（材料加工工程專業(yè)論文）亞共晶鋁硅合金熔體溫度處理工藝研究.pdf

上海交通大學(xué) 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定， 同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子 版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)上海交通大學(xué)可以將本學(xué)位 論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、 縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 保密d ，在年解密后適用本授權(quán)書。 本學(xué)位論文屬于 不保密口。 ( 請在以上方框內(nèi)打“4 ”) 學(xué)位論文作者簽名：可軋指導(dǎo)教師簽名：勞孥j ；乙 日期：2 礦6 年) 一月日日期：諺年五月彩日 上海交通大學(xué) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下， 獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外， 本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。 對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式 標明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位做儲虢l 最 日期：加。弓年硼為日 上海變通大學(xué)頑士學(xué)位論文王榮 亞共晶鋁硅合金熔體溫度處理工藝研究 摘要 亞共晶鋁硅合金以其優(yōu)秀的力學(xué)性能和鑄造性能而成為汽車工業(yè)中廣泛運 用的一種合金材料。但在常規(guī)熔煉條件下，其凝固組織晶粒往往較為粗大，使其 力學(xué)性能大打折扣，需要進行晶粒細化以提升其力學(xué)性能。 常用的化學(xué)細化方法雖然工藝簡單，成本較低，但會引入雜質(zhì)元素物理 細化方式雖然能夠保持合金純凈，但能耗較高，工藝也很復(fù)雜。本文所使用的熔 體溫度處理方法是細化金屬凝固組織的一種新的物理方法。該工藝利用金屬熔體 在不同溫度下的不同性質(zhì)來細化晶粒，它具備低能耗、低成本的優(yōu)點，細化效果 十分明顯。另外，此工藝不需要專有設(shè)備，操作簡單，清潔環(huán)保，并且易于實現(xiàn) 大規(guī)模生產(chǎn)。 本論文以亞共晶鋁硅合金a 3 1 9 為對象，研究了熔體溫度處理工藝對亞共晶 鋁硅合金的細化效果。探討了熔體溫度處理工藝的參數(shù)對其細化效果的影響。這 些參數(shù)包括：高低熔體溫度、冷卻速度、混熔時間并對這些工藝參數(shù)進行了優(yōu) 化。 本文還著重研究了低溫熔體的不同物理狀態(tài)對熔體溫度處理細化晶粒效果 的影響。針對該工藝中存在的高溫熔體嚴重氧化問題，采用熔劑保護法對處理工 藝進行了改進。取得了良好的研究成果。最后，本文還對熔體溫度處理工藝的細 化機理進行了初步探討 關(guān)鍵詞：熔體溫度處理，亞共晶鋁硅合金，工藝參數(shù) 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文王榮 t h ee f f e c to fm e i jt h e r 隊lt r e a t m e a to n h y p o e u t e c t i ca l - s ia l l o y h 艄t e c t i c a l s ia l l o yi sa w i d e l yu s e dm e t a lm a t e r i a li na u t o m o b i l ei n d u s t r yd u e t oi t sg o o dm e c h a n i c sc a p a b i l i t y b u tp o o rs o l i d i f i c a t i o ns t r u c t m e sa t ef o u n di ni t w h e nm e l t e di ng e n e r a lc o n d i t i o n s ot h eb 】，p 伽刪ca i - s ia u o yn d st ob er e f i n e d t o m e e t t h e r e q u i x m n e n t o f a p p l i c a t i o n g e n e r a l l ys p e a k i n g , t h e r e 黜t w om e t h o d st ot e f i n ea l l o y t h ec h e m i c a lm e t h o di s f a m o u sf o ri t sg o o dr e f u t i n ga b i l i t y , b u ti tw i l lb r i n gi m p u r i t i e si n t ot h ea l l o y t h e p h y s i c a lm e t h o d 啪a l w a y sa v o i di m p u r i t i e s b u tm o r 口e n e r g yi sn e e d e dt or e a c h g o o dr e f i n i n ge f f e c ta n dm o r ec o m p l i c a t e dt o o l sa r er e q u i r e d m e l tt h e n m lt r e a t m e n t ( m y r ) i san e wk i n do fp h y s i c a lm e t h o dt or e f i n et h e s o l i d i f i c 觚o ns 缸 尬t i l 埠o fa l l o y i nt h i st h e s i s , t h ee f f e c t so fm t t0 1 1 硒，p 黜c 吐c a i - s ia l 眵a 3 1 9w e r es t u d i e di nd e t a i l t h ep a r a m e t e r s , s u c ha st h et e m p e r a t u r eo f h t m 餌i g h e rt e m p e r a t u r em e l t ) a n dl t m ( 1 o w e rt e m p e r a t u r em e l t ) ，e n o l 堍r a t e a n d h o l d i n gt i m ea f t e rm i x i n g ，h a v eb e e no p t i m i z e d t h ee f f e c to f d i f f e r e n tp 姆s i c a l s t a t e so fl t m0 1 1f i n a l “d i 五6 伽s l r u c t u r ew a sa l s os t u d i e d t op r e v e n tt h e o x i d a t i o no f h t m d u r i n gt h ep r o c e s s i n go f m t t ，t h ep r o t e c t i n gm e t h o dw i t h f l u xw a s t r i e d a tl a s tt h et e r m i n gm e c h a n i s mo f m t ti sa l s od i s c u s s e d k e yw o r d s ： m e l tt h e r m a l t r e a t m e n t , h y p o e n t e c t i ca i - s ia u o y , p i o s s i n g p a m 加e t c r s 2 上海交通大學(xué)磺士學(xué)位論文王榮 1 1 序言 第一章文獻綜述 鋁是地球上含量極豐富的金屬元素，其蘊藏量在金屬中捧第二位。目前鋁及 其合金已經(jīng)成為工程應(yīng)用中非常具有競爭力的金屬。航空、建筑、汽車三大重要 工業(yè)的發(fā)展，要求材料具有鋁及其合金的獨特性質(zhì)，這就大大有利于鋁及其合金 的生產(chǎn)及應(yīng)用。 鑄造鋁硅合金具有優(yōu)秀的鑄造工藝性能和氣密性，可用于砂型、金屬型鑄造 和壓力鑄造，是當(dāng)前工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的鑄造鋁合金。這其中高硅鋁硅合金具有 重量輕、成本低、耐磨耐腐蝕性能好、熱膨脹系數(shù)小等諸多優(yōu)點而硅含量在 1 2 5 以下的亞共晶鋁硅合金以其優(yōu)異的力學(xué)性能和鑄造性能面受到各行業(yè)的 青睬 但在生產(chǎn)實踐中，以常規(guī)熔煉方法獲得的鋁硅合金鑄件往往因為其晶粒過于 粗大而導(dǎo)致其力學(xué)性能下降，嚴重影響到了該種合金的應(yīng)用前景。因此，對鋁硅 合金凝固組織晶粒的細化方法研究，一直是鋁合金處理工藝研究中的一個活躍領(lǐng) 域。 目前，金屬組織細化采用的方法主要有兩類；第一類是在液態(tài)金屬中加入細 化劑的化學(xué)細化法；第二類是對金屬凝固過程進行動力學(xué)處理的物理細化法。下 面，我們將進一步闡述這些細化工藝的原理及其研究現(xiàn)狀 1 2 化學(xué)細化工藝的研究概況 化學(xué)細化工藝由于具有效果明顯的特點，一直以來都是晶粒細化研究的重 點。經(jīng)過多年的系統(tǒng)研究已經(jīng)形成了一套較為完整的理論體系和運用方法【l i 】。本 節(jié)將對鈦、硼等元素的細化效果，化學(xué)細化的中毒和衰退現(xiàn)象進行深入描述。 1 2 。l - 鏝元素對鋁熔體晶粒的細化效果及其機理 自從上世紀4 0 年代開始，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在鋁及其合金中加入微量鈦能大大細 化晶粒，提高力學(xué)性能。數(shù)十年來，發(fā)表了很多相關(guān)的學(xué)術(shù)論文，提供了大量的 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文王榮 試驗數(shù)據(jù)和資料，積累了豐富的生產(chǎn)實踐經(jīng)驗。目前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的鈦對鋁及其合 金的晶粒細化現(xiàn)象主要有： 1 純鋁中加入微量鈦能大大細化晶粒( 見圖1 - 1 ) 。隨著鋁液靜置時間的延 長，細化效果逐漸衰退( 見圖1 - 2 ) 。 2 鋁的純度從9 9 9 9 9 降到9 9 9 9 后，鈦的晶粒細化效萊提高了將近一倍， 說明鋁中舍有的微量元素對晶粒的細化作用很敏感。在眾多微量元素中，最敏感、 使用最明顯的是硼，在強化細化效果的同時能夠延緩衰退過程( 見圖1 2 ) 但硼 本身對純鋁的晶粒細化作用很小。 3 在經(jīng)過細化處理的合金組織中已經(jīng)證實有下列相組成；t t a l 3 ，田b 2 ， ( y t , a i ) b 2 ，( t i , b ) a 1 3 ，t i c 等。它們能夠促進晶粒的細化，此外，在高速冷卻時 ( 1 0 4 k ，s ) 曾發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定的1 ”d x 。 s i z e p m 見參考文獻【u 】 t r a i n 圖1 - 1 l 加入o 0 1 i t i 保持時闊和晶粒大小的關(guān)系 f i g l - i t h er e l a t i o n s h i p b e q w e c i l h o l d i n g t i m e a n d d e n d r i t e s i z e w h e n 0 0 1 t i a d d e d 見參考文獻【“1 目1 - 2 晶粒尺寸和保溫時間的變化曲線 f i g1 - 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e nd e n d r i t es i z ea n dh o l d i n gt i m e 如今利用該原理的晶粒細化工藝已經(jīng)成為鋁鑄件和型材生產(chǎn)中的重要組成 上海交通大學(xué)頸士學(xué)位論文王榮 工序。人們對于鈦對鋁合金晶粒的細化機理的認識也不斷深化，提出了不少觀點 和理論主要包括： 1 包晶理論 由c r o s s l e y 和m o n d o l f o 提出，在6 6 5 1 2 時，有包晶反應(yīng)： l + t l a l y m z ( a 1 ) t i a l 3 和柚在( 0 0 1 ) a i 和( 1 1 0 ) 面上存在良好的共格關(guān)系，鋁原子可 以在幾個t t a l 3 晶面上同時外延生長。試驗中在a ( a 1 ) 晶粒中心找到了1 i a l 3 ，出 現(xiàn)最大細化效果的成分往往是包晶點的成分( 1 1 2 t i ) 。但這一理論不能解釋 t i 低于0 1 5 時的晶粒細化現(xiàn)象 2 t i c 核心理論 c i b u l a 通過分離鋁熔體中的生核質(zhì)點，進行了x 射線衍射結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)a ( a 1 ) 中心往往有t i c ，t i c 在高溫下穩(wěn)定，且點陣常數(shù)與鋁晶體的點陣常數(shù)非常接近， 有較好的共格關(guān)系，鋁熔體中即使只有萬分之幾的碳原子就能形成大量t i c ，起 異質(zhì)形核的作用。這一理論解釋了鈦低于o 1 5 時的晶粒細化現(xiàn)象，但是它不能 解釋高純鋁加鈦的細化現(xiàn)象。 3 晶粒增殖理論 認為鈦在鋁中的分配系數(shù)小，則在a l - 氍相圖中鋁的液相線很陡，凝固時結(jié) 晶前沿嚴重成分過冷，枝晶形成縮頸，凝固時期的晶粒自型壁游離，脫落，分裂 增殖是晶粒細化的原因，這一理論無法解釋鈦、硼等元素的細化作用。 4 抑制n 一越晶粒生長學(xué)說 m a x w e l l 和h e l l a w e l l 認為溶質(zhì)t i 是一種高效抑制a ( a j ) 晶粒生長的元素，并 給出了理論上的證明，他們假定以一定體積的等溫鋁熔體按經(jīng)典理論計算了 a i - t i ，a i - z r , a i - c r 的異質(zhì)形核速度，作出了每單位體積內(nèi)的晶粒數(shù)n c v 與加入到 單位體積細化元素的質(zhì)點數(shù)n p v 的關(guān)系曲線( 見圖l 一3 ) ?？梢姰?dāng)n c v 超過某一 臨界值后，不是所有潛在結(jié)晶基底都能起作用，這是由于戚越灶長時釋放出結(jié) 晶潛熱，使溫度升高，超過異質(zhì)形核溫度，抑制了進一步形核，球形姒1 ) 晶體 的生長速度與m c o ( k q ) 成反比，其中m 為j 啪【相圖中液相線斜率( x 是瓦z c r 的代號) ；c o 為晶體生長界面上固相的成分；k 為分配系數(shù)；k = c j c l ：s 5 為溫 度t 時液相的溶質(zhì)成分：c l 為溫度t 時液相的溶質(zhì)成分。此數(shù)值越大，晶粒生 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文王榮 長速度越小，使大量結(jié)晶基底活化，細化晶粒，此數(shù)值很小時，很快發(fā)生再輝， 超過異質(zhì)形核溫度，抑制進一步形核，可見n p v 的值對m c o ( k - 1 ) 彳艮敏感，計算得 瓢，z c r 的m o o ( k 4 ) 值分別為3 1 ，5 ，0 5 ，證明了溶質(zhì)鈦是很好的a ( a 1 ) 晶粒生 長抑制劑，從而細化了晶粒。 7 童 心 l o i “n 音 磚y o ，k e 見參考文獻【l l 】 1 2 2 硼的晶粒細化作用 田i 一3n 鉗，之間關(guān)系 f i g1 - 3r e l a t i o n s h i p 咖n r v m dn c 含鈦的鋁熔體中僅含3 1 0 r 6 的硼時，只有0 8 的氍a 1 3 粒子起到細化作用， 當(dāng)加入l x l 曠的硼后，有2 4 的n a l 3 粒子起細化作用，增加了三倍。 有人認為硼降低t i a l 3 在鋁熔體中的溶解度，并使液相線變陡，這樣，在相 同過冷度下將增加鈦在鋁熔體中的過飽和度，能夠析出更多的t i a b 粒子，成為 a ( a i ) 的核心，細化晶粒，但有人根據(jù)熱力學(xué)數(shù)據(jù)計算，認為在0 3 ) = 1 0 - 6 ， c n 戶1 5 x l 曠處，存在下列三元包晶反應(yīng)：l + t i a l 3 + ( t i b 2 ) - - a ( a i ) + o i b 0 ，從 而指出硼對t t a l 3 在鋁熔體中的溶解度無影響。 另一種觀點認為硼在鋁熔體內(nèi)生成t i b 2 ，他2 在鋁熔體中穩(wěn)定，存在( 2 0 1 ) 餾2 ( 3 1 l h 共格關(guān)系，因此t i b 2 起異質(zhì)晶核的作用，細化a ( a 1 ) 相。經(jīng)過觀察有 人認為在a ( a 1 ) 中有硼b 2 存在，但另一些人卻發(fā)現(xiàn)凝固時n b 2 被a ( a 1 ) 晶粒推向 最后凝固區(qū)域，它不是a 1 ) 的異質(zhì)晶核，a ( a 1 ) 與m 2 的點陣常數(shù)缺少共格關(guān)系， 而是麗b 2 阻擋了a ( 柚的生長，從而細化晶粒最后，這兩種觀點都沒能解釋細 化效果一保持時間曲線會出現(xiàn)“w ”型的原因。 還有一種觀點認為硼加入含鈦的鋁熔體后，會生成( 魅t i ) b 2 ，它本身不穩(wěn)定， 會逐漸變?yōu)閠 t b 2 ，但能改變n a l 3 粒子的形態(tài)，在其表面上富集硼化物，具有租 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文王榮 糙或網(wǎng)紋表面，稱為。二重復(fù)合顆?！笔莂 ( a i ) 最好的形核劑，而且長效但這 種觀點尚缺乏直觀的證據(jù) 總而言之，硼的細化作用機理尚待繼續(xù)探明。 1 2 3 化學(xué)晶粒細化的衰退和中覯象 有人發(fā)現(xiàn)若鋁熔體中存在的t i a l 3 粒子數(shù)目大于包晶反應(yīng)時的t i a l 3 粒子數(shù) 時，高溫保持后t i a l 3 將陸續(xù)溶解，造成細化作用減弱，這種現(xiàn)象稱為細化現(xiàn)象 的衰退。硼元素的加入能夠延緩衰退是因為形成t ( a i ，t i ) b 2 或餾2 ，成為新的 異質(zhì)核心 若所需細化的鋁熔體中存在鋯、鉻、錳等元素，鈦和硼的細化作用將被大大 減弱，甚至完全失去細化效果，這種現(xiàn)象稱為晶粒細化中的。中毒”現(xiàn)象。 造成中毒現(xiàn)象的原因有以下幾種： 1 鋯在鋁熔體中生成z r b ，它的點陣常數(shù)很大，和喊柚也沒有共格關(guān)系， 包覆在t i b 2 的表面，取消了t i b 2 的細化效果也有人認為在t i b 2 的粒子表面富 集鋯原子，抑制了t i b 2 的細化作用。最新的中毒理論認為儆1 3 ，t i b 2 中的部分 鈦被鋯所取代，形成了( 伍l 。，z r 。) a 1 3 和( t i l i z r x ) b 2 ，改變了點陣常數(shù)，形核作 用消失。 2鉻中毒的原因基本和鋯相似，是鉻取代了t i a l 3 ，t i b 2 中的部分鈦，形成 了f n c r 。) a 1 3 和( r i j 。，c r x ) b 2 ，同樣改變了點陣常數(shù)，發(fā)生中毒。 3 錳在鋁液中形成劣質(zhì)的 血3 c ，破壞了t i c 質(zhì)點，m n 3 c 的點陣常數(shù)與a 1 ) 的差別大，因而細化效果下降。 1 2 4 稀土的有效抗衰退作用 已知鋁熔體中加入幣- b 細化劑后，將在熔體內(nèi)形成1 匍b 2 ，有促進細化作 用，但它不溶于鋁中，易聚集沉于底部，發(fā)生細化衰退，如制成a i - t i - b 線材， 直接在澆注前加入流槽中，雖有效果，但提高了成本。 有人發(fā)現(xiàn)在m i - b 細化劑中加入稀土元素能阻止t i b 2 發(fā)生聚集、沉淀，延 緩衰退稀土元素鑭能降低鋁熔體的表面張力，增加鋁熔體對硼化物c r m 2 ) 的潤 濕性，增大鋁熔體在硼化物c r i b 2 ) j 囁粒表面上的鋪展系數(shù)，既能充分發(fā)揮協(xié)2 的 上毒交通大學(xué)頸士學(xué)位論文王榮 異質(zhì)形核作用，又能夠防止b 2 ) 的聚集長大試驗證明，用含1 l a 的混合稀 士加入a l 用b 合金中形成a i - t i - r e 合金細化劑，可延緩衰退現(xiàn)象。加入h 后 f r m 2 ) 的平均直徑d 2 p m ，即使發(fā)生聚集，只能生成疏松的m 2 團塊或與t t a l 3 生成“復(fù)合”顆粒，疏松團塊或復(fù)合顆粒在鋁熔體中溶解后，析出時又成為1 ) = i p m 的顆粒分散在鋁熔體中，仍能細化晶粒 總之，隨著現(xiàn)代測試技術(shù)的出現(xiàn)，人們對a 1 s i 合金晶粒的化學(xué)細化方法由 淺到深，由宏觀到微觀，從靜態(tài)到動態(tài)，從表現(xiàn)至機理，已有了較全面、準確的 認識，形成了較完整的理論。 1 3 物理細化工藝的研究概況 近年來，隨著化學(xué)細化理論的全面完善，物理細化方式也逐漸成為了學(xué)者們 研究的重點。物理細化最大的特點就是不會對細化合金造成污染，僅僅通過對合 金熔體凝固前熱力學(xué)狀態(tài)的改變，來達到細化合金晶粒的目的【1 2 1 。 非平衡熱力學(xué)理論表明，一個熱力學(xué)定態(tài)是溫度、壓力等的函數(shù)，體系從一 個定態(tài)到另一個定態(tài)需要一定的馳豫時間t 。因此，緩交過程與急變過程將沿 循不同的路徑。若過程進行時間t 大于系統(tǒng)馳豫時間t ，則認為過程是整體平 衡的；若t 0 ，則合金液中a 1 - s i 原子對 的數(shù)日比理想狀態(tài)下的少，這意味著合金液中發(fā)生了a 原子和b 原子的偏聚。 合金凝固后的組織應(yīng)由以a 和b 為基的固溶體組成若t o d 塌 01 - 6 通過復(fù)雜的理論推導(dǎo) a i - s i 可以以下式計算： = 爭k + 扣等一爭 - ， 式中：h 。為a l 的熔化潛熱，t 皿為a l 熔點，r 為氣體常數(shù)，m - 為合金固相線 斜率，m l 為合金液相線斜率。m l 、m l 應(yīng)該取合金成分接近純a l 時的值。 上式說明一定溫度下從s i 合金中a l - m 原子對和s i s i 原子對多于它們在理 想狀態(tài)下( 2 f f i 0 ) 的數(shù)值，這意味者a i - s i 合金中會發(fā)生硅原子和鋁原子的偏聚， a i - s i 合金凝固后的組織應(yīng)由以m 和s i 為基的固溶體組成。并且低溫下a l - s i 合金液是一種有大量s i 原予和a l 原子偏聚團存在的非均勻體。面高溫下的觸s i 合金液接近于理想狀態(tài)的均勻體。 若t 0 a 1 s i 已知，則 隨t 的升高而減小。這說明升高溫度可以使合金液偏離 原子均勻分布理想狀態(tài)的程度減小。高溫熔體更趨于理想溶液，而在低溫熔體中， 則存在較多的原子偏聚團或有序分布原子團且( 0 a i - s i 的絕對值越大，這種差異 越明顯。我們知道金屬熔體溫度處理對合金組織的細化，利用的正是低溫熔體中 原子偏聚團或有序分布原子團對合金先析出相的形核作用。所以，不同合金熔體 上海變通大學(xué)碩士學(xué)位論文王榮 溫度處理后的效果應(yīng)受到合金f 0 的控制f 0 的絕對值越大，則熔體溫度處理的效 果越明顯 1 本研究的目的意義與主要研究內(nèi)容 1 , 4 1 本研究的目的和意義 在以上提到的這些細化晶粒方法中，化學(xué)細化法雖然具有效果明顯、操作簡 單的特點，但是細化的同時會在合金中摻入其他的雜質(zhì)元素，影響合金的純凈度 并對合金的某些性能產(chǎn)生不良影響；而現(xiàn)行的物理細化法通常要求有專用設(shè)備， 操作復(fù)雜，成本很高，不適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)并且，對a i - s i 合金晶粒物理細 化的研究，目前主要集中于對過共晶a 1 - s i 合金初生硅相的細化研究。對亞共晶 a 1 s i 合金的研究還鮮見報道。 亞共晶a i - s i 合金由于具有重量輕、成本低、力學(xué)性能好等諸多優(yōu)點而普遍 受到人們的重視。近年來。亞共晶鋁硅合金已經(jīng)被廣泛運用到汽車工業(yè)的各個角 落。在常規(guī)鑄造條件下的亞共晶a l s i 合金鑄件晶粒粗大，因此均采用細化劑方 法進行處理，由于前文所述原因，其細化效果常常不穩(wěn)定，因而往往影響力學(xué)性 能。本文研究的熔體溫度處理工藝是全新的合金晶粒物理細化方法。該工藝通過 一定的熔體熟處理方式，控制合金熔體的預(yù)結(jié)晶狀態(tài)和形核生長特征，從而顯著 改善鋁硅合金的組織、性能及其熔煉質(zhì)量。該方法操作簡單、能耗低、不要專用 設(shè)備，因而有望成為在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛運用的細化工藝。 本研究的目的和意義在于探索適用于亞共晶a 1 掰合金，可以同時細化a - a l 相和共晶s i 相的熔體溫度處理工藝，從而改善亞共晶鋁硅合金鑄件微觀組織， 提高鑄件的力學(xué)性能。為該物理細化方法的實際應(yīng)用提供必要的實驗基礎(chǔ)。 1 4 2 主要研究內(nèi)容 根據(jù)本課題的研究目的，其主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面： 1 亞共晶a 1 s i 合金熔體溫度處理工藝的主要參數(shù)研究。這些參數(shù)主要包 括：高溫熔體溫度、低溫熔體溫度、冷卻速度、混熔后停留時間。分別分析這些 參數(shù)對于整個細化工藝的影響規(guī)律，探索最佳工藝參數(shù)。 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文壬榮 2 由于低溫熔體被認為在熔體溫度處理細化工藝中具有提供形核核心的獨 特作用，所以重點研究低溫熔體的不同狀態(tài)對熔體溫度處理工藝及其效果的影響 規(guī)終 3 完善亞共晶鋁硅合金熔體溫度處理工藝，力求獲得最佳的細化效果和最 佳的力學(xué)性能。 4 分析熔體溫度處理工藝對于亞共晶鋁硅合金細化效果的作用機制。 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文王榮 第二章亞共晶a i - s i 合金熔體溫度處理主要工藝參數(shù)研究 對于任何一種物理細化工藝的研究，首先應(yīng)弄清這種工藝是否適用于需細化 的合金材料如果試驗證明該工藝對于該種合金確有細化效果，則應(yīng)從該工藝的 參數(shù)研究著手，即找到制約該工藝處理效果的參數(shù)并研究這些工藝參數(shù)影響工藝 效果的變化規(guī)律，得出最佳的工藝參數(shù)組合。以前的研究表明，熔體溫度處理工 藝對過共晶鋁硅合金的初生硅相具有很顯著的細化效果，制約其工藝效果的參數(shù) 主要包括：高溫熔體的溫度、低溫熔體的溫度、混熔后的冷卻速度、混熔后的停 留時間本章將首先初步研究熔體溫度處理工藝對亞共晶鋁硅合金的處理效果， 然后通過對不同工藝參數(shù)的重點研究，力求找到最佳的參數(shù)搭配，以得到最好的 亞共晶a 1 掰合金溫度處理效果。 2 。1 試驗方法 2 1 1 試驗材辯 本論文所有試驗用鋁硅合金材料為工業(yè)生產(chǎn)中廣泛運用的亞共晶a i - s i 合 金。其牌號為a 3 1 9 具體成分如下表2 1 ： 表2 - 1 試驗所用亞共晶鋁硅合金a 3 1 9 化學(xué)成分( 質(zhì)量分數(shù)) i元素 s i m g f ec uz n1 ia i 其他i 含量 6 1 60 1o 7 53 2 0 0 3 01 合金的常規(guī)凝固曲線如圖所視： 暖2 - 1 試驗用亞共晶鋁硅合壘a 3 1 9 的常規(guī)凝固曲線 f i g2 - 1t h ec o o l i n gc m eo f a 3 1 9 胡a y 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文王榮 2 1 2 試驗裝置 采用硅鋁棒高溫爐( s s g 2 - 1 2 - 1 6 ) 和電阻爐( s g 2 - 7 5 - 1 3 ) 作為商低溫熔體 的熔化裝置采用6 號或8 號石墨坩堝作為容器。采用o 7 c 2 c 1 6 作為精煉劑。 澆鑄成型的拉伸試樣在液壓拉伸試驗機上進行拉伸試驗并通過l e ( d - i a 3 2 圖像 分析儀分析凝固組織 2 1 3 試驗過程 首先將合金按照2 ：1 的比倒分剮放入一個8 號坩堝和一個6 號坩堝，置入熔 化爐中加熱至7 2 0 c 熔化，靜置2 0 分鐘后經(jīng)o 7 c 2 c 1 6 精煉，再靜置保溫2 0 分 鐘 1 4 ，憫，然后將小坩堝轉(zhuǎn)入已經(jīng)預(yù)熱至高溫溫度的熔化爐中，原熔化爐同時降到 低溫溫度，等兩熔體分別升溫或降溫到高，低溫熔體所需溫度保溫靜置2 0 分鐘 后，迅速混合并停留相應(yīng)時間，在預(yù)熱到2 5 0 c 的金屬拉伸試樣模和v 型模內(nèi)澆 鑄試樣，澆鑄溫度為7 2 0 2 0 ，最后進行拉伸試驗并制作金相 田2 - 2 熔體溫度處理試驗的工藝過程 f i g2 - 2t h ea e a t i n gp t o c , e ao f m 3 t 為了考察不同高溫熔體的溫度對熔體溫度處理工藝效果的影響，我們進行了 高溫熔體溫度分別為9 5 0 1 2 、9 0 0 c 、8 5 0 c ，低溫烙體溫度為6 5 0 c 的試驗。為 了考察不同低溫熔體的溫度對熔體溫度處理工藝的影響效果，我們還進行了高溫 熔體溫度為8 5 0 c ，低溫熔體溫度分別為6 0 0 c 、6 3 0 c 、6 5 0 c 的熔體溫度處理 試驗，并測試澆鑄所得試樣棒的拉伸強度。圖2 3 為所用試樣模具的示意圖 為了考察不同混熔后停留時間對熔體溫度處理效果的影響，我們選擇伽、 2 0 s 、4 0 s 、6 0 s 、8 0 s 、l o o s 、1 2 0 s 七個混熔后停留時間，停留之后澆鑄試樣棒， 并測試其拉伸強度。 為了考察不同混熔后冷卻速度對熔體溫度處理效果的影響，我們進行了熔體 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文王榮 混熔后以0 6 k s 、2 4 k s 、8 5 k s 三個冷卻速度凝固的金相組織觀察。圖2 - 4 為 所用v 形模的示意圖。 v , - e 廈s v o c 2 皿, 8 v r l l 3 1 嘴 鲴2 - 3 所用拉仲斌樣模示意圖 f i g2 - 3d 艷u s e df o rm e c h a n i c s t e s t 霾 簏 霆 霧 o = l 一k m t 一 鷹2 4v 形模冷卻速度示意因 f i 9 2 - 4 d i eu s e d t o g e t d i f f e r e n t o t m s r a t e 2 。2 熔體溫度處理工藝的細化效果 我們觀察了a 3 1 9 合金在7 2 0 1 2 下常規(guī)熔煉的試樣金相組織，并觀察了經(jīng)過 熔體溫度處理( 高溫熔體8 5 0 ( 2 ，低溫熔體6 5 0 1 3 ) 后直接在7 2 0 c 下相同試樣 模中澆鑄的試樣的金相組織。其金相照片如下圖。 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文主榮 a 經(jīng)過熔體溫度處理的試樣岔相 b 沒有經(jīng)過熔體溫度處理的試棒盒相 圖2 - 5 熔體溫度處理工藝的細化效果2 旦q 豎 f i g2 - 5t l zc 描c c to f m t t 兩個試樣組織均由初生a o a l 和共晶硅組織組成，其中黑色孔洞為夾雜，灰 色針狀組織為共晶硅相，白色部分為初生“k 對比兩張照片我們可以看出，熔 體溫度處理工藝對亞共晶鋁硅合金a 3 1 9 的細化作用主要體現(xiàn)在對初生“l(fā) 相的 晶粒形貌改善作用。其晶粒細化主要體現(xiàn)在對一次枝晶臂生長的抑制作用。但我 們發(fā)現(xiàn)經(jīng)過熔體溫度處理的試樣中黑色夾雜的數(shù)量增加了，且試樣的力學(xué)性能也 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文王榮 沒有得到大幅提高。這說明單純的熔體溫度處理工藝可以改善晶粒形貌，但還需 要優(yōu)化工藝參數(shù)并配合其他的細化手法共同使用，以達到提高試樣力學(xué)性能的目 的。 2 3 最佳高低溫熔體溫度的確定 熔體溫度處理工藝中茼低溫熔體的溫度，是我們需要研究的首要試驗參數(shù)。 我們要從能耗和力學(xué)性能這兩方面來綜合考慮，以確定高低溫熔體溫度在熔體溫 度處理工藝中的最佳配比。 2 3 1 量佳高混熔體溫度的確定 圖2 - 6 是a 3 1 9 合金采用低溫熔體6 5 0 ，高溫熔體分別為8 0 0 ( 2 、8 5 0 、9 5 0 溫度處理的試樣拉伸強度與不處理試樣的對比圖( 采用金屬試樣模澆鑄，混熔 后立即澆鑄) 。 ob m p a l 。 不處理 高溫8 0 0 度高溫8 5 0 度高溫9 5 0 度 田2 _ 6 高溫熔體溫度時處理后材料抗拉強度的影響 f i g2 - 6t h ee f f e c to f d i f f e r e n th t mt e m p e r a t u r e 由上圖的試驗結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)，高溫熔體的溫度溫度越高，所得試樣的抗拉強 度越高，也就是說熔體溫度處理工藝的效果更好。但是經(jīng)過對上圖的迸一步分析 我們發(fā)現(xiàn)，高溫熔體溫度由8 0 0 上升到8 5 0 ，試樣的抗拉強度上升了i i m p a ； 高溫熔體溫度由8 5 0 上升到9 5 0 ，試樣抗拉強度僅僅上升了5 m p 8 ，抗拉強 度隨高溫熔體溫度的升高其上升趨勢逐漸減小?？紤]到我們在研究熔體溫度處理 m瑚l蘭m|墨m|銎姍 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文王榮 工藝的細化效果時發(fā)現(xiàn)經(jīng)過熔體溫度處理后的試樣金相中夾雜和空洞增多了。我 們認為過高的高溫熔體溫度會使高溫熔體嚴重氧化，使?jié)茶T試樣的氧化夾雜和氣 孔增多，從而直接導(dǎo)致試樣的力學(xué)性能受到影響。另外，在實際運用中，過高的 高溫熔體溫度會導(dǎo)致能耗過大，成本增加所以我們建議在熔體溫度處理工藝的 實際運用中應(yīng)當(dāng)根據(jù)產(chǎn)品需要而適當(dāng)調(diào)節(jié)高溫熔體溫度。一般情況下高溫熔體 8 5 0 即可，且一定要做好保護，防止高溫熔體氧化和吸氣。 2 3 2 最佳低溫熔體溫度的確定 圖2 - 7 是a 3 5 6 合金采用高溫熔體8 5 0 。低溫熔體分別為6 0 0 、6 3 0 、6 5 0 溫度處理的試樣拉伸強度與不處理試樣的對比圖( 采用金屬試樣模澆鑄，混熔 后立即澆鑄) o 蚰i p a 入 、 盧 不處理低溫6 0 0 度低溫6 3 0 度高溫6 5 0 度 圉2 - 7 最佳低溫熔體溫度的獲得 f t g2 - 71 h ce 丘鰍o f d i f ml t mt e m 非檔n l 托 從圖2 - 7 的試驗結(jié)果可以看出，在高溫熔體溫度一定的情況下，采用6 3 0 的低溫熔體溫度所得試樣的性能較好。6 5 0 的低溫熔體由于溫度比較高，其溫 度處理的效果不明顯，所以無法得到最佳的性能。而6 0 0 的低溫熔體由于已經(jīng) 低于合金的熔點，所以低溫熔體組織十分不均勻，混合后這種特性得到一定程度 的保留，導(dǎo)致處理后試樣性能不高。但是可以預(yù)測，若低溫熔體的溫度越高，則 熔體溫度處理作用的效果越弱。而如果能夠使低溫熔體在較低的溫度下仍然保持 很好的均一性和流動性，那么采用較低的低溫熔體溫度將會使熔體溫度處理的效 果顯著提高。這也說明低溫熔體的狀態(tài)是決定熔體溫度處理工藝效果的決定性因 素之一。我們將會在后一章著重研究低溫熔體的狀態(tài)對熔體溫度處理工藝效果的 踮詣騷 上海交通大學(xué)頸士學(xué)位論文王榮 影響。 2 4 冷卻速度對于熔體溫度處理效果的影響 冷卻速度是影響合金凝固組織的重要因素之一。經(jīng)過熔體溫度處理的亞共晶 鋁硅合金由于強烈的物理混合作用導(dǎo)致合金凝固前熔體處于非穩(wěn)態(tài)。不同的冷卻 速度會對其凝固后的組織產(chǎn)生一定影響，非穩(wěn)態(tài)的組織會在一定條件下被保留下 來。因此，我們進行了a 3 1 9 合金經(jīng)過相同溫度處理過程( 高溫熔體8 5 0 ，低 溫熔體6 3 0 ) 之后，以不同冷卻速度冷卻后形成組織的金相觀察試驗。 圖2 - 8 是在不同冷卻速度下，a 3 1 9 合金熔體溫度處理以后凝固組織的金相照 片 圖2 - 9 是在不同冷卻速度下，a 3 1 9 合金沒有經(jīng)過熔體溫度處理的凝固金相組 織。 冷卻速度為0 6 e s 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文王榮 b 冷卻速度為2 4 e s c 冷卻速度8 5 k s 圖2 8 經(jīng)過熔體溫度處理后的試樣金相組織 f i g2 - 8s a m p l e so f d i f f e t e mc o o l i n gr a t ew i t hm t t 2 6 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文王榮 t 冷卻速度0 6 x l s b 冷鉀速度為2 4 1 1 s ” 上海交通大學(xué)頑士學(xué)位論文王榮 c 冷卻速度3 5 x s 圖2 - 9 沒有經(jīng)過熔體溫度處理的試樣金相組織三璺! 磐 f i g2 - 9 p l 鷦o f 擊t y e r e n tc o o l i n gr a t ew i t h o 啦m t t 圖中白色相為初生舡a l 相，共晶s i 為針片狀，其中還有其他晶間化合物相 從圈中的組織來看，一次枝晶尺寸和二次枝晶臂尺寸隨冷卻速度的增加而顯著減 小，在相同的冷卻速度條件下，經(jīng)過溫度處理的試樣和沒有經(jīng)過溫度處理的試樣 最大區(qū)別在于共晶硅相的分布不同，其中經(jīng)過溫度處理后，試樣共晶硅相的尺寸 明顯小于沒有經(jīng)過溫度處理的試樣，并且晶間化合物相的大小和形貌也發(fā)生了變 化。這些析出相的尺寸取決于冷卻速度的大小，試樣冷卻速度越小，這種不同越 明顯；反之，這種不同則越不明顯。 從圖中的初生a - a 1 相組織來看，經(jīng)過熔體溫度處理的試樣，其一次枝晶譬 尺寸較小，而沒有經(jīng)過熔體溫度處理的試樣則一次枝晶臂明顯較長。這再次說明 熔體溫度處理工藝有抑制樹枝晶生長的作用。 2 5 混合熔體停留時間對熔體溫度處理效果的影響 一般的細化處理工藝與對過共晶鋁硅合金熔體溫度處理工藝的研究均表 明，細化處理工藝具有一定的時效性。為此我們對亞共晶鋁硅合金的熔體溫度處 理工藝的時效性也進行了研究。 以下的抗拉強度停留時間曲線是由亞共晶鋁硅合金a 3 1 9 經(jīng)過熔體溫度 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文王榮 處理( 高溫熔體溫度8 5 0 ，低溫熔體溫度6 3 0 c ) ，混合熔體經(jīng)過不同停留時間 后在相同的試樣模具中澆鑄的鑄件，經(jīng)拉伸試驗后的結(jié)果。 ob m p a 2 2 0 2 1 0 2 0 0 1 9 0 1 8 0 1 7 0 廠 l 一 0 s2 0 s4 0 s6 0 s 8 0 s1 0 0 s1 2 0 s h o l d i n g t i m e ( s ) 圖2 一1 0 不同停留時間經(jīng)過熔體溫度處理以后鑄件的抗拉強度 f i g2 1 0s a m p l e si nd i f f h e n th o l d i n gt i m ew i l hm t f 由圖2 一l o 可以看到，經(jīng)過熔體溫度處理以后，鑄件的抗拉強度呈現(xiàn)出先變 大，后變小的趨勢。我們認為高低溫熔體混合之后，熔體中存在多個因素對其性 能產(chǎn)生影響而導(dǎo)致如圖的抗拉強度變化趨勢。首先，由于高溫熔體還不能及時滲 入到低溫熔體組織當(dāng)中致使高低溫熔體混合后熔體內(nèi)區(qū)域溫度場分布極為不均 勻，需要靜置一段時間才能夠達到熔體內(nèi)溫度均勻。另外，機械混合是一個十分 強烈的物理遷移過程，混合過程中會有強烈的卷氣作用，而卷入的氣體需要靜置 一段時間才能夠排出。這兩個因素要求在熔體混合后需要停留一定時間再澆鑄。 而熔體溫度處理工藝細化效果本身隨時問的延續(xù)將逐漸減弱，混合后的熔體放置 時間太長其作用就會消失，所以不宜停留過長時間。在上述因素的交互作用下， 試驗試樣的力學(xué)性能呈現(xiàn)出如圖的尖峰狀分布。其峰值為停留時間6 0 秒。也就 是說，經(jīng)過熔體溫度處理之后的亞共晶鋁硅合金熔體停留6 0 秒之后澆鑄，得到 的試樣力學(xué)性能最好。 上海交通大學(xué)磺士學(xué)位論文王榮 2 6 本章小磚 通過初步研究亞共晶鋁硅合金的熔體溫度處理工藝直接細化效果，并對影響 熔體溫度處理細化效果的幾個工藝參數(shù)進行研究之后，我們可以得到以下結(jié)論： 1 熔體溫度處理工藝對亞共晶鋁硅合金凝固組織中初生a - j 相晶粒形貌有 良好的改善作用。 2 若高溫熔體溫度確定，在保證低溫熔體宏觀均一性和流動性的前提下， 采用較低的低溫熔體溫度有利于增強熔體溫度處理工藝的細化效果。 3 若低溫熔體溫度確定，則高溫熔體溫度越高，所得熔體溫度處理后試樣 的抗拉強度越高，但過高的高溫熔體溫度會導(dǎo)致高溫熔體的強烈氧化，致使熔體 中氧化夾雜增多并且增加能耗。所以在實際運用中，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)母邷厝垠w溫度。 4 加快冷卻速度，能夠促進晶粒細化。在較小冷卻速度下經(jīng)熔體溫度處理 的熔體中析出的共晶s i 相尺寸較小。冷卻速度越大，這種趨勢越弱同時在較 大冷卻速度下，熔體溫度處理工藝對一次枝晶的抑制作用較強。 5 熔體溫度處理具有時效性，通過選擇適當(dāng)?shù)娜垠w混合后停留時間，可以 控制熔體溫度處理的效果，起到增強試樣力學(xué)性能的作用。 上海交通大學(xué)頓士學(xué)位論文王榮 第三章低溫熔體獲得方式對熔體溫度處理效果的影響 由于熔體溫度處理所得鑄件是由低溫熔體和高溫熔體混合后澆鑄而成的，所 以商低溫熔體的狀態(tài)必然會對混熔后組織的性能起到?jīng)Q定性的影響高溫熔體由 于溫度遠遠高于熔點，其性質(zhì)為標準的液態(tài)金屬，熔體內(nèi)長程有序的原子團簇數(shù) 量很少，所以高溫附近的溫差變化對熔體的性質(zhì)不會帶來大的影響。而低溫熔體 由于溫度處于合金熔點附近，熔體內(nèi)影響溫度處理效果的有序分布原子團數(shù)量很 多，熔體內(nèi)部溫度和成分分布非常不均勻。并且溫度越低，這種現(xiàn)象越明顯。往 往溫度相差幾度的熔體，其性質(zhì)就大不相同 而即使相同溫度，使用不同手段得 到的熔體其性質(zhì)也會不同。因此我們認為低溫熔體的性質(zhì)對亞共晶鋁硅合金熔體 溫度處理工藝后的細化效果起著十分重要的作用。低溫熔體預(yù)結(jié)晶狀態(tài)的不同必 然對金屬的形核、生長及結(jié)晶后的組織和性能產(chǎn)生直接的影響。因此，本章擬通 過改變低溫熔體的獲得方式來研究低溫熔體結(jié)構(gòu)對熔體溫度處理后合金凝固組 織和力學(xué)性能的影響。 3 。1 試驗方法 3 1 1 試驗裝置 采用兩臺電阻爐( s g 2 - 7 5 。1 3 ) 作為高低溫熔體的熔化裝置。采用6 號或8 號石墨坩堝作為熔體容器。采用c 2 c l e 作為精煉劑。攪拌所用攪拌機為直流電動 攪拌機。澆鑄以后成型的拉伸試樣在液壓拉伸試驗機上進行拉伸試驗并通過 l e c o - i a 3 2 圖像分析儀分析凝固組織。 3 1 2 試驗過程 首先將a 3 1 9 鋁合金按照質(zhì)量比2 ：1 分別放入8 號坩堝和6 號坩堝中，升溫 到7 2 0 ( 2 熔化，熔化后保溫靜置2 0 分鐘，用0 7 w t 的六氯乙烷進行精煉，靜置 1 0 分鐘后將裝有高溫熔體的8 號坩堝轉(zhuǎn)入另一預(yù)熱到8 5 0 的電阻爐進行升溫， 原熔化爐則降溫到預(yù)先確定的低溫溫度，各自達到預(yù)期溫度后保溫2 0 分鐘根 據(jù)實驗需要將攪拌器葉片伸入低溫爐中的低溫熔體中進行攪拌，時間為3 0 秒 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文王榮 之后迅速將高溫熔體從高溫爐中取出，澆入低溫熔體中成混合熔體，測量混合熔 體溫度，保證在7 2 0 2 0 區(qū)間內(nèi)。然后將混合熔體迅速從爐內(nèi)取出，澆注到 預(yù)熱至2 5 0 ( 2 的金屬模中成拉伸試樣。 最后，將試樣從模內(nèi)取出，處理試樣，在液壓拉伸試驗機上進行拉伸試驗， 記錄拉伸強度，并通過l e c 0 - i a 3 2 圖像分析儀分析凝固組織。試驗流程圖如下： 3 1 | 試驗條件參數(shù) 圖3 - l 低溫熔體狀態(tài)試驗的工藝過程 f j g3 - 1t h ep m c e o f t h e “p e f i m e m 為了考察不同低溫熔體的狀態(tài)對熔體溫度處理細化效果的影響。我們選取了 a 3 1 9 合金的三個不同狀態(tài)進行試驗。試驗所用a 3 1 9 合金的熔點為6 0 5 8 ，其 硅含量為6 1 6 我們選擇了6 3 0 、6 0 0 、5 7 0 ( 2 三個溫度狀態(tài)，可以根據(jù)如 下圖的棚一s i 二元合金相圖來確定這三種不同溫度對應(yīng)的不同低溫熔體狀態(tài)。 限 y 糾 l ；胡2 5 汀7 c 旭6 毛 口( a i ) + si i l o 2 ( 3 0 4 05 06 0 6 1 覦 一重量s l 困3 - 2a l - $ i 二元合金相躅( 亞其晶部分) f i 9 3 - 2 p h a s ed i a 鯽o f a l - s i a l l o y 根據(jù)相圖，當(dāng)合金低溫熔體處于6 3 0 時，所有合金熔體均處于液態(tài)，此時 沒有圃相成分析出。當(dāng)?shù)蜏厝垠w處于6 0 0 度時，熔體呈半固態(tài)，由已經(jīng)析