Al-10Si-2Cu合金共晶团的细化及其对热裂敏感性的影响

发布时间：2017-12-03 18:34

  本文关键词：Al-10Si-2Cu合金共晶团的细化及其对热裂敏感性的影响

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【摘要】：含铜铝合金由于比强度高、耐腐蚀性好、加工性能优良,在工业中的应用愈加广泛,尤其在汽车工业中的应用较为突出,其中铸造A1-Si-Cu系合金已成为汽车缸体、缸盖的重要合金材料。然而,生产实践中发现铜元素虽能大大强化铝合金基体,却也能严重降低铸造合金的抗热裂性能,导致废品率上升,大量理论研究也进一步证明铜元素增加了合金的凝固温度范围,是一种“致裂”元素。针对铸造铝合金容易产生热裂缺陷的现象,大量研究提出热裂形成机理,探究热裂的解决方法。细化被认为是缓解合金热裂性能的重要方法之一,尤其是初生a-A1的细化能推迟枝晶搭接,提高液相补缩能力,有效缓解热裂的发生。随着对热裂的进一步研究,不少学者逐渐认识到共晶反应通常发生在凝固末期,处于热裂发展阶段,因而共晶组织与热裂的发生紧密相关。显然,对于近Al-Si共晶成分(12.5wt.%Si)的铝合金来说,Al-Si共晶组织不仅在凝固末期产生,在凝固组织中的占比也远高于其他合金组织,使得热裂发生的整个“脆裂”区域低于初生Al的凝固温度范围,因而与初生A1相比,共晶团组织对解决近共晶成分铝合金的热裂缺陷更加重要。但是,共晶团的表征及凝固过程组织观测困难等原因,目前有关共晶组织的深入研究相对较少。鉴于Al-Si-Cu系铸造合金易产生热裂缺陷,应用受到限制,同时为了方便共晶团的获取,本文选取含Si量较高的Al-10 wt.% Si-2 wt.% Cu三元合金为实验合金,采用1wt.%新型中间合金(Al-10 wt.% Si-2 wt.% Fe)孕育剂细化实验合金的共晶组织,通过对比探究以共晶团细化为主导作用的热裂敏感性降低机制,最终达到减少Al-Si-Cu系合金热裂缺陷的目的。实验中选取的对比试样分别为Al-10Si-2Cu的空白合金、Sr变质处理合金、Sr变质后进行新型孕育剂处理合金,采用平板扫描仪、金相显微镜获取共晶团形貌,利用热分析方法表征合金的凝固行为,扫描电子显微镜(SEM)表征Al2Cu、β-Al5FeSi相等微观组织,借助金属型约束铸模(CRC)定性评价不同共晶团尺寸下合金的热裂程度。实验结果表明Sr变质+新型孕育剂处理合金共晶团尺寸减小至Sr变质的1/4,同时合金铸态下的宏观孔隙密度和尺寸均减小。凝固冷却曲线显示共晶平台也有所提升,进一步说明孕育处理能促进共晶形核。将Sr变质处理和变质后孕育处理合金的CRC热裂敏感性指数(HTS)对比,Al-10Si-2Cu合金的热裂敏感性随着共晶团的细化而有效缓解。考虑到金属间化合物也是重要的“致裂”因素,进一步观测发现Al2Cu孕育前后尺寸基本不变,β-Al5FeSi相随共晶团的细化有所减小,也有利于减轻热裂。另外,热学曲线还显示Al-Fe-Si中间合金在含Cu合金中的孕育效能随保温时间延长逐步丧失,结合SEM表征分析,孕育效果的衰退很可能是由于Al2Cu相倾向于“争夺”富Fe相,使得促进Si相形核的(AlFeSi)团簇减少所致。合金铸态下抗拉强度得到改善,说明含Fe元素中间合金的孕育并未带来力学性能的恶化。综合以上表征结果,本文从以下两个方面建立了共晶细化改善近Al-Si共晶成分Al-Si-Cu合金热裂的作用机理：1.液相补缩机制。Al2Cu、β-Al5FeSi金属间化合物由于易堵塞晶间流动通道,严重降低糊状区的渗透性,导致合金背底气孔偏多。共晶团尺寸减小能推迟晶间搭接,抑制气孔形核,是提高液相补缩能力的主要原因,同时β-Al5FeSi相的尺寸相应减小也有益于改善热裂。2.凝固后期金属塑性变形机制。应力作用下,细小的半固态共晶团在更多液膜的辅助下更容易滑移,且受初生α-Al枝晶的阻碍少,移动灵活,能更好地释放局部应力。当合金固相率偏高,液相通道完全分隔成分散的液相池,液相补缩及塑性变形困难,单位体积增多的液膜有利于应力集中的分散。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG146.21

【参考文献】

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1 李庆春;周彼德;曾松岩;;铸造Al-Cu合金在固液态的力学性能[J];金属科学与工艺;1983年01期

2 魏晓伟,曾明;稀土对铸造铝铜合金流动性和热裂倾向性的影响[J];铸造技术;1997年03期

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本文编号：1249665