Bi和Sc对过共晶AlSi合金微观组织与力学性能的影响

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1、 |INi l[II II II I r II I I I III Y1 885299 Effect of Bi and Se on Microstructure and Mechanical Properties of Hype卜eutectic A1—1 8％Si Alloy by GUO Jing B．E．(YanTai University)2008 A thesis submitted in partial satisfaction of the Requirements for the degree of Master of Engineering

2、 Material Science in the Graduate S chool of Lanzhou University of Technology Supervisor Professor Lan Yefeng May,2011 . " 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡

3、献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者龇奄P 日期心lJ年6月7．El 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到《中 国学位论文全文数据库》，并通过网络向社会公众提供信息服务。 瓣》罱导师签名： 汤倍印 日

4、期：洳1年1月7 Et 日期：洲f年6月孑．E1 硕士学位论文 目 录 目 录 ．．I 摘ji9巨 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． ．．．．．．．．． ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．I Abstract．．．．．．．． ．．．．．．．．． ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

5、．．．．．．．．．．．．． ．．．．．III 插图索引 ．．V 附表索引 VI 第l章绪论 ．．1 1．1 A1．Si合金组织与性能的特点 ．1 1．2 A1．Si合金的强化途径研究现状 ．2 1．2．1变质处理 3 1．2．2热处理 8 ． 1．2．3形变处理 ．9 1．3 A1．Si合金细化变质机理研究现状 9 1．3．1异质形核理论 ．10

6、 1．3．2晶体生长过程影响理论 ．10 1．3．3综合变质机理 ．．12 1．4合金化 ．．13 1．4．1 Bi合金化过共晶A1．Si合金的发展 ．13 1．4．2 Sc合金化过共晶A1．Si合金的发展 15 1．5课题的研究意义和目的 17 1．5．1研究意义 ．17 1．5．2研究目的 。18 第2章试验材料及方法 19 2．1试验方案设计 ．．19 2．2试验合金成份设计 20 2．3试验材料及方法 一21 2．3．1试验材料 ．．21 2．3．2试验方法 ．．22 2．4金相组织观察及成分分析 ．．22 2．4．1金相组织观察 22 2

7、．4．2合金组织成分分析 ．22 2．5机械性能测试 ．．22 Bi和Sc对过共品AI一1 8％Si合金微观组织与力学性能的影响 2．5．1拉伸试验 一22 2．5．2摩擦试验 23 2．6断口分析 ．25 第3章Bi对过共晶A1．18％Si合金组织与性能的影响 一26 3．1引言 ．26 3．2 Bi对Al-Si合金铸态组织的影响 27 3．2．1 Bi的存在与分布研究 28 3．2．2铸态组织的变化 3l 3．3 Bi对Al—Si合金性能的影响 ．33 3．3．1拉伸试验 ．33 3．3．2摩擦试验 34 3．4本章小结 36 第4章

8、Sc对过共晶A1．18％Si合金组织与性能的影响 37 4．1引言 ．37 4．2 Sc对Al—Si合金铸态组织的影响 38 4．2．1析出相A13Sc的研究 ．．38 4．2．2 Sc的存在与分布研究 ．40 4．2．3铸态组织的变化 ．42 4．3 Sc对A1．Si合金性能的影响 43 4．3．1拉伸试验 ．43 4．4本章小结 ．．45 第5章Bi和Sc合金化过共晶Al一18％Si合金 ．46 5．1引言 ．．46 5．2 Bi和Sc综合影响A1．Si合金铸态组织的分析及讨论 46 5．3 Bi和Sc综合影响A1．Si合金性能的分析及讨论 48 5．3．1

9、拉伸试验 ．48 5．3．2断口分析 ．49 5．4本章小结 50 结 论 ．．5 1 参考文献 ．53 致 谢 ．．59 附录A攻读学位期间所发表的学术论文目录 一60 H 硕+学位论文 摘 要 铸造铝硅合金具有低密度、低膨胀系数、高耐磨性、高抗腐蚀性、优良的铸 造性能等优点，因此，在航空、航海、汽车等领域的使用日益广泛。但在常规铸 造A1．Si合金组织中，存在粗大的形状复杂的初晶硅，针片状的共晶硅和粗大的Q．A1 枝晶，恶化了合金的综合性能。因此改善合金组织是铝硅合金获得广泛应用的前 提。 合金化

10、作为一种有效的合金强化手段有着广阔的研究领域和应用前景。Bi和 Sc都能对合金组织起到有效变质及细化的作用，是合金化的理想元素。本文主要 研究过共晶A1．18％Si合金中添加合金化元素(Bi和Sc)后对其微观组织与力学性 能的影响，确定最佳的元素合金化含量。另外，由于二者对组织作用机理不同， 为了达到复合变质的效果，在单一元素最佳合金化含量的前提下，制各了 A1．18％Si．3％Bi一0．5％Se合金，对其组织及性能进行综合实验分析。本文通过单一 元素的合金化及Bi和Sc共同作用A1．18％Si合金，得出如下结论： (1)在过共晶A1．18％Si合金中添加合金化元素Bi，凝固组织中Bi最终以

11、单质 纯Bi相独立存在于基体中。大部分弥散分布，少量出现偏聚。Bi通过影响共晶硅 的生长方式进而对共晶硅具有一定的变质作用，随着合金化元素Bi力l：l入量的增加， 共晶硅组织发生了由粗大针片状j短杆状哼类似蠕点状的转变，并且均匀分布于 基体，减少了对基体的割裂作用，使合金的抗拉强度由168MPa提高到了1 89MPa， 抗拉强度提高了12．5％。由于Bi自身所具有自润滑特性，使合金的耐磨性能提高， 摩擦系数由0．4372降至0．3879，磨损量仅为不含Bi的20％。Bi合金化过共晶A1．18％Si 合金，最佳合金化含量为3％，共晶硅组织细化效果最好，综合力学性能最佳。 (2)在过共晶A

12、1．18％Si合金中添加合金化元素Sc，发生共品反应，液相凝固 时析出高熔点相A13Sc金属问化合物，先形成的A13Sc相与Al晶体结构相似，晶格常 数相当，在凝固过程中可作为a—AI异质形核的质点，细化a．A1枝晶，起到细晶强化 作用。随着合金化元素Sc加入量的增加，枝晶状的a．AI发生了由粗大枝晶组织一球 块状0无枝晶组织，使合金的抗拉强度由1 68MPa提高到了185MPa，抗拉强度提 高了10．1％，延伸率提高了114．3％。Sc合金化过共晶Al一18％Si合金，最佳合金化含 量为0．5％，a．AI枝晶细化效果最好，综合力学性能最佳。 (3)在过共晶A1．18％Si合金中同时添加

13、两种合金化元素Bi和Sc，由于Bi和Sc 分别变质、细化共晶硅和Q—A1枝晶，故复合变质可以达到有效叠加变质互补的效 果。根据单一元素最佳合金化含量的前提下，制备AI．1 8％Si．3％Bi一0．5％Sc合金， 其对组织的细化及力学性能的提高比任何一种单一元素的添加都要好。Bi、Sc合 金化AI．18％Si合金后，合金组织细小致密，粗大的仅一A1枝晶消失，共晶硅变细变 Bi和Sc对过共晶AI一1 8％Si合金微观组织与力学性能的影响 短，抗拉强度由Al-1 8％Si合金的1 68MPa提高到最大值197MPa，合金强度提高了 17．3％，延伸率由O．7提高到了

14、1．8，提高了157．1％。 关键词：过共晶Al-18％Si合金；元素Bi、Se；合金化；微观组织；力学性能 Ⅱ 硕士学位论文 Abstract Casting A1一Si alloy have low density,low expansion coefficient，high wear

15、 resistance，high corrosion resistance，excellent casting performance，etc．，therefore，it has been increasingly widespread used in aviation，marine，auto and other fields．But in conventional casting A1·Si alloy,there are bulky complex shape of primary silicon，the needle flake of eutectic silicon and bulky

16、 branched a-AI，worsening the comprehensive performance of the alloy．Therefore，improving alloy organization is the premise of being widely applied A1一Si alloys． Alloying as an effective alloy reinforcement method has broad field of research and application prospect．This thesis mainly studies hyper—

17、eutectic AI-1 8％Si alloy alloying．Because Bi and Sc all have a certain modification effect on AI-1 8％Si alloy， they are the ideal elements of alloying．So this paper research：by adding alloying elements Bi and Sc to melting hypereutectic A1-Si alloy，research the effect of the different element conten

18、t on microstructure and mechanical properties of hyper··eutectic A1··1 8％Si alloy and finally make sure the optimum content of alloying element．In addition，because of both modified organization and mechanism of each are different，they can achieve the effect of compound modification．Under the premise

19、 of each element in the content of the single best alloying，we prepared A1—1 8％Si一3％Bi-0．5％Sc．The main conclusions have the following points： (1)Adding alloying elements of Bi to the hyper—eutectic A1—1 8％Si，most of Bi uniformly disperse in the A1-1 8％Si alloy matrix，but a little Bi partly

20、gather．And Bi has a certain modification effect on eutectic Si：with the increasing of Bi content， eutectic silicon organizations transformed from bulky needle flake--}short rods专similar to creep uniformly distributing．In addition，the experiment of mechanical properties and friction present

21、ed：the tensile strength increased from 168MPa to 1 89MPa，tensile strength increased 12．5％；the friction coefficient decreased from 0．43 72 to O．3 879，and the abrasionlosee of alloy is only 20％of without Bi． (2)Adding alloying elements of Sc to the hyper-eutectic AI一1 8％Si，Sc and AI happen eutecti

22、c reaction and liquid solidification generate high melting point phase A13Sc．A13Sc and AI crystal structure similar，crystal lattice constant appropriate，can be used 11-AI heterogeneous nucleation of particles，refining a—AI．With the increasing of Sc content，a-AI organizations transformed from bulky

23、 branches--}massive—》no III Bi和Sc对过共晶AI．1 8％Si合金微观组织与力学性能的影响 branch organizations．The tensile strength increased from 1 68MPa to 1 85MPa，tensile strength improved 1 0．1％and elongation increased 1 1 4．3％． (3)Adding two alloying elements Bi and Sc to hyper-eutectic AI-1 8％Si all

24、oy． Because of Bi and Sc respectively modified eutectic silicon and a—AI and modified organization and mechanism of each are different，then composite modification Can achieve complementary effect．Under the premise of each element in the content of the single best alloying，we prepared AI-1 8％Si一3％Bi

25、-0．5％Sc，the organization and mechanical performance improvement iS better than any single element．Bi and Sc alloying A1．1 8％Si alloy，organization becomed tiny dense，bulky branchs a—AI disappearanced and eutectie Si becomed thinner and shorter．The tensile strength increased from 1 68MPa to maximum

26、1 97MPa，tensile strength increased 1 7．3％， elongation increased from 0．7 to 1．8，improved 157．1％． Key Words：Hyper--eutectic AI·-1 8％Si alloy；Elements of Bi and Sc；Alloying； Microstructure； Mechanical properties

27、 IV 硕士学位论文 插图索引 图1．1 Al—Si合金相图 ．．1 图2．1研究技术路线 ．19 图2．2标准拉伸试样 ．23 图2．3摩擦试样与对磨件示意图 ．24 图3．1

28、 Al—Bi合金二元相图 26 图3．2合金铸态显微组织 ．．28 图3．3 Al—18％Si一5％Bi合金的X射线衍射图谱 ．29 图3．4 A1．1 8％Si．5％Bi合金EPMA分析 29 图3．5扫描电镜能谱分析 ．．3l 图3．

29、6不同Bi含量的微观组织图(MEF3金相组织) ～32 图3．7 A1．1 8％Si．3％Bi合金不同放大倍数的SEM图片 33 图3．8 Bi含量对A1．18％Si合金抗拉强度的影响 ．34 图3．9 Bi含量对过共晶AI．18％Si合金摩擦系数与磨损量的影响 ．35 图4．1 A1．Sc二元平衡相图 37 图4．2 A1．Sc二元状态图富铝角

30、 ．．38 图4-3 A1．18％Si一0．5％Se合金的X射线衍射图谱 ．41 图4．4 A1．1 8％Si．0．5％Se合金EPMA分析 ．41 图4．5不同Sc含量的微观组织图(MEF3金相组织) 42 图4．6 Sc含量对Al一18％Si合金抗拉强度和延伸率的影响 ．．44 图5．1 A1．18％Si．3％Bi．0．5％Se合金的X射线衍射图谱 46 图5．2 A

31、I．18％Si．3％Bi．0．5％Se合金EPMA分析 一47 图5．3不同倍数下A1．18％Si合金与AISiBiSe合金的微观组织图 ．48 图5．4不同合金系抗拉强度和延伸率对比 49 图5．5断口形貌分析 ．50 V Bi和Sc对过共品A1．1 8％Si合金微观组织与力学性能的影响 附表索引 表1．1自润滑高耐磨铝硅合金的成分 一14 表1．2 Sc对焊接接头力学性能的影响 15

32、 表1．3添加Sc、Zr前后的铝合金抗拉强度和屈服强度 ．16 表2．1合金化学成分表 ．20 表3．1铸态下不同Bi含量合金的抗拉强度 ．34 表3．2不同Bi含量的合金试样的平均摩擦系数和磨损量 ．．35 表4．1析出相A13Se(L12结构)的生成焓和生成熵 ．．39 表4．2铸态下不同Sc含量合金的抗拉强度和延伸率 ．44 表5．1铸态下不同合金系的抗拉强度和延伸率对比 49 VI

33、 硕十学位论文 第1章绪论 铝在地壳中有丰富的储量，是工业上应用最广的有色金属。我国也有极其丰 富的铝矿资源。铝不仅资源丰富，而且还具有一系列优良可贵的特性。铝具有面 心立方晶格，密度小、溶点低、强度低、塑性高。铝合金具有很高的比强度(嘞伽)， 是重要的航空航天结构材料。经过冷变形和热处理可以显著提高纯铝及其合金的 强度。因此，铝在生产工业上和民用工业上都得到广泛的应用¨l。 1．1 A1．Si合金组织与性能的特点 A1．Si合金是铝基铸造合金中最重要的一个系列，占铝铸件产量的85．90％，主 要原因是它具有低密度、高强度、焊接、铸造、耐

34、磨、耐热性能好等优点，因而 被广泛地应用于航空、航天、汽车以及民用工业等领域。尤其在航空航天工业中 占有着十分重要的地位，是航空工业主要结构材料之一【引。但是这并不能满足材料 发展的需求，随着科学技术的发展，对材料性能提出了更高的要求，除要求材料 具有一些特殊的性能外，还要求具有良好的综合性能。近些年来，优化合金成分 设计、采用新的制胚方法、提高纯度、发展新的热处理制度、超细化合金的组织 结构、精确调控合金中强化相的最佳三维分布，成为发展高性能铝合金的重要方 向13-4]。 月}子髑 ，， —J—_ 一 ；是体 ／ ．／ ＼ ．／ ．／ 1270K 98，8％ ．／ 波协啼S

35、 液体◆J U ／ 鬟彳． i- ★上夕 —多9．5％ 850K ；＼、 、 心省 5％ 酗+爱 I I ‘ 质量髑 图1．1 A1．Si合金相图 Fig．1．1 The phase diagram of Al-Si alloy Si是铝合金中第一个使用的合金化元素，也是用量最多的合金化元素，这是 Bi和Sc对过共晶A1-1 8％Si合金微观组织与力学性能的影响 因为A1．Si系构成典型的二元共晶相图(图1．1)，含12．5％Si的共晶合金的熔点为 577"(2，属铝合金中最低熔点者之一，有很好的流动性，可以铸造形状复杂的零部

36、 件。在现行的铝合金成分表中，仍将硅列为第一个合金化元素。 A1．Si合金具有优良的铸造性能，经过变质和热处理之后，具有良好的力学性 能、物理性能、耐腐蚀性能和中等的机加工性能，是铸造铝合金中品种最多，用 途最广的一类合金。随着现代工业及铸造新技术的发展，对A1．Si合金的需求量越 来越大【51。 目前，国内PI'AI．Si系合金牌号众多，成分遍及亚共晶，共晶和过共晶。铸造 A1．Si合金按照Si含量的不同分为亚共晶铝硅合金、共晶铝硅合金和过共晶铝硅合 金，其对应的含量和最终的凝固组织如下： 亚共晶铝硅合金：含硅量在2％．12．5％的铝硅合金；组织是由韧性的初晶q．AI 固溶体及细小共晶

37、体相所构成，具有良好的耐磨性及一定的强度、韧性和良好的 抗热烈性。亚共晶铝硅合金作为一种好的铸造合金被工程上广泛应用。 共晶铝硅合金：含硅量在共晶点的铝硅合金；由于共晶铝硅合金的硅含量在 共晶点，组织基本上都是a．AI+共晶硅相组成。共晶铝硅合金具有良好的充型能力、 抗热烈性，也可以退火和淬火所以共晶铝硅合金是一种良好的铸造合金。 过共晶铝硅合金：含硅量在12．5％．26％的铝硅合金；组织为伍．AI，粗大针状共 晶硅以及形状复杂的块状初晶硅。过共晶A1．Si合金由于Si元素含量较高，与亚共 晶、共晶铝硅合金相比，过共晶铝硅合金拥有更小的密度和更低的热膨胀系数， 也更耐磨和耐蚀。因而被广泛用

38、于承受中等载荷的结构零件和形状复杂的零件， 例如，多用于制造内燃机活塞，可显著提高内燃机的功率和速度，这正顺应了目 前内燃机向高功率、高速度发展的趋势，也更节省燃料，降低污染，因此，过共 晶铝硅合金正成为传统共晶铝硅活塞材料的更新换代材料。过共晶铝硅合金的成 分，按Si的含量高低可分为三种，即低硅16．18％、中硅19—23％、高硅24．26％。低 硅成分的含硅量低，熔铸性能好；高硅成分的含硅量高，熔铸性能及加工性能差， 同时也具备着低硅材料所不具备的优越性能。 1．2 AI—Si合金的强化途径研究现状 金属材料的性能取决于它的组织结构。同一种材料经过不同的生产工艺可以 得到

39、不同的组织结构，从而获得不同的机械性能。因此，要想正确选择材料成分 及生产工艺来制造零件，并期望利用最低生产成本满足零件各种性能要求，就必 须掌握材料成分．工艺一组织．性能之间的关系及其变化规律。而不断提高金属材料 的强度、韧性、耐蚀性、耐热性是现代生产技术发展的要求，也是我们金属材料 工作者的职责【6】。对A1．Si合金而言，提高它的性能主要有以下几种方法： 2 硕士学位论文 1．2．1变质处理 铝硅合金必须经过适当的方法处理，使其组织形态改善，性能提高，才能在 工业上得到实际应用，变质处理是改善合金组织的有效途径。Al—Si合金的变质，

40、包括a．A1枝晶、共晶硅和初晶硅三部分的变质。铝硅合金中的硅元素，除了少量 固溶在铝中外，主要以初晶硅和共晶硅相形式存在。脆性的硅相的形态分布及尺 寸大小，直接影响着合金的综合性能，使用它的关键是必须对其进行良好的变质 处理，细化粗大的初晶硅和割裂基体的共晶硅，改善其形态分布，这样才能在工 业上得到应用。虽然通过激冷、高压下结晶等方法也能使这三部分组织细化，但 生产上通常是采用加入变质剂或变质元素的方法来实现的【7-8】。目前，用来研究处 理过共晶铝硅合金的变质元素主要包括磷、硫、碳、砷、钠、锶、锑、碲、钡、 钙、铋、钕、铍、铼(稀土)等【9】。对初晶硅有变质效果的元素主要集中在P变质 剂上。

41、对共晶硅相有变质效果的元素有：钠、锶、硫、镧、铈、锑、钡等，目前 研究的重点在钠，锶，稀土等几种变质剂上。硫、铼等则可以同时变质细化初晶 硅和共晶硅。下面综述了目前国内外常用的一些变质元素及变质剂： 1．2．1．1单效变质元素 l、钠 钠是最早且最有效的共晶硅变质元素，加入方式有金属钠，钠盐和碳酸钠三 种。钠的变质效果好，可以有效的细化共晶硅。但是缺点也很明显，那就是变质 效果维持时间短，是一种非长效的变质剂。钠盐变质剂的有效时间只有30．60分钟， 超过此时间，变质效果自行消失，温度越高，失效也越快。因此要得到理想的钠 变质效果，精确地控制钠变质过程是一个比较困难的事情。而且，表面活

42、性钠元 素破坏了铝液表面氧化膜的致密性，而使铝液氧化吸气倾向加重，恶化了铝液的 冶金质量。目前在不少场合，钠正逐渐被一些长效变质剂所取代【lo‘111。 2、锶 锶是一种长效变质剂，变质效果与钠相当，且不存在钠变质效果短的缺点。 目前对于锶变质，国内外做了不少研究1121，我国使用锶代替钠变质的趋势也日益 增强。锶为碱土金属元素，化学性质活泼。在生产中，大多数以Al—Sr中间合金或 A1．Sr．X三元合金的形式加入到铝液中【13】。锶以A1．Sr中间合金形式加入到铝液中， 应在炉料熔化、精炼以后加入。用锶变质时，锶的加入量为0．02—0．06％。锶的变质 有效时间为6．7个小时，但重熔

43、时，不宜用氯盐精炼，最好通氩气或氨气精炼。当 熔炼超过6．7d,时后，必须另外加入Al—Sr中间合金进行变质。锶变质的优点在于： 变质效果好，有效时间长；变质操作时，无烟，无毒，无污染环境，不腐蚀设备， 对人体无害；易获得满意的力学性能；回炉料有一定的重熔变质效果；铸件成品 率高，经济效益好。不过锶变质也有缺点：变质后合金易产生缩孔缩松，并增加 铸件的针孔度，降低合金的致密性，出现力学性能衰退的现象【14J 51。另外在偏晶 3 Bi和Sc对过共晶AI．1 8％Si合金微观组织与力学性能的影响 合金的制备研究专利中【16】提到锶与铋会发生反应，故在本课

44、题研究的含Bi铝合金 的变质中，锶变质剂不予以采用。 3、锑 锑的密度为6．679／cm3，比铝大2．5倍，直接把锑加入铝液中，会产生比重偏析， 不易控制变质成分，故必须以A1．Sb中间合金的形式加入到熔体中，在精炼后加入， 也可和炉料一起加入。锑的熔点(630"(2)虽低，但不能采用锑液和铝液混合方法 熔制A1．Sb中间合金。首先锑的沸点低为1440"C，蒸汽压大，700"C时已经大量蒸 发。其次，锑液加入到铝液中会生成难熔化合物A1Sb，沉入坩埚底部冻结。当亚 共晶和共晶成分的A1．Si合金，加入O．1．0．5％的锑时，在较高的冷却速度下，能获 得变质良好的铸件。锑可使共晶硅由针片

45、状变为层片状。为获得层片状共晶硅， 其最佳的加入量通常为0．15％．0．2％，加锑变质的一个突出优点就是变质时间长， 一般100个小时后仍保持变质效果，因而称之为长效变质剂。锑的熔点低，所以容 易控制锑的含量，不易造成变质不足和过变质现象，也不增加铝液的吸气和氧化 夹杂倾向，但锑变质受冷却速度的影响较大，当铸造厚壁件或砂型铸件时，对含 硅量较高的过共晶铝硅合金的变质效果不明显，往往需要通过热处理，才能显示 出其变质效果，所以在应用上受到一定限制117J。 4、碲 碲变质作用和锑变质基本相似，也是一种长效变质剂，其变质效果可维持达8 个小时，重熔3次仍具有变质作用。同样的，它的变质效果受

46、冷却速度的影响也很 大。但由于其成本更高，因而，远没有锑变质应用的广泛。 5、钡 钡对共晶硅具有良好的变质效果。钡与钠、锶相比，钡的变质效果维持时间 长，加入量范围宽，加入0．017％一0．2％，都能获得良好的变质组织。Ba长效变质可 达9个小时，重熔5次后组织和性能仍然基本不变。另外文献【18】研究了钡对亚共晶、 共晶、过共晶A1一Si合金的组织和性能的影响。结果表明：加入Ba变质后，合金的 抗拉强度明显提高，连续重熔变质效果仍能保持，其变质效果较好。采用Ba变质 的不足之处是钡受冷却速度的影响，对铸件的壁厚敏感性大，对厚壁铸件的变质 效果较差，为了获得良好的变质效果，必须快冷。同时，钡

47、对氯化物敏感，一般 不用氯气或氯盐进行精炼。 6、稀土 稀土元素在化学周期表中属于第--N族元素，包括La、Ce等17个元素，最外 层电子组态基本相似，均为4f0．145d0．16s2结构，它们的原子电子层中，有～层没 有排满电子的4f内层。因此，在化学反应中表现出典型的金属性，具有很高的化 学活性，易失去三个电子，呈现+3价【19】。稀土(RE)元素具有独特的物理和化学 特性，在铝合金中添加稀土元素可起到变质、净化、合金化作用，改变金属的宏 4 硕士学位论文 观和微观组织，提高再结晶温度，提高金属硬度，减少铸件中的气孔和合金的热 裂倾向，从而有效

48、的提高合金的综合机械性能。 近年来，国内外对RE元素变质Al—Si合金的研究报道较多，但对其变质效果的 认识尚存在一些分歧，一部分人认为变质效果很好，一部分人认为变质效果不大， 分歧的主要原因存在于以下两个方面，一是稀土元素加入方法的不同，二是变质 处理工艺条件的不同，特别是冷却条件不同【2叭。一般认为，在RE中起变质作用的 元素主要有La、Ce和Y等，其中以La最强，其次为Ce，Y在冷却速度较快时有较好 的变质效果，实际应用较多的是富La、Ce或Y的混合稀土变质剂，变质有效时间 可以持续4d'时以上，重熔多次变质效果仍然明显。混合稀土容易氧化，一般可制 成含稀土10％的A1．10％Re中间

49、合金加入到铝液中，加入量为0．8％．1．2％，变质温度 为740"C．760*(2[21‘22】。另外还有以稀土盐或稀土氯化物来变质共晶硅的变质剂【231。 稀土元素除了具有变质作用以外，还具有除气除杂净化熔体的作用。由于稀土元 素比较活泼，稀土与H2、02、N2等气体反应生成RE203、REH、REN等气体，实现 了除气净化的目的。稀土易与AI、Cu等元素形成高熔点的化合物，提高熔体的流 动性，改善合金的铸造性能，而这些弥散分布的化合物又与基体结合，可以起到 固溶强化和稳定晶界的作用，延缓合金在高温下的扩散速度，从而提高合金的高 温强度和耐热性。因此采用稀土变质铝硅合金，可以改善合金的综合力

50、学性能。 7、磷 上述所说的Na、Sr、Sb、Ba、Te等元素主要适用于亚共晶、共晶A1．Si合金中 共晶硅的变质。而对于过共晶铝硅合金而言，用来改善初晶硅形态尺寸的变质元 素目前应用最多的是磷元素。P元素对初晶硅变质有较好效果，但是对共晶硅没有 变质效果。P元素可以以单质P、P中间合金、磷酸盐和磷化物等多种形式加入到熔 体中。单质P主要是赤磷，由于反应剧烈，产生大量烟雾，烧损和空气污染严重， 所以现在已经很少使用了。早期前苏联和西欧等国广泛采用PCI5和PNCl2等磷化 物，但因反应后生成有毒气体，应用受到限制【24。25】。研究表明【261，磷酸盐和A1．P 中间合金具有变质效果良好，使

51、用方便，污染程度轻等优点，目前成为过共晶A1．Si 合金的主要变质剂。但是多年生产实践与研究表明，P变质也同样存在着过变质及 变质效果衰退现象，随着保温时间延长，P的变质效果会逐渐消失，直至没有变质 效果。 1．2．1．2复合变质剂 可以看到，上面所叙述的一些常用变质元素通常对初晶硅或共晶硅具有单一 变质效果，但同时加入时，有些变质剂会出现变质作用相互抵消的现象，有些变 质元素会出现变质作用相互叠加或互补，增强变质效果的现象。而且，人们还发 现，有些变质元素虽然变质效果较好，但是存在着一些缺点，有些变质剂会出现 变质效果衰退的现象，因此，人们思考能否采用同时加入几种变质元素，使这些

52、 5 Bi和Sc对过共品A1．1 8％Si合金微观组织与力学性能的影响 变质元素的变质作用相互叠加或互补，寻找具有良好变质效果的双重或多重复合 变质处理技术，达到增强变质，减少铸件缺陷的综合效果。过共晶A1．Si合金变质 为了达到同时细化初晶硅和变质共晶硅的目的，曾经有人研究了P和Sr双重变质技 术，发现采用适当加入方法当变质剂加入量比例适中时能够达到同时变质的作用。 此外，像P和RE，Ce和Sr等，都可以起到复合变质的效果。近年来，在以下几方面， 复合变质处理取得了进展： 1、以Na盐为主体的复合变质剂 研究表明【271，钠与锶复合变质，既缩短了Sr变质的潜伏

53、期，又减缓了Na的损 失，延长了变质作用时间。研究发现【2引，钠盐和钡盐复合长效变质剂，也可以解 决Na盐变质容易衰退和Ba盐变质存在潜伏期的问题，适用于金属型和砂型铸造。 同时还有人采用NaF、K2TiF6和NaBF4对A1．Si．Cu合金进行变质处理【291，在Na、K、 Ti、B元素的共同作用下，不仅能产生很好的变质作用，抗衰退能力增强，变质效 果稳定，而且能很好的细化晶粒。但是钠盐复合变质剂主要用来变质亚共晶、共 晶铝硅合金。并可以看到这类复合变质处理技术仍然没有解决因表面活性钠元素 破坏了铝液表面致密性的氧化膜，而使铝液氧化吸气倾向加重，恶化了铝液的冶 金质量的问题。 2、以RE

54、元素为主体的复合变质剂 稀土元素具有变质、细晶强化和净化熔体的综合功能，而且对周围环境不产 生污染。充分发挥稀土元素的特殊功能，制备一种绿色的复合变质细化和净化为 一体的铸造铝合金熔体变质处理工艺，从源头上解决铸造铝合金熔体处理过程中 的环保问题，并且减少铝液熔炼损耗，提高产品质量，降低废品率，创造良好的 经济效益，为铸造铝合金的绿色清洁集约化生产提供了一条可行之路。 研究的专利中推出了一种多种稀土元素与隋性气体复合的变质处理技术1301。 它运用稀土族各元素和铝相互作用的不同特性，充分发挥稀土元素对熔体的变质 功能和精炼净化，并结合隋性气体处理的长处强化稀土变质精炼效果，既实现了 有效精

55、炼，又达到了长效变质(效果可维持7小时以上)，无污染物伤害，形成一 条崭新的绿色无污染铝合金熔体复合精变处理技术。 研究了混合稀土与锑复合变质剂加入对ZLl02合金的变质作用13¨，加入量为 0．1％．0．3％RE和0．1％．0．6％Sb。山大研究了稀土盐与钾盐复合变质剂(AMR—1)13 2。， 研究认为该变质剂具有优良变质效果，对铸件冷却速度不敏感，处理与未变质处 理ZLl02合金对比，at,、J和HB分别提高了46％、1 14％和12％，较三元钠盐变质时 分别提高了27％，43％和7．5％，表明AMR．1具有很强的变质效果，变质有效时间可 以维持3小时以上。 3、以P为主体的复合变质

56、剂 磷和钠复合变质剂：由于Na对共晶Si有良好的变质效果，P对初晶Si有良好的 6 硕士学位论文 变质效果，有很多研究都试图同时加入Na和P对过共晶A1一Si合金进行变质处理。 那么两者同时加入能否达到复合变质的效果。对于这个问题的研究没有达成一致 看法。毛高波等【33】研究认为，同时使用P和Na复合变质能够获得初晶硅和共晶硅 同时细化的组织。尹卓湘【34】研究认为，使用P和Na复合变质能够取得较好的复合 变质效果，但是由于Na和P反应而抵消一部分P的变质作用，为了保证有足够的AIP 晶核质点，Na／P<2．2即可。另外还有文献【35J研究认为，两者不能

57、同时加入铝熔体 中，因为Na和P反应，从而消耗AlP和Na，同时减弱P变质初晶硅的效果和衰弱Na 变质共晶硅的作用，即两者会产生抵消作用。 磷和锶复合变质剂：杨朝聪136J研究了P和Sr双重变质剂：磷对初晶Si有良好的 细化作用，锶不仅对共晶硅具有较好的变质作用，而且具有长效性。但P和Sr在铝 液中会发生相互作用：1)AI+PjAlP、2)2AIP+3Sr_Al+Sr3P2从而同时削弱了P 和Sr的细化效果。为提高P和Sr变质效果，作者研究认为对含硅量为20％的A1．Si合 金而言，磷盐(NaP03)为2．0％．2．5％和锶盐(SrCl2)为1．4％．1．6％细化效果最佳。 磷和钡复合变质剂

58、：李伟等[371研究了Ba和P复合变质剂：研究了Ba—P复合变质 对含硅量18％和23％过共晶铝硅合金初晶硅的细化作用。研究认为Ba对初晶硅具有 变质作用，并且发现随着Ba量的增加，初晶硅的细化效果进一步增强。当最小值 加入量为0．15％Ba时，初晶硅的平均尺寸达到了27I_tm(含硅18％合金)和599m(含 硅23％合金)，然后随着加入量的提高，初晶硅尺寸减小，细化效果增强。Ba变 质使初晶硅的形貌发生根本性的转变，由板块状硅晶体转变为树枝状硅晶体，且 枝晶还有裂化的迹象，但与P相比效果不理想。Ba和P复合变质不仅能满足硅晶体 变质要求，而且大大降低P盐的加入量，因而改善了劳动条件，降低

59、了变质污染。 P仅仅使硅晶体的尺寸减小，而Ba贝lJ在减小硅晶体尺寸的同时，使其枝解和裂化。 磷和硫复合变质剂：朱自林【3副研究考察了P和S的复合变质效果，结果表明加 入0．1％P和0．04％S后的过共晶组织中，其初晶硅和共晶硅均明显细化，尤其是共晶 硅由长针状变成短杆状。因此综合力学性能大幅度提高。但采用P和S复合变质时， 产生大量有毒浓烟，严重污染环境，腐蚀设备。 磷和稀土复合变质剂：赵恒先【3州研究报道了：P和RE在过共晶Al—Si合金中的 双变质作用，同时添加磷和混合稀土，P能细化初晶硅，稀土能细化共晶硅。它们 联合变质作用是单独作用的复合结果，P和混合稀土之间没有相互作用。唐多光

60、等 人【40】研制了一种过共晶A1．Si合金的绿色长效变质剂，其化学组成为P盐与稀土元 素。研究认为：稀土元素在P变质中的复合作用是通过高浓度的稀土原子富集在与 初晶硅有着相同晶格结构的AlP非均质形核质点周围，阻止AlP晶核的聚集，使AlP 能够在正常铸造温度范围内的过共晶Al—Si合金液中较长时间地保持弥散状均与分 布，为初晶硅的结晶提供大量的生长基面，成为初晶硅非均质形核的核心，因而 使过共晶A1．Si合金中初晶硅被变质到尺寸小于50I_tm：同时稀土元素对共晶硅也有 7 Bi和Sc对过共晶A1．18％Si合金微观组织与力学性能的影响 强烈的变质作用

61、，最终使合金获得较为理想的组织状态。 综上所述，总之，复合变质的基本方法就是在合金中加入两种或两种以上的 变质元素，在发挥每一种变质元素作用的同时弥补各自的缺点，从而达到最佳的 复合变质效果。无疑，这种复合变质处理技术将越来越得到人们的青睐。 1．2．2热处理 铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大类；而根据热处理特性又可分为热 处理可强化铝合金和热处理不可强化铝合金两大类。铝与铜、镁、锌、锂等合金 元素所组成的铝合金通过一定的热处理后强度和硬度性能均得到提高，因而此类 合金被称为可热处理强化合金。目前，对于热处理研究仍是铝合金研究领域的一 个重要分支，在大多数情况下铝合金铸件需要通过

62、热处理强化来满足其强度和硬 度性能等各方面的要求【4卜4引。 铝合金的热处理过程包括高温固溶处理，淬火和时效处理(自然时效和人工 时效)。通过固溶淬火处理可使强化元素最大限度地溶入Q．AI基体中并均匀化， 从而获得过饱和固溶体。通过时效处理，过饱和固溶体在a—A1基体上析出弥散分 布的纳米相而使基体组织强化。 固溶处理是将铸件在较高温度下保温一段时间，使合金化元素最大限度地溶 入铝基体中并均匀化。固溶保温温度与合金成分有关。为防止合金组织产生“过 烧"现象，固溶保温温度要求低于固相线温度或共晶相熔点温度lO．15℃。固溶保 温时间与合金组织有关。对于变形铝合金而言，由于组织致密，保温时间只

63、要几 十分钟即可使强化元素充分固溶并均匀化，而对于铸造铝合金而言，特别是多相 的铸造铝硅合金，固溶体周围存在着大量共晶组织，固溶体内部组织也不均匀， 晶粒间不仅有缩孔缩松，还有非金属夹杂物，它们都阻碍着扩散运动的进行，因 此所需固溶保温时间比较长，有时甚至要几十个小时才能使强化元素基本固溶。 对于铸造A1一Si合金而言，固溶处理不仅使组织均匀化，而且由于高温保温时间长 Si相尺寸和形状也会发生明显变化，进而对合金综合性能产生重要的影响。 淬火是指将固溶保温后的工件放入介质中快速冷却以使强化元素或强化元素 与基体组织形成的化合物仍固溶于基体中。淬火冷却速度大小既要尽量保证过饱 和固溶体不发生分

64、解，又要尽量减少工件变形和应力开裂。淬火速度过快，容易 产生大的热应力使工件变形甚至开裂。淬火速度过慢，容易使过饱和固溶体在淬 火过程中发生部分分解，从而削弱工件人工时效硬化效应，且容易产生局部过时 效和晶间抗腐蚀能力降低。选用不同的淬火介质可控制淬火冷却速度的大小。 时效是指固溶淬火后的工件在室温存放一段时间(自然时效)或升温到一定 温度进行保温(人工时效)，过饱和固溶体逐渐发生分解弥散析出，从而使合金 基体组织得到强化，工件的强度、硬度得到提高的过程。人工时效温度是影响合 金时效效果的重要参数。一般随着时效温度的提高，合金时效硬化速度加快，但 8 硕士学位论文

65、 所达到的最大人工时效强化效果降低。不同合金系所采用时效工艺参数不同，性 能变化也各不相同。除了时效温度和保温时间外，影响合金时效行为及时效效果 的因素还有很多，例如淬火到人工时效的时间间隔，冷变形(对于变形铝合金而 言)，合金元素含量、杂质及某些微量添加元素，合金组织特点等的影响。 在A1．Si合金中，通常添加Cu、Mg、Zn等合金化元素，这些合金化元素固溶到基体 中形成饱和固溶体或金属间化合物时，合金的强度、硬度性能一般都会提高，起 到固溶强化作用。因为合金元素溶入基体金属后，使基体金属位错密度增大且发 生晶格畸变；并且合金元素原子还会改变固溶体的弹性常数，扩散系数、内聚力 等。

66、这些都使位错运动阻力增大，导致合金强度提高。但合金化元素单独对铝合 金固溶强化效果并不十分明显，一般要配合热处理工艺。在A1．Si合金中加入合金 化元素的主要目的是利用合金元素与Al或Si形成细小的二次粒子相及其在热处理 过程中发生组织转变所引起的强化效应。对铸造A1．Si合金而言，热处理过程中硅 相形貌和尺寸往往也会发生显著变化，使合金的强度和塑性都有较大幅度的提高。 因此，合金化配合热处理过程是有效的合金强化手段【44。4引。 1．2．3形变处理 形变强化在工业上具有广泛的应用价值，几乎适用于所有有色金属材料，并 且是纯金属、单相固溶体合金和热处理不可强化合金的主要强化手段【49．5们。 形变强化机理是：变形后金属内部位错密度大大增加，且位错相互缠结并形 成胞状形变亚结构，它们不仅阻碍位错源开动位错滑移，而且使不能滑移的位错 数量增加，大大增加位错滑移的难度，从而使合金强度提高。 将塑性变形与热处理过程结合称为形变热处理。目前，有色金属的形变热处 理逐渐在工业上获得了广泛的应用，合金强化效果好，往往不降低韧性甚至使韧 性稍有提高。例如钛合金，经形变热处理后强度极限可