鑄造鋁硅合金熔體處理中添加元素的行為及相互作用研究.pdf

1、鑄造鋁硅合金具有低密度、低膨脹系數(shù)、高耐磨性、高抗腐蝕性、優(yōu)良的鑄造性能等優(yōu)點，因此，在汽車、航空、航海等領(lǐng)域的使用日益廣泛。但在常規(guī)鑄造Al-Si合金的組織中，存在針狀的共晶硅和粗大的形狀復(fù)雜的初晶硅，惡化了合金的性能。在工業(yè)上采用變質(zhì)處理來改變Si相的形貌，使其以有利的形狀，較小的尺寸均勻分布在基體中。通常采用P來變質(zhì)初晶硅，采用Sr、RE、Sb等元素來變質(zhì)共晶硅。但單一變質(zhì)方法呈現(xiàn)出一些自身難以克服如鑄件無法滿足高強度、高耐磨性、

2、易產(chǎn)生針孔、對環(huán)境造成污染等缺點，對鋁合金熔體進行多種添加元素的復(fù)合處理，得到既有良好變質(zhì)又有較低氫含量的綜合效果，已經(jīng)成為人們期待的目標。全面系統(tǒng)地研究這些元素之間的相互作用是獲取具有復(fù)合精變效果的工藝路線的前提。 本論文以對鋁硅合金Si相形貌、合金性能及熔體氫含量等的綜合影響為衡量點，全面系統(tǒng)考察了P、RE、Sr、Sb及Bi等添加元素之間的在熔體處理中的相互作用，并對其機制作了探討。獲得了以下主要結(jié)論： 一、過共晶A

3、390合金中， RE、Sr與P具有相互促進作用，主要表現(xiàn)在以下幾點： ●在研究的幾種元素搭配組合中，同時加入sr、P及RE多元復(fù)合方法處理后，初晶硅平均尺寸最小，在基體中的分布最均勻，獲得了最佳變質(zhì)效果。其次是P-RE復(fù)合變質(zhì)，再次是P-Sr，它們都比單一P變質(zhì)效果更好。 ● RE的加入改善了單獨加P的變質(zhì)效果。與單獨P變質(zhì)相比，混合稀土與P復(fù)合處理后，初晶硅尺寸顯著減少，大小分布更為均勻，同時，共晶硅也變短，部分由長針

4、狀轉(zhuǎn)變?yōu)槎贪魻?。加?.6％的RE佰己比La/Ce=2)與1.0％P時，初晶硅的平均尺寸為36 μm，最大尺寸為52 μm。 ●混合稀土中La與Ce含量的配比值對初晶硅的變質(zhì)效果具有重要影響，無論是初晶硅的最大尺寸還是平均尺寸，在同樣的保溫時間下，La/Ce=2的都要小于優(yōu)于配比值為3的。 ●采用Sr與P復(fù)合變質(zhì)時，不同的變質(zhì)劑加入順序，產(chǎn)生截然不同的變質(zhì)效果。先加P再加Sr，初晶硅呈現(xiàn)粗大的五瓣星狀。先加sr再加P，獲

5、得了優(yōu)于P的變質(zhì)效果，初晶硅顯著細化，形狀規(guī)則，共晶硅也大部分為點狀或短桿狀。 ●初晶硅呈現(xiàn)各種復(fù)雜形狀是由于在凝固過程中，熔體中的Si原子團簇以不同的凝并生長方式造成的。加入變質(zhì)元素P后， Si原子團簇以A1P為結(jié)晶核心，形成了形狀規(guī)則的初晶硅晶體。但隨著熔體保持時間的延長，以AlP為核心的Si原子團簇繼續(xù)長大及各種方式的凝并，初晶Si相又表現(xiàn)為復(fù)雜形狀。加入稀土后，富集在Si原子團簇的生長界面上，阻礙原子團簇的長大及凝并，強

6、化了P的變質(zhì)效果，使其具有更佳的變質(zhì)效果。同時加入Sr及P后，先加P時，Sr與AlP反應(yīng)，從而使P的變質(zhì)效果消失。而先加Sr后加P，大量的Sr在熔體升溫過程燒損。極少量的sr吸附在si原子團簇上，阻礙其凝并。從而使得復(fù)合變質(zhì)獲得了優(yōu)于單獨P的變質(zhì)效果。 二、在亞共晶A356合金中，RE與sr及Sb具有相互促進作用，主要體現(xiàn)如下： ●在變質(zhì)Si相方面：RE和Sr的變質(zhì)作用相互強化了。單獨加入0.01％Sr時，基本沒有變質(zhì)效

7、果，單獨加0.2％RE時，變質(zhì)效果欠佳。而同時加入0.01％Sr和0.20％RE復(fù)合處理時，變質(zhì)效果超越了單獨加0.2％RE及單獨0.01％Sr，獲得了與單獨加入0.015％Sr基本相當?shù)淖冑|(zhì)效果。同樣的，RE和Sb復(fù)合處理也具有相互促進作用。 ●不同添加元素及其組合對熔體氫含量產(chǎn)生完全不同的影響。RE-Sb復(fù)合處理的氫含量最低，其次是加RE、加Sb的變質(zhì)處理。而Sr的加入大大增加了熔體氫含量，Sr處理后熔體氫含量隨保溫時間呈直

8、線上升關(guān)系。RE的加入降低了加sr熔體的氫含量，RE-sr復(fù)合處理的氫含量處于單獨加RE及單獨加Sr之間。 ●對表面氧化膜形貌及組成成分考察表明，氧化膜的組成成分及結(jié)構(gòu)隨添加元素的變化而改變。Sr變質(zhì)元素的加入，破壞了A356合金熔體表面氧化膜的致密性及完整性，表面氧化膜有反復(fù)開裂而又愈合的痕跡，其裂紋寬達100 μm；添加RE元素的氧化膜，表面十分平整，沒有看到氧化膜開裂的痕跡；Sb-RE復(fù)合處理后，氧化膜表面平整度及致密度進

9、一步提高。而RE-Sr復(fù)合處理中，稀土的加入明顯抑制了氧化膜的開裂的程度。雖然有開裂痕跡，但開裂程度要遠遠低于單獨加Sr處理。未變質(zhì)處理形成的氧化膜較容易開裂，表面凹凸不平，出現(xiàn)大量新氧化膜。加入不同元素的氧化膜的變化是造成加入這些元素后熔體含氫量變化的重要原因。 三、適量加入Bi元素，對A390合金中Si相形態(tài)及合金性能具有促進作用，主要表現(xiàn)在以下幾點： ● Bi與Si相之間具有相互制約作用。Si相尺寸直接影響著富Bi

10、液相的分布，Si相分布越均勻，尺寸越小，Bi的分布也將越彌散。在金屬型水冷的條件下，大部分Bi質(zhì)點均勻分布在初晶硅的邊緣及中心，少量分布在共晶組織邊緣。而在金屬型鑄造時，變質(zhì)效果良好的情況下， Bi不會發(fā)生明顯的比重偏析。另一方面，在A390合金中，隨著適量加入Bi，對初晶Si平均尺寸有抑制作用，最佳Bi加入量為2％-3％，初晶硅最小，平均尺寸達35 μm。 ● Bi的加入顯著改善了過共晶Al-Si合金的摩擦特性。在摩擦過程時，

11、由于表面溫度升高，Bi相熔出，形成一層潤滑膜，起到了自潤滑的作用，加入3％Bi后，合金干摩擦?xí)r的摩擦系數(shù)降低了約12％，跑合期縮短了37.5％，磨損量下降了25％，摩擦表面溫度下降了32％。 四、鋁合金熔體復(fù)合處理技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用通過工業(yè)生產(chǎn)表明，研制的鋁合金熔體復(fù)合處理技術(shù)在應(yīng)用中獲得了滿意效果： ● A390合金同時加入Sr、RE及P復(fù)合處理工藝處理，克服了采用單一P處理的初晶硅容易粗化、共晶硅為長針狀等缺點。初晶硅平

12、均尺寸顯著減小、分布均勻、共晶硅呈現(xiàn)短棒狀，變質(zhì)效果超過4小時。擠壓鑄造雙向斜板的力學(xué)性能均達到了預(yù)定目標；制造成本比原鍛件低50％以上；試生產(chǎn)合格率達100％；并通過了裝機臺架試驗； ●在A356合金輪轂生產(chǎn)中的工業(yè)試驗表明，RE-Sr復(fù)合處理有效的改善了單獨加Sr處理時容易出現(xiàn)針孔的情況。同時，共晶硅形貌尺寸與單獨加Sr處理相當，力學(xué)性能及臺架試驗均達到了鋁輪轂產(chǎn)品的要求。RE-Sr復(fù)合處理是降低A356合金鋁輪彀針孔報廢率

13、，而又不影響產(chǎn)品使用性能的可行的技術(shù)路線。 ●研制的含Bi高硅耐磨合金不僅達到了A390合金美國標準的力學(xué)性能，而且還具有FA2合金相當?shù)臏p摩性及比A390合金還好的耐磨性能。經(jīng)裝機表明，采用該合金坯料制作的汽車空調(diào)雙向斜板零件完全滿足汽車空調(diào)壓縮機的各項性能指標，是制造空調(diào)壓縮機雙向斜板的理想材料。 總之，本論文通過研究各種添加元素之間的行為，開發(fā)了具有全面的綜合效果的復(fù)合變質(zhì)處理方法，不僅克服了單一變質(zhì)劑處理存在的缺