Nd對過共晶鋁硅合金中初生硅的變質作用及變質機理.pdf

1、過共晶鋁硅合金是一類重要的鑄造合金，具有熱膨脹系數(shù)小、比強度高、耐磨和耐蝕性好等一系列優(yōu)點而被廣泛地應用于航空、航天及汽車制造等領域。但在傳統(tǒng)鑄造條件下，隨著硅含量的增加，鑄造組織中常出現(xiàn)的粗大的初生硅相嚴重地割裂了基體，降低了合金的綜合性能。因此，在使用前必須對過共晶鋁硅合金進行變質處理，改善初生硅的形狀、尺寸和分布，以提高其機械性能。
　　本文采用常規(guī)鑄造工藝方法制備合金(Al-17.5％Si、Al-20％Si和Al-25％S

2、i)，采用單一稀土元素Nd作為變質劑對二元過共晶鋁硅合金進行變質研究。系統(tǒng)研究了變質劑Nd的加入溫度、保溫時間和變質劑Nd加入量等工藝條件對不同硅含量的二元過共晶鋁硅合金中初生硅的形狀和尺寸的影響，確定了Nd對二元過共晶鋁硅合金的最佳變質工藝;系統(tǒng)研究了Nd變質對過共晶鋁硅合金的力學性能及耐磨性能的影響，依據(jù)對變質后合金的斷口形貌和磨損表面形貌的分析探討變質后合金的斷裂機制和磨損機理;系統(tǒng)研究了稀土元素Nd在過共晶鋁硅合金中的分布及存在

3、形式，探討了Nd對過共晶鋁硅合金中初生硅的變質機理。主要結論如下:
　　稀土元素Nd能夠細化初生硅，Nd對初生硅的變質可用成分過冷理論來解釋。吸附理論和異質形核理論不適用于本實驗研究結果。
　　變質工藝研究表明:變質工藝條件影響著過共晶鋁硅合金中的初生硅的形狀和尺寸。對于過共晶Al-17.5％Si、Al-20％Si和Al-25％Si合金的最佳變質工藝條件:變質劑的加入溫度分別為750℃、800℃和850℃，保溫時間10 mi

4、n，Nd的最佳加入量約為0.3％。
　　隨著Nd添加量的增加，過共晶鋁硅合金中初生硅的尺寸先減小后增大，當Nd的添加量為0.3％時，合金中初生硅的晶粒尺寸最小，Al-17.5％Si、Al-20％Si和Al-25％Si合金中初生硅的平均尺寸分別由變質前的30.32μm、63.51μm和90.54μm變?yōu)樽冑|后的13.02μm、20.64μm和37.84μm，分別下降了57.1％、68.5％和58.2％。未變質的Al-17.5％Si合

5、金中初生硅以板片狀與多面體形狀存在，變質后沒有形狀上的變化;變質前后Al-20％Si和Al-25％Si合金有相似的情況，變質前合金中的初生硅都以星狀和不規(guī)則的多面體形狀存在，變質后初生硅呈現(xiàn)出細的板片狀和多面體形狀。
　　力學性能研究表明:隨著Nd添加量的增加，過共晶鋁硅合金的抗拉強度先增大后減小，當Nd的添加量為0.3％時，合金的抗拉強度達到最大值，Al-17.5％Si、Al-20％Si和Al-25％Si變質后合金的抗拉強度分別

6、為163 MPa、148 MPa和132 MPa，與未變質的120 MPa、117 MPa和113 MPa相比分別增加了35.8％、26.5％和16.8％。合金的斷后伸長率分別為2.2％、1.64％和1.2％，與未變質的0.8％、0.64％和0.42％分別增加了175％、192％和185％。過共晶鋁硅合金以混合斷裂方式斷裂，既有初生硅的脆性斷裂特征又有鋁基體的韌性斷裂特征。
　　摩擦磨損研究表明:隨著硅含量的增加，過共晶鋁硅合金的

7、磨損量下降，耐磨性增強;并且加Nd變質后也呈現(xiàn)出相同的規(guī)律。Al-17.5％Si、Al-20％Si和Al-25％Si變質后合金的磨損量分別為0.0020 g、0.0011g和0.0008 g，與未變質的0.0042 g、0.0026 g和0.0018 g相比分別減少了52.3％、57.7％和55.6％，變質后合金的耐磨性增強。變質后的過共晶鋁硅合金的磨損機理為磨粒磨損、粘著磨損和氧化磨損;未變質的過共晶鋁硅合金磨損機理為磨粒磨損和粘著磨

8、損。
　　電子探針(EPMA)和掃描電鏡(SEM)分析表明:在過共晶鋁硅合金中初生硅的中心及邊緣幾乎檢測不到Nd元素，Nd主要分布在晶界，這種分布狀態(tài)會導致在熔體冷凝過程中，Nd分布在固液界面，阻礙硅向生長界面擴散，抑制硅相的生長，從而減緩初生硅的生長，達到細化效果，因此成分過冷理論比較適用于解釋本實驗的結果。
　　差示掃描量熱法(DSC)分析表明:稀土元素Nd加入到過共晶鋁硅合金當中，降低了初晶起始溫度和初生硅析出溫度，縮

9、短了初生硅冷凝時間，造成快速冷凝，結果降低了Si原子的活動能力，從而減小初生硅的尺寸。這說明稀土元素Nd對過共晶鋁硅合金的變質機理符合成分過冷理論，而不符合異質形核理論。
　　透射電鏡(TEM)和X射線衍射(XRD)分析表明:在過共晶鋁硅合金中稀土元素Nd主要以AlSixNdy三元相形式存在。與未變質合金相比，變質后的合金中有新相的衍射峰，進一步證明了AlSixNdy三元相的存在。變質前后硅相各晶面指數(shù)的衍射強度分析表明:稀土元素