合金元素及冷却速度对过共晶铝硅合金凝固组织的影响
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【摘要】：过共晶铝硅合金具有低密度、高硬度、耐磨、耐高温等良好的机械性能。但是过共晶Al-Si合金组织中大块状的初生硅呈尖角状、共晶硅呈粗大针状,在受到外力的作用下,其尖角处造成应力集中,出现裂纹,且裂纹沿粗大针状共晶硅组织晶界扩展,导致组织断裂,极大限制了过共晶铝硅合金的实际应用。本文在前人研究的基础上,向过共晶铝硅合金中加入3.4%Zr、3.0%Mn、2.0%V、1.0%Cr-1.5%Ti合金元素,并采用砂型、金属型、水冷金属型三种不同的冷却方式冷却,研究合金元素及冷却速度对过共晶铝硅合金凝固组织的影响。本实验研究结果表明,在砂型、金属型、水冷金属型冷却条件下,3.4%Zr、3.0%Mn、2.0%V合金元素均会减弱Al-20%Si合金的P变质效果,使初生Si个数减少、尺寸增大。在过共晶铝硅合金中加入3.4%Zr后,初生Si之间形成颗粒状共晶硅Si相,且随着冷却速度加快,粒化效果更加明显;在过共晶铝硅合金中加入3.0%Mn后,只有在水冷金属型冷却的条件下才出现颗粒状Si相,在砂型和金属型冷却的条件下并未出现颗粒状共晶硅;2.0%V对过共晶铝硅合金中共晶硅相起到了细化的作用,但不能使共晶硅颗粒化。在砂型、金属型、水冷金属型冷却条件下,3.4%Zr对过共晶铝硅合金中α相的影响并不明显;在不同的冷却条件下,3.0%Mn均可促使Al-Si合金中等轴状α相形成,α相得到细化;2.0%V在不同冷却条件下均会增加α相在凝固组织中所占的比例。对于Al-25%Si合金,经1.0%Cr-1.5%Ti复合变质后,砂型、金属型和水冷金属型的凝固组织中初生Si的尺寸减小12.24%-51.65%。凝固过程中初生Si之间形成的含Cr化合物阻止初生Si的聚集,促使初生Si分布的均匀程度增加;含Cr、Ti化合物的数量随冷却速度加快而增多。
【关键词】：过共晶铝硅合金 合金元素 冷却速度 Si相 α相
【学位授予单位】：辽宁工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG111.4;TG146.21
【目录】：
- 摘要5-6
- Abstract6-10
- 1 绪论10-22
- 1.1 过共晶铝硅合金的概述10
- 1.2 过共晶铝硅合金中Si相的细化方法10-16
- 1.2.1 半固态处理10-11
- 1.2.2 熔体热处理与混合处理11
- 1.2.3 外场处理11-13
- 1.2.4 喷射成型与雾化沉积13
- 1.2.5 快速凝固13-14
- 1.2.6 变质处理14-16
- 1.3 初生 α-Al的细化16-19
- 1.4 过共晶铝硅合金存在的问题19-21
- 1.5 选题目的与研究内容21-22
- 1.5.1 选题目的21
- 1.5.2 研究内容21-22
- 2 实验内容与方法22-24
- 2.1 实验目的22
- 2.2 实验内容22
- 2.2.1 单一合金元素及冷却速度对Al-Si合金凝固组织的影响22
- 2.2.2 Cr-Ti复合合金元素对过共晶Al-25%Si合金凝固组织的影响22
- 2.3 实验内容与方法22-24
- 2.3.1 单一合金元素及冷却速度对过共晶铝硅合金凝固组织影响的实验过程22
- 2.3.2 Cr-Ti复合合金元素对过共晶铝硅合金凝固组织影响的实验过程22-24
- 3 合金元素Zr及冷却速度对过共晶铝硅合金凝固组织的影响24-31
- 3.1 Zr对Al-20%Si合金凝固组织的影响24-27
- 3.1.1 Zr对初生硅的影响25-26
- 3.1.2 Zr对共晶硅的影响26
- 3.1.3 Zr对 α-Al相的影响26
- 3.1.4 富Zr相26-27
- 3.2 冷却速度对Al-20%Si合金凝固组织的影响27-28
- 3.2.1 冷却速度对初生硅的影响27
- 3.2.2 冷却速度对共晶硅的影响27
- 3.2.3 冷却速度对 α-Al相的影响27-28
- 3.3 冷却速度对Al-20%Si-3.4%Zr合金凝固组织的影响28
- 3.3.1 冷却速度对初生硅的影响28
- 3.3.2 冷却速度对共晶硅的影响28
- 3.3.3 冷却速度对 α-Al相的影响28
- 3.4 实验结果分析28-30
- 3.4.1 Zr在Al-Si合金中的化学反应过程28-29
- 3.4.2 Zr削弱P变质效果29
- 3.4.3 ZrP难以成为Si相的形核核心29-30
- 3.4.4 Zr使P变质后的Al-20%Si合金得到离异共晶组织30
- 3.5 小结30-31
- 4 合金元素Mn及冷却速度对过共晶铝硅合金凝固组织的影响31-41
- 4.1 Mn对Al-20%Si合金凝固组织的影响31-32
- 4.1.1 Mn对初生硅的影响32
- 4.1.2 Mn对共晶硅的影响32
- 4.1.3 Mn对 α-Al相的影响32
- 4.1.4 组织中的富Mn相32
- 4.2 冷却速度对Al-20%Si-3.0%Mn合金凝固组织的影响32-37
- 4.2.1 冷却速度对初生硅的影响32-34
- 4.2.2 冷却速度对共晶硅的影响34-36
- 4.2.3 冷却速度对 α-Al相的影响36-37
- 4.3 实验结果分析37-40
- 4.3.1 Mn使 α 相固液界面前沿熔体过冷度增大37-38
- 4.3.2 Mn促使Al-Si合金中等轴状 α 相析出过程38-39
- 4.3.3 Mn使Al-Si合金共晶Si等轴化机理39-40
- 4.4 小结40-41
- 5 合金元素V及冷却速度对过共晶铝硅合金凝固组织的影响41-49
- 5.1 V对Al-20%Si合金凝固组织的影响41-44
- 5.1.1 V对初生硅的影响42
- 5.1.2 V对共晶硅的影响42
- 5.1.3 V对 α-Al相的影响42-43
- 5.1.4 组织中的富V相43-44
- 5.2 冷却速度对Al-20%Si-2.0%V合金凝固组织的影响44-47
- 5.2.1 冷却速度对初生硅的影响44-45
- 5.2.2 冷却速度对共晶硅的影响45-47
- 5.2.3 冷却速度对 α-Al相的影响47
- 5.3 实验结果分析47-48
- 5.3.1 初生硅依附富V生长，初生硅长大47
- 5.3.2 共晶硅和 α-Al相细化47-48
- 5.4 小结48-49
- 6 Cr-Ti复合变质及冷却速度对过共晶铝硅合金凝固组织的影响49-55
- 6.1 Cr-Ti对Al-25%Si合金凝固组织的影响50
- 6.2 富Cr、Ti相50
- 6.3 凝固组织中各相的数量50-51
- 6.4 Al-25%合金加Cr-Ti元素后的凝固过程51-52
- 6.5 讨论52-54
- 6.5.1 TiAl3对初生Si具有一定的细化能力52-53
- 6.5.2 TiAl3促使初生Si持续析出53
- 6.5.3 Cr-Ti使初生Si分布均匀的机理分析53-54
- 6.5.4 Cr-Ti改变组织组成物比例机理54
- 6.6 小结54-55
- 7 结论55-56
- 参考文献56-60
- 致谢60-61
- 附录 数据测量结果61-71
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