過(guò)共晶鋁硅合金的鑄造工藝

過(guò)共晶鋁硅合金的鑄造工藝

0過(guò)共晶鋁硅合金的變質(zhì)劑研究3a90過(guò)度普通的硅鐵粉具有密度低、強(qiáng)度高、耐堿、耐腐蝕性差等優(yōu)點(diǎn)。這是理想的用于汽車(chē)、摩托車(chē)等汽車(chē)激活的材料。目前,國(guó)外已將它廣泛用于活塞生產(chǎn)中,但國(guó)內(nèi)中型和輕型汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞大部分仍還采用共晶鋁硅合金。隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展,對(duì)活塞材料性能的要求不斷提高,傳統(tǒng)的共晶鋁硅合金越來(lái)越不能滿(mǎn)足使用要求。與共晶鋁硅合金相比,過(guò)共晶鋁硅合金的導(dǎo)師:肖于德教授流動(dòng)性、耐磨性更好。但是,在常規(guī)的鑄造條件下,未經(jīng)變質(zhì)的過(guò)共晶鋁硅合金組織中存在粗大片狀的初晶硅和長(zhǎng)針狀的共晶硅,嚴(yán)重割裂基體,惡化合金的鑄造性能和力學(xué)性能,尤其是影響其塑性及耐磨性。因此,有必要對(duì)過(guò)共晶鋁硅合金中初晶硅和共晶硅的變質(zhì)細(xì)化開(kāi)展研究。有研究表明,對(duì)過(guò)共晶鋁硅合金進(jìn)行變質(zhì)處理可明顯改善合金中硅相的形貌、大小和分布,獲得良好的力學(xué)性能和耐磨性能。能對(duì)鋁硅合金起變質(zhì)作用的元素有鈉、鍶、銻、鋇、磷、硫、砷等。但由于這些元素本身都具有局限性,就使得用單一的變質(zhì)劑處理始終難以達(dá)到最佳的綜合效果。因此,克服變質(zhì)劑自身存在的缺點(diǎn),尋找復(fù)合變質(zhì)處理的方法成為了鋁合金研究領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。目前較為普遍的是應(yīng)用兩種或兩種以上的變質(zhì)劑對(duì)鋁合金進(jìn)行復(fù)合變質(zhì)處理,但這些變質(zhì)處理的效果仍不理想。為此,作者研究了鋁-鈦-硼、鋁-銻、鋁-鑭和銅-磷二元及三元變質(zhì)處理對(duì)鑄造A390合金組織中的初晶硅及共晶硅形態(tài)的影響,考查了不同變質(zhì)處理對(duì)該合金力學(xué)性能與耐磨性能的影響。1試驗(yàn)方法與材料試驗(yàn)原料為純度99.9%鋁錠、純度99.9%鎂錠、Al-30Si、Al-50Cu和Al-10Mn(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)中間合金。先將原料按Al-18Si-4.5Cu-0.6Mg-0.1Mn成分配制出過(guò)共晶鋁硅母合金熔煉原料并進(jìn)行熔煉。用石墨坩堝在CRL-D型電阻爐內(nèi)于760℃熔化母合金并保溫,加入C2Cl6精煉除氣,變質(zhì)劑細(xì)化劑以Al-10La、Al-10Sb、Cu-13P和Al-5Ti-2B中間合金的形式加入。二元變質(zhì)處理時(shí),母合金熔液靜置5min后,添加Al-10La(以鑭質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的量加入),待熔化后靜置5min,然后依次添加Al-10Sb(以銻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.008%的量加入)和適量Al-5Ti-2B晶粒細(xì)化劑(以鈦和硼總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的量加入);三元變質(zhì)處理時(shí),先將母合金熔液升溫到900~950℃,添加Cu-13P中間合金(以銅和磷總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.67%的量加入),保溫60min,再降溫到760℃后添加Al-10La(以鑭質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的量加入),靜置5min后添加Al-10Sb(以銻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.008%的量加入)和Al-5Ti-2B(以鈦和硼總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的量加入)。待添加完變質(zhì)劑和細(xì)化劑后靜置5min,降溫到720℃,用預(yù)熱至130℃的鐵模澆注成?15mm×115mm圓棒。在鑄態(tài)圓棒上截取?15mm×10mm的試樣,經(jīng)預(yù)磨、粗磨和細(xì)磨后用Cr2O3拋光液及金剛石研磨膏進(jìn)行機(jī)械拋光,再用Keller試劑(體積分?jǐn)?shù)為0.5%濃HF+1.5%濃HCl+2.5%濃HNO3+95.5%H2O)浸蝕,用Polvar-MET型光學(xué)顯微鏡下觀察晶粒尺寸及第二相形貌、尺寸。拉伸試樣按照GB/T6397-1986加工成R16比例試樣,試驗(yàn)在CSS-400型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,拉伸速度為0.2mm·min-1,取6根試樣的平均值。摩擦磨損試驗(yàn)在CETRUMT-3型多功能微摩擦磨損測(cè)試儀上進(jìn)行,上試樣為?9.5mm的鉻鋼球(62HRC),下試樣采用19mm×12mm×12mm試塊,下試樣表面經(jīng)800#金相水砂紙磨光,用精度為0.1mg的ShimdzuAUY220型分析天平測(cè)量其質(zhì)量,計(jì)算磨損質(zhì)量損失,試驗(yàn)在干磨條件下進(jìn)行,頻率為5Hz,載荷為100N,磨損時(shí)間為30min。用KYKY-2500型掃描電鏡(SEM)觀察磨損表面形貌;用QUANTA-200型環(huán)境掃描電鏡(SEM)附帶的能譜儀分析磨屑成分。2試驗(yàn)結(jié)果與討論2.1元變質(zhì)處理對(duì)共晶硅的細(xì)化效果由圖1可見(jiàn),未經(jīng)變質(zhì)處理的A390合金鑄態(tài)組織中初晶硅為粗大不規(guī)則塊狀,呈針狀尺寸大于50μm的共晶硅占50%以上,基體晶粒較大;經(jīng)二元變質(zhì)處理后的,合金組織中初晶硅數(shù)量增多,沒(méi)有出現(xiàn)聚集,硅相棱角發(fā)生了鈍化,表面圓滑,但部分初晶硅仍有尖角突出,尺寸小于30μm;在變質(zhì)處理過(guò)程中,銻對(duì)共晶硅有變質(zhì)效果,能有效地使共晶硅由針狀變成顆粒狀,并使樹(shù)枝狀基體的條桿變細(xì),分布均勻;此外,它易填補(bǔ)生長(zhǎng)中的鋁硅合金晶粒的表面缺陷,阻礙晶粒繼續(xù)長(zhǎng)大,使晶粒細(xì)化。一般將銻與稀土元素按一定的比例混合進(jìn)行變質(zhì)處理可有效細(xì)化合金中的共晶硅,而對(duì)初晶硅的細(xì)化效果不明顯,但從圖1(b)可以看到,初晶硅的形貌和大小也發(fā)生了一定程度的改變,這可能是由于加入了適量的Al-5Ti-2B,細(xì)化了基體,促進(jìn)了變質(zhì)效果;而稀土本身就有非均質(zhì)形核作用,可在固液界面前沿產(chǎn)生成分過(guò)冷而促進(jìn)形核。也有人認(rèn)為稀土降低了鋁熔體表面活化能,提高了鋁熔體在TiAl3和TiB2表面的潤(rùn)濕性,阻礙了TiB2的聚集、沉淀。稀土的變質(zhì)、凈化、化學(xué)活潑性等與Al2Ti2B的細(xì)化作用結(jié)合起來(lái),從而提高了細(xì)化劑的性能。由圖1還可見(jiàn),經(jīng)三元變質(zhì)處理后,合金中初晶硅尺寸進(jìn)一步減小,部分初晶硅發(fā)生球化,分布均勻。共晶硅呈短桿狀,部分呈顆粒狀,基體晶粒明顯細(xì)化。這是因?yàn)樵阡X硅熔體中加入適量磷后,磷與鋁形成高熔點(diǎn)的AlP化合物,這種化合物的晶格常數(shù)與硅相近,可作為硅相的異質(zhì)核心,增加硅相的形核率,對(duì)初晶硅起到細(xì)化作用。磷除了起異質(zhì)核心作用外,還吸附在初晶硅生長(zhǎng)面上,使其產(chǎn)生多重孿晶,其形貌由樹(shù)枝狀變?yōu)榛钤俚筋w粒狀;而過(guò)共晶鋁硅合金中的共晶硅無(wú)需形核,可直接依附于初晶硅生長(zhǎng),所以,磷在細(xì)化初晶硅的同時(shí),也間接地細(xì)化了共晶硅,但對(duì)其形貌的改變作用甚小,只有通過(guò)與其他元素的復(fù)合變質(zhì),才能在細(xì)化共晶硅的同時(shí)改變其形貌。再者,適量Al-5Ti-2B合金的加入影響了鋁硅合金熔體中AlP的分布及聚集狀態(tài),并最終對(duì)初晶硅的大小和分布產(chǎn)生影響。2.2元變質(zhì)處理后的溫室強(qiáng)度變化由表1可知,A390合金經(jīng)過(guò)變質(zhì)處理后,合金抗拉強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率明顯提高;其中經(jīng)二元變質(zhì)處理的室溫抗拉強(qiáng)度較未變質(zhì)處理的提高了15.1%,而經(jīng)過(guò)三元變質(zhì)處理的室溫抗拉強(qiáng)度提高了31%;經(jīng)三元變質(zhì)處理后合金室溫伸長(zhǎng)率較未變質(zhì)處理的提高了150%。2.3未變質(zhì)和二元變質(zhì)處理合金的形態(tài)及磨損機(jī)理由表2可知,A390合金經(jīng)過(guò)變質(zhì)處理后,其摩擦因數(shù)與質(zhì)量損失都有所減小,且經(jīng)過(guò)三元變質(zhì)處理后摩擦因數(shù)明顯比二元變質(zhì)處理的小,質(zhì)量損失也有所下降。由此可見(jiàn),合金經(jīng)二元和三元變質(zhì)處理后均有利于提高其耐磨性能。合金經(jīng)變質(zhì)處理后耐磨性能優(yōu)于未變質(zhì)處理的,這是由于合金中硅相的尺寸和分布對(duì)其耐磨性有很大影響,經(jīng)變質(zhì)處理后合金的初晶硅得到細(xì)化,在相同的磨損應(yīng)力下,雖仍有初晶硅被磨料切入和剝落,但發(fā)生的幾率已大大降低,而那些未被剝落的細(xì)小初晶硅硬質(zhì)點(diǎn)增加了鋁基體的承載能力,使得磨損量降低。另外,基體晶粒細(xì)化使基體的強(qiáng)度、硬度提高,磨料磨損產(chǎn)生的犁溝變淺。由圖2可以看出,未變質(zhì)處理合金的磨損表面有粗大的犁溝痕跡,并伴有大塊金屬剝落;經(jīng)二元變質(zhì)處理合金的犁溝痕跡細(xì)小,沒(méi)有大塊金屬剝落。對(duì)未變質(zhì)處理和經(jīng)二元變質(zhì)處理的合金磨損表面在更高倍電鏡下觀察,可見(jiàn)在犁溝痕跡附近分布有大量的白色顆粒M,分析表明其為富硅的顆粒,判斷是硅相,如圖3(a)所示。經(jīng)三元變質(zhì)處理后合金的磨損犁溝更密更細(xì),磨屑大體上呈不規(guī)則的片狀和粒狀。片狀磨屑的A點(diǎn)主要含鋁和鐵元素,而粒狀磨屑的B點(diǎn)主要含鋁和硅元素,還有少量鎂和銅元素,如圖3(b),(c)所示。由此可知,合金磨損機(jī)理是微觀切削和脆性剝落磨損的共同疊加作用,未變質(zhì)處理的合金以脆性剝落磨損為主,經(jīng)變質(zhì)處理的合金則以微觀切削為主。由于變質(zhì)前后的合金組織是不同尺寸的初晶硅分布在共晶基體上,在磨損時(shí),由于鋁基體比較軟,首先在其表面上產(chǎn)生切削,形成一道道的犁溝磨跡。當(dāng)切削遇上初晶硅顆粒時(shí),由于其棱角形態(tài)與較高的顯微硬度,不易發(fā)生塑性變形,易在磨損應(yīng)力作用下于尖角處形成對(duì)鋁基體的應(yīng)力集中;由于尖角形態(tài)的初晶硅與鋁基體的結(jié)合力較弱,易在磨損應(yīng)力作用下造成初晶硅顆粒發(fā)生斷裂、剝落,進(jìn)而作為硬質(zhì)點(diǎn)在磨面之間滑動(dòng)形成顯微切削,使磨料垂直楔入表面而產(chǎn)生犁溝痕跡,硅顆粒越細(xì)越多,犁溝痕跡就越細(xì)越密。由于經(jīng)三元變質(zhì)處理后初晶硅得到細(xì)化,棱角鈍化,剝落后也較細(xì)小,因此犁溝痕跡必然要細(xì)密些。另外,合金的力學(xué)性能越低,越不易吸收其和磨料相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的沖擊能量,在磨損表面產(chǎn)生壓痕,產(chǎn)生鱗片狀剝落物越多。3變質(zhì)對(duì)3g329合金力學(xué)性能的影響(1)對(duì)A390合金進(jìn)行二元變質(zhì)處理和三元變質(zhì)處理后,合金的鑄態(tài)組織得到細(xì)化、變質(zhì)效果良好