Al-10Si-2Cu合金共晶團的細化及其對熱裂敏感性的影響.pdf

1、含銅鋁合金由于比強度高、耐腐蝕性好、加工性能優(yōu)良，在工業(yè)中的應用愈加廣泛，尤其在汽車工業(yè)中的應用較為突出，其中鑄造Al-Si-Cu系合金已成為汽車缸體、缸蓋的重要合金材料。然而，生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)銅元素雖能大大強化鋁合金基體，卻也能嚴重降低鑄造合金的抗熱裂性能，導致廢品率上升，大量理論研究也進一步證明銅元素增加了合金的凝固溫度范圍，是一種“致裂”元素。針對鑄造鋁合金容易產(chǎn)生熱裂缺陷的現(xiàn)象，大量研究提出熱裂形成機理，探究熱裂的解決方法。細化被

2、認為是緩解合金熱裂性能的重要方法之一，尤其是初生α-Al的細化能推遲枝晶搭接，提高液相補縮能力，有效緩解熱裂的發(fā)生。隨著對熱裂的進一步研究，不少學者逐漸認識到共晶反應通常發(fā)生在凝固末期，處于熱裂發(fā)展階段，因而共晶組織與熱裂的發(fā)生緊密相關。顯然，對于近Al-Si共晶成分（12.5wt.％Si）的鋁合金來說，Al-Si共晶組織不僅在凝固末期產(chǎn)生，在凝固組織中的占比也遠高于其他合金組織，使得熱裂發(fā)生的整個“脆裂”區(qū)域低于初生Al的凝固溫度范圍

3、，因而與初生Al相比，共晶團組織對解決近共晶成分鋁合金的熱裂缺陷更加重要。但是，共晶團的表征及凝固過程組織觀測困難等原因，目前有關共晶組織的深入研究相對較少。
　　鑒于Al-Si-Cu系鑄造合金易產(chǎn)生熱裂缺陷，應用受到限制，同時為了方便共晶團的獲取，本文選取含Si量較高的Al-10wt.％ Si-2wt.％ Cu三元合金為實驗合金，采用1wt.％新型中間合金(Al-10wt.％ Si-2wt.％ Fe)孕育劑細化實驗合金的共晶組織

4、，通過對比探究以共晶團細化為主導作用的熱裂敏感性降低機制，最終達到減少Al-Si-Cu系合金熱裂缺陷的目的。實驗中選取的對比試樣分別為Al-10Si-2Cu的空白合金、Sr變質(zhì)處理合金、Sr變質(zhì)后進行新型孕育劑處理合金，采用平板掃描儀、金相顯微鏡獲取共晶團形貌，利用熱分析方法表征合金的凝固行為，掃描電子顯微鏡(SEM)表征Al2Cu、β-Al5FeSi相等微觀組織，借助金屬型約束鑄模(CRC)定性評價不同共晶團尺寸下合金的熱裂程度。

5、r>　　實驗結果表明Sr變質(zhì)+新型孕育劑處理合金共晶團尺寸減小至Sr變質(zhì)的1/4，同時合金鑄態(tài)下的宏觀孔隙密度和尺寸均減小。凝固冷卻曲線顯示共晶平臺也有所提升，進一步說明孕育處理能促進共晶形核。將Sr變質(zhì)處理和變質(zhì)后孕育處理合金的CRC熱裂敏感性指數(shù)(HTS)對比，Al-10Si-2Cu合金的熱裂敏感性隨著共晶團的細化而有效緩解。考慮到金屬間化合物也是重要的“致裂”因素，進一步觀測發(fā)現(xiàn)Al2Cu孕育前后尺寸基本不變，β-Al5FeSi相

6、隨共晶團的細化有所減小，也有利于減輕熱裂。另外，熱學曲線還顯示Al-Fe-Si中間合金在含Cu合金中的孕育效能隨保溫時間延長逐步喪失，結合SEM表征分析，孕育效果的衰退很可能是由于Al2Cu相傾向于“爭奪”富Fe相，使得促進Si相形核的(AlFeSi)團簇減少所致。合金鑄態(tài)下抗拉強度得到改善，說明含F(xiàn)e元素中間合金的孕育并未帶來力學性能的惡化。
　　綜合以上表征結果，本文從以下兩個方面建立了共晶細化改善近Al-Si共晶成分Al-S

7、i-Cu合金熱裂的作用機理:1.液相補縮機制。Al2Cu、β-Al5FeSi金屬間化合物由于易堵塞晶間流動通道，嚴重降低糊狀區(qū)的滲透性，導致合金背底氣孔偏多。共晶團尺寸減小能推遲晶間搭接，抑制氣孔形核，是提高液相補縮能力的主要原因，同時β-Al5FeSi相的尺寸相應減小也有益于改善熱裂。2.凝固后期金屬塑性變形機制。應力作用下，細小的半固態(tài)共晶團在更多液膜的輔助下更容易滑移，且受初生α-Al枝晶的阻礙少，移動靈活，能更好地釋放局部應力。