半固态等温处理后试样的宏观变化

4.2半固态等温处理后试样的显微组织

4.2.1半径为5mm处的显微组织

4.2.2半径为10mm处的显微组织

4.3实验结果的正交处理

4.3.1半径为5mm处实验结果的正交处理

4.3.2半径为10mm处实验结果的正交处理

4.4各工艺参数对半固态组织形成的影响

4.4.1工艺参数对半径为5mm处半固态组织形成的影响

4.4.2工艺参数对半径为10mm处半固态组织形成的影响

4.5半固态组织演变机理分析

4.6本章小结

第五章结论及展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

攻读硕士期间参与的科研项目