弥散型A1-P系中间合金及其应用的研究

发布时间：2017-07-29 04:17

  本文关键词：弥散型A1-P系中间合金及其应用的研究

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【摘要】：过共晶Al-Si系合金具有比强度高、耐磨性好、热膨胀系数低等优良性能,在耐磨性要求较高的发动机零部件行业具有广泛的应用前景。然而其细化处理过程通常需要较高的熔炼和浇注温度,无法适应压铸低温生产要求。因此,研究过共晶Al-Si合金的低温细化技术,优化其微观组织,对提升产品质量、推广其在压铸行业的广泛应用具有十分重要的意义。本文以Al-P和Al-Fe-P中间合金为研究对象,采用变形和原位合成两种手段,优化AlP颗粒的尺寸分布,使之弥散化并成为初晶Si潜在晶种,提高AlP对初晶Si的异质形核效率,实现低温细化效果。研究了变形对Al-P中间合金中AlP分布形态及其低温细化行为的影响,提出了变形过程AlP/Al界面转变机制；研究分析了Al-Fe-P体系反应热力学条件,建立了其扩散反应动力学模型,表征渐进式反应阶段微观组织及反应产物,并分析了该体系固-固、固-液转变机制；研究了含有纳米尺度AlP晶种的弥散型Al-Fe-P中间合金对A390合金的低温细化工艺,并研究了弥散型Al-P系中间合金在过共晶Al-Si合金挤压铸造及高压铸造(压铸)生产中的中试应用。本工作主要进展成果如下：(1)变形对Al-P中间合金低温细化行为的影响及AlP/Al界面转变机制研究发现,变形可显著降低AlP颗粒的尺寸并改善其分布,实现AlP颗粒的弥散化。变形温度影响AlP/Al界面活性,进而影响其细化行为：室温变形迫使AlP/Al界面破坏转变为自由表面,使AlP颗粒难以被Al-Si熔体有效润湿,降低有效形核粒子的数目；而高温变形通过热量作用驱动AlP/Al界面间原子扩散,发生界面破坏-再生转变,从而提高形核效率。当变形温度为550℃时,可以在730℃、保温30min条件下将初晶Si平均尺寸从137μm细化至21μm,拉伸强度相应提高了9.9%。(2)Al-Fe-P体系中弥散型AlP的生成及演变机制本文系统研究了温度、Fe-P颗粒尺寸、保温时间对Al-Fe-P体系扩散反应速率的影响,分析了Al-Fe-P体系反应热力学条件,建立了其扩散反应动力学模型。控制Al-Fe-P体系的反应参数,可以依次获得FexP物相的微观组织从“蛋黄”结构、“海绵状”结构至“芝麻饼”结构的转变。当制备温度为铝液相线以下时,Al原子向Fe-P颗粒单向扩散,推动Al/Fe-P界面向Fe-P颗粒中心移动,促使(Al, Fe, P)过渡相中Al含量逐渐增加,弥散型AlP逐渐析出长大,同时伴随着AlxFey从Al/Fe原子比低的物相向原子比高的物相渐进式转变,直到获得最终产物AlP和Al13Fe4。而在液-固反应阶段,反应机制为熔体激活Al、Fe原子进行双向扩散反应；Al与FexP在界面处反应生成AlP和Al13Fe4物相,但同时伴随着Al13Fe4在界面进行动态溶解-析出的低共熔反应,导致AlP颗粒在熔体中得以扩散均匀,而Fe原子受到界面处化合物Al13Fe4的阻碍则富集形成环状骨架。(3)弥散型Al-(Fe)-P中间合金的低温细化行为及工业应用控制反应参数,制备一种含有纳米尺度AlP颗粒的弥散型Al-Fe-P中间合金。研究了该中间合金对A390合金的低温细化工艺,发现最佳工艺为采用550℃制备的中间合金、保温时间30min、细化剂加入量为280ppm条件下,可在细化温度为720℃时将初晶Si平均尺寸由1471μm细化至25μm。将变形Al-P中间合金及新型Al-Fe-P中间合金应用于挤压铸造A390合金的工业生产中,发现对A390合金的初晶Si起到了良好的细化作用,并对共晶Si起到了良好的变质作用,合金的硬度和耐磨性均有良好的改善。添加变形Al-P中间合金可将初晶Si平均尺寸细化至20μm以下,耐磨性提高了16.9%；经过弥散型Al-Fe-P中间合金细化后初晶Si细化至23μm,耐磨性提高了12%。将Al-Fe-P合金应用于压铸ADC14合金中的中试试验,获得了初晶Si平均尺寸为5μm左右的弥散组织,且硬度显著提高。
【关键词】：过共晶Al-Si合金 Al-P中间合金 AlP 异质形核 液固反应
【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
【目录】：

• 摘要11-13
• ABSTRACT13-16
• 本文的创新点与主要贡献16-17
• 第一章 绪论17-33
• 1.1 铝合金在压铸行业的应用现状17-22
• 1.1.1 引言17-19
• 1.1.2 Al-Si合金在压铸生产中的应用19-20
• 1.1.3 压力铸造条件下过共晶Al-Si合金的凝固组织特点20-22
• 1.2 过共晶Al-Si合金细化处理的研究现状22-26
• 1.2.1 过共晶Al-Si合金的细化处理23-24
• 1.2.2 AlP颗粒在Al-Si熔体中的溶解与形核行为分析24-25
• 1.2.3 提高AlP颗粒对初晶Si细化效率的方法25-26
• 1.3 适应于压铸生产的低温细化处理技术26-29
• 1.3.1 过共晶Al-Si合金的压铸生产工艺26-28
• 1.3.2 低温细化处理对Al-P系中间合金带来的要求及挑战28-29
• 1.4 本文选题意义及研究内容29-30
• 参考文献30-33
• 第二章 试验材料及研究方法33-37
• 2.1 引言33
• 2.2 研究思路及技术路线33-34
• 2.3 试验材料及试验方法34-35
• 2.3.1 试验材料及制备方法34
• 2.3.2 试验设备及辅助工具34-35
• 2.3.3 试样的制备35
• 2.4 试样的组织结构表征及性能测试35-37
• 2.4.1 组织结构的显微分析35-36
• 2.4.2 性能测试36-37
• 第三章 变形对Al-P合金中AlP分布形态及低温细化行为的影响37-49
• 3.1 引言37
• 3.2 Al-3.5P合金变形后AlP分布形态分析37-40
• 3.3 变形对Al-3.5P中间合金的低温细化行为的影响40-43
• 3.4 变形过程中AlP/Al界面转变机制43-46
• 3.5 本章小结46-47
• 参考文献47-49
• 第四章 Al-Fe-P体系中弥散型AlP原位合成及控制49-71
• 4.1 引言49
• 4.2 Al-Fe-P合金制备及Al/Fe-P界面的扩散反应49-58
• 4.2.1 Al-Fe-P体系反应热力学分析50-51
• 4.2.2 制备温度对Al-Fe-P合金微观组织的影响51-54
• 4.2.3 Fe-P颗粒尺寸对Al-Fe-P合金反应进程的影响54-55
• 4.2.4 保温时间对Al-Fe-P合金反应进程的影响55-56
• 4.2.5 Al-Fe_xP反应的动力学分析56-58
• 4.3 Al-Fe-P体系中AlP颗粒的原位合成及演变机制58-66
• 4.4 Al-Fe-P体系的液固反应机制及模型建立66-69
• 4.5 本章小结69-70
• 参考文献70-71
• 第五章 弥散型Al-(Fe)-P中间合金的低温细化行为与工业应用71-85
• 5.1 引言71
• 5.2 弥散型Al-Fe-P合金对A390合金的低温细化行为研究71-76
• 5.2.1 正交试验参数设计71-72
• 5.2.2 最优化工艺分析72-75
• 5.2.3 细化机制分析75-76
• 5.3 Al-(Fe)-P中间合金在挤压铸造生产中的应用76-80
• 5.3.1 Al-(Fe)-P中间合金对挤压铸造条件下A390合金的细化行为76-78
• 5.3.2 Al-(Fe)-P中间合金对挤压铸造条件下A390合金的性能影响78-80
• 5.4 Al-Fe-P中间合金在压力铸造生产中的应用80-84
• 5.5 本章小结84
• 参考文献84-85
• 第六章 结论85-87
• 致谢87-89
• 附录89-90
• 附录(Ⅰ)：攻读硕士学位期间发表论文89
• 附录(Ⅱ)：攻读硕士学位期间参加的学术会议89
• 附录(Ⅲ)：攻读硕士学位期间获得奖励89-90
• 附件90

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