改善铝硅铸造合金组织与性能研究的若干进展[1]

  本文关键词：改善铝硅铸造合金组织与性能研究的若干进展，由笔耕文化传播整理发布。

第2卷　第1期

2004年3月南京工程学院学报(自然科学版)JournalofNanjingInstituteofTechnology(NaturalScienceEdition)Vol.2,No.1Mar.,2004　　文章编号:1672-2558(2004)01-0001-07改善铝硅铸造合金组织与性能研究的若干进展

柳秉毅

(南京工程学院材料工程系,江苏　南京,210013)

摘　要:综述了近年来在改进铝硅铸造合金组织与性能方面有关研究工作的进展,着重探讨了变质处理、晶粒细

化和铸后热处理对各类铝硅铸造合金组织与性能的影响,并对今后这一方向的研究与技术发展提出了一些设想.

关键词:铝硅铸造合金;晶粒细化;变质;热处理

中图分类号:TG146.2+1文献标识码:A

ImprovementsoftheMicrostructures

andPropertiesofAl2SiCastAlloys

LIUBing2yi

(Dept.ofMaterialEngineering,NanjingInstituteofTechnology,Nanjing210013,China)

Abstract:ThispaperreviewsthelatestresearchworkdoneontheimprovementofthemicrostructuresandpropertiesofAl2Sicastalloys,highlightingtheinfluencesofmodification,refinementandheattreatmentonthemicrostructuresandpropertiesofvariouskindsofAl2Sicastalloys.Italsopredictsthedevelopingtrendofthisfield.

Keywords:Al2Sicastalloys;refinement;modification;heattreatment

1　引言

由于铝合金具有比重轻、比强度高、良好的耐大气腐蚀性等优点,且铝资源丰富,因而在生产和日常生活中显示出广阔的应用前景.其中,就铸造铝合金而言,铝硅合金占有最重要的地位,其用量占铝合金铸件总产量的80%以上.

铝硅铸造合金的组织中α,-Al相有较好的塑性,硅相性硬而脆,作为强化相而分布在基体中.为了改善硅相形态对铸态合金性能的不利影响,通常要对含硅量较高的铝硅合金(共晶和过共晶合金及部分亚共晶合金)的铸件在浇注前进行变质处理.而对于提高α-Al相性能所做的工作,在很大程度上集中在致力于使α-Al相的晶粒细化方面.

铝硅二元合金虽有良好的铸造性能,但强度较低,且不能通过热处理进行强化.在其中加入某些合金元素如铜、镁等后,则可形成热处理强化效应,从而显著提高其力学性能.其热处理强化方式以时效强化为主,使其基体中形成大量弥散分布的与母相共格或部分共格的G.P区或过渡沉淀相(如Mg2Si的过渡相β′和θ″等).其常用的热处理强化方法有T4(淬火)、T5(淬火及不完全人工时效)和′、CuAl2的过渡相θ

T6(淬火及完全人工时效)处理等,其中尤以T6处理应用最多.

由此可见,晶粒细化、变质处理和热处理是生产中用于改善铝硅铸造合金的组织与性能的三项主要收稿日期:2003-09-16

作者简介:柳秉毅(1958-),男,硕士,副教授,主要从事工程材料与成形技术方面的教学与研究.

的工艺途径,因此应当从三者的相互联系中来研究它们对合金组织和性能的影响.近年来,有关的铸造科技工作者在这一方面做了不少工作,本文将就其中的若干研究成果加以论述.

2　铝硅铸造合金中硅相形态的演变及其对性能的影响

变质处理一直是用于改善铝硅合金铸态硅相形态的主要手段,但近年来人们也注意到了变质处理对铝硅合金在热处理时硅相形态的转变有积极的作用.

2.1　钠或锶变质铝硅合金中硅相形态的演变

钠和锶是目前工业上应用最多的共晶和亚共晶铝硅合金变质剂,因为只有它们才能从根本上改变铝硅合金中共晶硅的生长形态,即使之从片状转变为纤维状(见图1).锶用于变质的历史虽然比钠要短得多,但现在一般认为它的使用效果要优于钠.

研究表明,铝硅合金在500℃以上长时间保温后,共晶硅均会发生粒化,并随保温时间延长进一步粗化,粒化过程包括晶体的溶断和断晶的粒化两方面.溶断发生在硅晶体上畸变能较高的部位,如分枝处、晶体表面凹缺处等[1].但未变质的共晶硅粒化周期相当长,可长达数十小时,这表明未变质共晶硅的能态较低.钠或锶变质后共晶硅分枝细密,晶体内缺陷密度增加,有较高的能态和较大的能态不均匀性.这使得溶断和粒化过程大大加快,一般在几小时内可基本完成,如图2所示.将图2和图l对比,还可发现共晶硅已有所粗化[2]

.

　　图1　锶变质铝硅合金中共晶硅形貌　2000×　　　图2　锶变质铝硅合金T6处理后的共晶硅形貌　1000×

2.2　磷变质铝硅合金中硅相形态的演变

磷变质主要用于共晶和过共晶铝硅合金.磷是一种有效的初晶硅细化剂,同时对合金中共晶硅的生长也有所影响,可在—定程度上抑制硅相的片状生长,增加共晶硅生长中的分枝搭桥现象.磷变质的铝硅合金组织中,初晶硅尺寸减小,呈较规则的多面体块状;共晶硅则呈粗短片状和卷曲片状等.磷变质的变质剂过去大都使用赤磷、磷盐或铜磷合金等,最近又研制出一种新型的磷变质剂———铝磷中间合金.用铝磷合金进行变质处理时,其添加过程与合金化过程完全同步,方便了工艺操作,提高了生产效率,而且变质效果良好、稳定,还可解决环境污染问题,从而将对磷变质在生产实践中的应用起到很好的推动作用.

对磷变质的共晶和过共晶铝硅合金T6处理时的组织观察,发现磷变质后的共晶硅在热处理过程中的形态变化也包括溶断和粒化阶段,整个粒化过程与未变质时相比显著加快,一般也在几小时内可基本完成,而且控制适当的保温时间可使其颗粒较为细小.图3和图4显示了磷变质铝硅合金中的共晶硅在

热处理时溶断和粒化的情况.另外,过共晶铝硅合金中的初晶硅在热处理中也发生了棱角钝化变圆的形态变化(对比图5和图6)[3].

共晶硅的粒化过程初步完成后,硅相的形状将随保温时间的延长而更趋圆整;但当其圆整度提高到一定程度后,若再继续保温,则伴随着硅相颗粒以小面生长方式长大粗化,其圆整度反将有所下降.因此,过分延长固溶时间(例如锶变质的条件下固溶时间大于10h),并不能使硅相形态获得持续改善[4]

.

图3　磷变质铝硅合金中共晶硅在固溶处理中图4　磷变质铝硅合金中的共晶硅经T6处理　　　发生晶体溶断(固溶3小时)　200×后发生粒化(固溶7小时)　200

×图5　磷变质过共晶铝硅合金中的初晶硅图6　磷变质过共晶铝硅合金中的初晶硅　　　　与共晶硅铸态时的形貌　2000×与共晶硅在T6处理后的形貌2000×上述硅相在热处理时形态变化的过程,可以认为类似于Ostwald熟化过程,即铸态硅相中高畸变或高能态区域的晶体溶解,析出低能态低畸变的颗粒状晶体.粗化时还伴随着硅相总界面积的减少,由此引起界面能的减小.

2.3　硅相形态的改善对铝硅合金性能的影响

经过固溶和时效处理,铝硅合金的强度将会比铸态有显著提高.例如,采用T6处理,锶变质的ZAl2Si7Mg合金砂型铸件的σb由80～100MPa提高到200～220MPa;钠或锶变质的ZAlSi12Cu2Mg合金砂型铸件的σb从130～170MPa提高到220～260MPa,金属型铸件的σb从230～260MPa提高到280～360MPa;磷变质的ZAlSi12Cu2Mg合金金属型铸件的σb从200-230MPa提高到350～380MPa,磷变质

[2,3]的ZAlSi18Cu2Mg合金金属型铸件的σ.以上几种合金的化学b从200～230MPa提高到280～310MPa

成分见表1.虽然这主要是由于合金基体α相发生了时效强化的作用,但硅相形态的改善无疑亦有一定的

贡献.

表1　几种铝硅合金的化学成分/%

合金

ZAlSi7Mg

ZAlSi12Cu2Mg

ZAlSi18Cu2MgSi6.5～7.511～1317～19Mg0.25～0.450.4～1.00.4～1.0CuMnAl—1.0～2.01.0～2.0—0.3～0.90.3～0.9余量余量余量　　由于铝硅合金的组织由性质不同的α相和硅相混合组成,当铸件受力时,在α相与硅相的界面处应力应变发生突变,使该处易产生应力集中,其应力集中程度与硅相的形态和分布有较大关系.显然,若硅相呈片状及外形棱角尖锐,则应力集中程度大,易使该处产生微裂纹并扩展;若硅相为粒状及外形圆钝,则应力集中程度可减至最小,从而有利于合金强度和塑性的提高.不过,由于硅相形态的改善对合金塑性的提高只能部分抵消时效强化对塑性的削弱,而抵消的程度显然随着合金组织中硅相数量的增多而加大.因此实验数据显示,固溶处理(T4)时,铝硅合金的力学性能与硅相的形状系数(表征其圆钝化和细化程度)之间呈高度线性正相关,如图7所示(图中虚线由线性拟合的回归方程所确定)[4].而T6处理后,共晶

δ值)一般不提高或提高不多,而亚共晶铝硅合金的塑性则有所下降.此外,随和过共晶铝硅合金的塑性(

着硅相粗化程度的增加,也会降低合金的强度和塑性

.

图7　共晶铝硅合金的力学性能与硅相形貌的相关性

3　变质处理和晶粒细化对铝硅铸造合金中α相的影响

3.1　变质对铝硅合金中α相的影响

锶或钠变质与磷变质相比,二者对合金中α相具有相反的影响.磷在铝硅合金中与铝形成可作为硅相生核基底的A1P,促进硅的非自发形核.磷变质使合金的共晶点左移,抑制了α相的析出,故磷变质的共晶铝硅合金中没有初生的α相.而锶或钠变质作用之一就是中和了熔体中A1P粒子(由铝中常存的微量磷所形成),减少了硅相生核基底数目,使共晶结晶温度下降,共晶点位置右移,促进了α相的析出,因而在共晶铝硅合金中也出现大量初生α相.特别是关于锶变质对铝硅合金中α相的影响,近期有较多的研究结果发表[5,6].

通过考察锶的加入对共晶铝硅合金组织中α相形态的影响,发现锶变质促进了α枝晶柱状化生长,并导致α枝晶数量大幅度提高;在完全变质的合金中,随着合金中锶量增加,一次分枝间距和二次枝臂间距都降低,即表明锶对α枝晶也起一定的细化作用.

五星文库wxphp.com包含总结汇报、IT计算机、专业文献、计划方案、考试资料、办公文档、外语学习、教程攻略以及改善铝硅铸造合金组织与性能研究的若干进展[1]_图文等内容。

本文共2页12

  本文关键词：改善铝硅铸造合金组织与性能研究的若干进展，由笔耕文化传播整理发布。