過共晶Al-20%Si合金Si相形態(tài)的演變及性能研究.pdf

1、隨著汽車發(fā)動機向著高速、大功率和低排放等方向的發(fā)展，對材料耐磨性能、機械性能以及尺寸穩(wěn)定性的要求越來越高。過共晶Al-Si合金由于具有優(yōu)良的鑄造性能、低的密度、低的熱膨脹系數(shù)、優(yōu)良的導熱性能、高的強度、較好的耐磨和耐腐蝕性能被廣泛地應用在航空航天和汽車領域。在汽車領域，過共晶Al-Si合金作為傳統(tǒng)鑄鐵的理想替代材料用以制作汽車發(fā)動機用活塞和缸套等耐磨零部件，不僅可以提高發(fā)動機的工作效率，而且可以減輕汽車重量、提高燃油利用率和減少尾氣排放

2、。然而，過共晶Al-Si合金鑄造組織中，初生Si為粗大不規(guī)則的塊狀、五瓣星狀和板片狀，共晶Si為粗大的針片狀，它們在基體上的分布嚴重割裂了基體的連續(xù)性，并且尖端導致局部的應力集中，明顯降低了合金的力學性能和耐磨性能，限制了過共晶Al-Si合金的工業(yè)化應用。為進一步開發(fā)過共晶Al-Si合金的性能潛力，擴大工業(yè)化的應用范圍，開展過共晶Al-Si合金中初生Si和共晶Si形態(tài)演變的研究具有現(xiàn)實意義。
　　目前，國內外常用的過共晶Al-Si

3、活塞合金的含Si量為17％-22％。該范圍的合金相比較高Si含量的Al-Si合金具有窄的結晶溫度間隔，具有優(yōu)良的流動性，從而使合金具有良好的鑄造性能。因此，本論文選用Al-20％Si合金為研究對象，研究了能夠同時細化和變質初生Si和共晶Si的單一變質劑或細化處理技術，包括稀土變質劑、添加合金元素、原位自生γ-Al2O3顆粒、熔體的熱速處理技術和熱擴散處理技術，為過共晶Al-Si合金廣泛地工業(yè)化應用提供理論依據(jù)和科學指導。
　　過共

4、晶Al-20％Si合金中加入單一的稀土元素Ce和Er后，發(fā)現(xiàn)稀土Ce和Er不僅能夠細化初生Si，而且能夠變質共晶Si組織。隨著稀土Ce含量從0.3％增加到1.0％，初生Si的形態(tài)從粗大不規(guī)則塊狀、板片狀和五瓣星狀轉變成邊緣和端部鈍化的塊狀，且較均勻地分布在合金基體上，其平均尺寸從192μm減小到大約為33μm;共晶Si由原始鑄態(tài)時的粗大針片狀細化為細小的纖維狀組織和粒狀組織;當加入0.5％Er時，初生Si細化為端部和邊緣鈍化的細小塊狀，

5、平均尺寸減小到41μm，共晶Si變質為細小的珊瑚狀纖維組織。但是，當添加量為0.8％時出現(xiàn)了初生Si和共晶Si的粗化現(xiàn)象;α-Al的二次枝晶間距發(fā)生了先減小后增大的現(xiàn)象。
　　已有的研究都集中在合金元素的添加對Al-Si合金中析出相以及對合金性能的影響，而沒有研究合金化處理對過共晶Al-Si合金中Si相形貌和尺寸的影響。本論文通過向過共晶Al-20％Si合金中加入Mg、 Ni和Mn元素進行合金化處理，發(fā)現(xiàn)加入2.0％Mg使初生Si

6、細化成平均尺寸大約為29μm的細小規(guī)則塊狀，共晶Si細化為具有多分支的細小纖維組織;添加1.5％Ni可以使初生Si細化成細小的規(guī)則塊狀組織，分布趨于更加的均勻，平均尺寸減小到42μm，共晶Si細化為細小多分枝的纖維組織;加入0.1％Mn時，初生Si的形貌和尺寸發(fā)生了突變，其形貌由尺寸較大的塊狀和板片狀轉變成了細小塊狀和少部分長度小于50μm，寬度小于10μm的片狀初生Si，其平均尺寸減小到39.7μm，共晶Si細化為細小的粒狀和纖維狀組

7、織。
　　將去結晶水的NH4Al(SO4)2無機鹽加入到Al-20％Si合金熔體中，通過攪拌和保溫后能夠原位反應生成微米尺度的γ-Al2O3顆粒。原位自生的γ-Al2O3顆粒通過非均質形核和抑制生長有效地細化Al-20％Si合金中的初生Si和共晶Si組織。原位自生γ-Al2O3質量分數(shù)達到0.8％時，初生Si被細化成邊緣鈍化的細小塊狀組織，其平均尺寸減小為40μm。然而，進一步使生原位自生的γ-Al2O3顆粒質量分數(shù)到1.0％時，

8、出現(xiàn)了粗化現(xiàn)象，其平均尺寸為41μm。隨著原位生成γ-Al2O3顆粒質量分數(shù)的增加，共晶Si的片層間距減小，長度變短，尖端和邊緣鈍化，由原來的粗大針片狀向細小的棒狀和粒狀轉變，而非細小纖維狀組織。
　　熔體熱速處理技術既能細化初生Si相，也能細化共晶Si組織。當熔體經過1050℃的過熱處理后，初生Si的平均尺寸減小到38μm，共晶Si以細小的粒狀均勻分布在金屬基體上。
　　合理的熱擴散處理工藝條件下能夠獲得端部和邊緣鈍化的初

9、生Si和細小的纖維狀共晶Si。610℃經過15min的熱擴散處理能夠獲得邊緣鈍化的小塊狀和細小的近球狀初生Si，平均尺寸大約為11μm;共晶Si以細小的顆粒狀和纖維狀從液相中重新析出并包圍了球狀的α-Al組織。580℃經過40min的熱擴散處理獲得了平均尺寸為35μm的近球狀初生Si;共晶Si以細小的纖維狀從熔化的液相中重新析出。550℃經過90min的熱擴散處理后，初生Si未發(fā)生明顯的鈍化和球化，形態(tài)以相互交叉的類樹枝狀存在;共晶Si