快速凝固過共晶鋁硅合金的微觀組織特征及耐磨性研究 - 圖文-

1、第30卷第2期摩擦學(xué)學(xué)報V o.l30N o.2 2010年3月T ri b ology M ar.,2010快速凝固過共晶鋁硅合金的微觀組織特征及耐磨性研究李繼文1,2*,王愛琴1,謝敬佩1,王文焱1,李洛利1,魏世忠1,2(1.河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,河南洛陽471003;2.河南省耐磨材料工程技術(shù)研究中心,河南洛陽471003摘要:利用單輥旋淬快速凝固法制備A l-21S i和A l-30S i過共晶鋁硅合金,采用掃描電鏡、透射電鏡及XRD技術(shù)對所制備合金的組織形貌和相結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征.結(jié)果表明:快速凝固合金形成微納米晶組織,晶粒明顯細(xì)化.A l-21Si過共晶合金凝固組織由羽毛針狀

2、(A-A l+B-S i共晶體和雪花狀A(yù)-A l相組成;快速凝固有效抑制初生硅相的形核與生長,A-A l相領(lǐng)先共晶形核生長,形成微納米級亞共晶組織.A l-30S i高硅過共晶合金初生硅相細(xì)小鈍化,初晶Si相顯微結(jié)構(gòu)為孿晶形貌,呈典型的過共晶組織特征.快速凝固顯著提高了合金的顯微度和耐磨性,快速凝固A l-21S i合金的耐磨性是傳統(tǒng)鑄造合金的5倍.關(guān)鍵詞:快速凝固;過共晶鋁硅合金;微觀組織;微納米晶;耐磨性中圖分類號:TH117.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號:1004-0595(201002-0111-07M icrostructure andW ear Resist ance of Rapi

3、dlySolidified Hypereutectic A l-Si A ll oysLI Ji-w en1,2*,WANG A i-qin1,X IE Jing-pei1,WANG W en-yan1,LI Luo-li1,W E I Sh i-zhong1,2(1.Co llege of M a ter.Sci.&Eng.H enan Uni versity of Science and T echno logy,Luoyang471003,China2.H enan Engineering Research C enter for W ear R esist anceM ater

4、ials,Luoyang471003,ChinaA bstrac t:R ap i dly so li dified hypereutectic A l-21Si and A l-30Si a ll oys w ere prepared by a si ng l e roller m e lt-sp i nn i ngtechnique.T he m i crostructure and phases of t he a lloys w ere character i zed usi ng scann i ng electron m i croscopy(SE M, trans m i ssi

5、 on electron m i c roscopy(TE Mand X-ray diffracti on(XRD.F i ne g ra i ns w ith a m icro-nano co m pos ite m i crostructure w ere obta i ned by rap i d so li dificati on.T he m icrostructures o f the A l-21Si all oys we re character i zed by pr i m a ry m icro-nanostruc t ured A-A l phase and feat

6、her-needle-li ke A-A l+B-S i eutectic.T he nuc l eation and g row th o f pri m ary silicon w ere e ffecti ve ly i nhibited.A-A l phase had a h i gher prior it y to nuc late and grow t han eutecti c A+S i phase.The hypereutec tic A l-21S i a lloy sho w ed t he hypoeutec tic m icro structure.The pri m

7、 ary S i phases i n A l-30S i a lloy w ere fi ne t w i ns.And t h is m icrostructures w ere a typ i ca l hypereu tecti c m icrostruct ure.M icrohardness and w ea r resistance (.i e.5ti m es as h i gh as tha t of trad iti onal casting all oysof a ll oys w ere g rea tl y i m proved by rap i d l y soli

8、 d ifi cation.K ey word s:rapid soli d ifi cation,hypereutecti c A l-S i a ll oy s,m i crostructure,m icro-nanocrystalline,w ear resistance過共晶鋁硅合金具有高耐磨性和低熱膨脹系數(shù),是制造熱活塞和發(fā)動機(jī)缸體襯套等精密耐磨部件的優(yōu)質(zhì)材料1-2.在普通鑄造條件下,由于冷卻速度慢,粗大初生硅相的析出破壞了基體的連續(xù)性,顯R ece i ved20A pril2009,rev ised28O ctober2009,accepted10January2010,avai

9、l able onli ne28M a rch2010. *Correspond i ng author.T e.l:+86-379-64231269,E-m ai:l lj wzq著降低了合金的強(qiáng)度和韌性.對鋁合金熔體進(jìn)行變質(zhì)處理和過熱處理可以改善初生硅相形貌、細(xì)化初生硅,但當(dāng)硅含量太高超過20%(質(zhì)量百分比時,變質(zhì)處理和過熱處理已無法從根本上消除硅相的不利影響3-5.采用快速凝固技術(shù)可以細(xì)化組織,得到微納米晶復(fù)合結(jié)構(gòu),提高合金的強(qiáng)度和塑性6-7.最新的研究表明:與單獨(dú)的非晶或晶相組織比較,具有微納米晶、納米晶或樹枝晶/非晶雙相結(jié)構(gòu)的金屬材料具有非常突出的力學(xué)性能,尤其是塑性8-10.冷卻速

10、度對過共晶鋁硅合金凝固組織形態(tài)和性能影響較大,分析快速凝固對合金組織形態(tài)的作用機(jī)理,對指導(dǎo)實際生產(chǎn)具有重要意義.本文以A l-21Si 和A l -30S i 合金為研究對象,采用SE M 、TE M 和XRD 技術(shù),研究了合金快速凝固的組織特征及其對耐磨性的影響.1 實驗部分采用A l-0.3%T i 電解低鈦鋁合金、99%的多晶硅、純M g 、A l-49%Cu 合金、A l-10%M n 合金,在氬氣保護(hù)下真空熔煉得到A l-21S i 和A l-30S i 鑄態(tài)鋁硅合金,試驗合金化學(xué)成分見表1.快速凝固條帶在表1 試驗合金成分Tab le 1 The che m ical co mpo

11、sition of the alloys%(w /w A ll oy S i M g Cu M n T i A l A l-21S i 21.000.80 1.500.600.20Ba.l A l-30S i30.000.801.500.500.19Ba.l單輥旋轉(zhuǎn)甩帶機(jī)上制備,氬氣壓力0.06MPa ,輥輪直徑400mm,轉(zhuǎn)速1600r /m i n .薄帶厚度2030L m,寬度510L m .微觀組織采用JS M -5610LV 掃描電鏡、H -800型透射電鏡(TE M 進(jìn)行檢測,用XRD 技術(shù)分析相組成和晶格常數(shù)變化規(guī)律.顯微硬度在MH -3顯微硬度計上進(jìn)行,載荷50kg ,保荷時間

12、10s .室溫潤滑磨損試驗在MM -200磨損試驗機(jī)上進(jìn)行.試驗采用盤塊對摩方法,摩擦副40C r 鋼.試驗條件:室溫,變載荷30、50N,圓盤轉(zhuǎn)速200r/m in ,以1114滴/m in 的速度滴注20#機(jī)油潤滑.試樣先預(yù)磨5m i n ,設(shè)定測試磨損時間為15和30m in ,每次磨損完畢用丙酮清洗試樣,電吹風(fēng)烘干,采用BS210S 型萬分之一電光分析天平測量磨損失重.2 結(jié)果與討論2.1 A l-21Si 過共晶合金快速凝固組織圖1是A l-21S i 合金快速凝固后微觀組織形貌SE M 照片.可以看出:快速凝固后的組織形貌與傳統(tǒng)凝固組織相比,不僅晶粒尺寸顯著細(xì)化,而且組織形貌也發(fā)生

13、了徹底變化,合金組織特征表現(xiàn)為大量細(xì)小雪花狀等軸枝晶,呈典型的亞共晶組織特征,晶粒主要生長方向上的長度僅為1L m 左右,二次臂間距為100200nm,分布均勻.圖2示出了快速凝固A l-21Si 試驗合金組織透射電鏡(TE M 照片及對應(yīng)選區(qū)電子衍射花樣.明場像表明合金的相結(jié)構(gòu)為等軸晶和羽毛針列狀共晶體組成.等軸晶的相結(jié)構(gòu)為納米級,對應(yīng)的電子衍射花樣標(biāo)定為A -A l 相.羽毛針列狀共晶體的局部放大TE M 形貌及衍射花樣如圖3所示,標(biāo)定結(jié)果為(A +Si共晶體,共晶硅結(jié)構(gòu)細(xì)小,衍射結(jié)果為光滑連續(xù)的環(huán),具有明顯的多晶特征.與傳統(tǒng)凝固過共晶鋁硅合金組織相比,快速凝固組織形貌發(fā)生了明顯變化,組織

14、中無塊狀初生S i 相.分析認(rèn)為在快速凝固條件下,合金凝固冷卻速度高達(dá)106e /s , 使得初112摩 擦 學(xué) 學(xué) 報第30卷 生硅的擴(kuò)散、形核和生長受到抑制,致使A -A l 相作為領(lǐng)先相形核生長,組織呈典型的亞共晶組織特征.同時,高的冷卻速度使共晶組織得到有效的細(xì)化,形成羽毛針列狀共晶組織.A l-21Si 合金快速凝固后形成微納米基內(nèi)生等軸枝晶的復(fù)合組織.快速凝固A l-21S i 合金的X 射線衍射分析結(jié)果如圖4所示.可以看出,XRD 譜圖上除了明顯的衍射峰外,還有一些標(biāo)志非晶特征的微小漫散射峰.經(jīng)分析標(biāo)定,這些衍射尖峰由左至右分別很好地對應(yīng)于(111A 、(220A 、(111B

15、、(220B 、(311A 和(222A .A -A l 相的衍射峰較強(qiáng),2個B -Si 相的衍射峰較弱.表明高的冷卻速度使硅元素過飽和固溶于A -A l 固溶體中,初生硅相的形核和生成受到抑制,A l-21S i 合金快速凝固得到亞共晶組織. 根據(jù)XRD 測定的A -A l 相衍射角偏移量計算F i g .4 XRD pa tterns of t he A l-21S i a lloys 圖4 A l-21S i 合金的X 射線衍射圖A l-21S i 合金中A -A l 對應(yīng)的晶格常數(shù),其值為014018nm,小于A l-0.2T i 合金快速凝固時晶格常數(shù)為0.4045n m 11-12

16、.晶格常數(shù)的減小緣于A -A l113第2期李繼文,等:快速凝固過共晶鋁硅合金的微觀組織特征及耐磨性研究固溶體晶格畸變和過飽和固溶體的形成.合金凝固時,高的冷卻速度使晶體空位及合金元素固溶度增加,冷卻速度越高,畸變量越大,凝固結(jié)晶最終引起晶格收縮,晶格常數(shù)減小.2.2 A l-30Si 過共晶合金快速凝固組織圖5示出了傳統(tǒng)凝固和快速凝固A l-30S i 合金的微觀組織.與A l-21S i 合金明顯不同,快速凝固A l-30S i 合金表現(xiàn)出典型的過共晶組織特征.與傳統(tǒng)凝固組織相比,快速凝固高硅鋁合金硅相的形態(tài)、尺寸和分布都得到了明顯的改善.初晶S i 相以及A -A l 枝晶明顯細(xì)化,Si

17、 相棱角鈍化,A -A l 晶界輪廓清晰,塊狀的初晶S i 相尺寸小于5L m,均勻分布在基體之中.快速凝固使合金熔體具有更高的冷卻速度和更大的過冷度,合金熔體在凝固過程中萌生出更多的初生S i 晶核,生長時間很短,合金的微觀組織得到顯著細(xì)化.圖6示出了快速凝固A l-30Si 合金透射電鏡(TE M 明場像形貌及衍射花樣.與A l-21S i 合金相比,組織中存在明顯的塊狀初晶S i 相,且衍射斑點(diǎn)表現(xiàn)為孿晶特征.從圖中可以看出衍射斑點(diǎn)沿孿晶面構(gòu)成鏡面對稱位向關(guān)系.共晶S i 呈粒狀,均勻分布在基體之中 .圖7為快速凝固A l-30S i 試驗合金的XRD 衍射圖譜.圖譜結(jié)果表明A l-30

18、S i 的衍射峰主要由A -A l 和S i 相的衍射峰組成,另外還存在一些微小的散漫峰.與快速凝固A l-21S i 合金相比,快速凝固A l-30S i 合金XRD 譜圖上出現(xiàn)的B -Si 衍射峰強(qiáng)度相對增加,這說明A l-30S i 在快速凝固條件下組織中有更多、更明顯的Si 相存在,進(jìn)一步表明快速凝固組織中具有初晶S i 相.快速凝固A l-30Si 合金形成了初生S i 加顆粒狀共晶S i 均勻分布于基體的復(fù)合組織中.2.3 快速凝固合金的顯微硬度及耐磨性傳統(tǒng)凝固和快速凝固條件下A l-21S i 和A l-30Si 合金的顯微硬度見表2.由表可以看出,快速凝固明顯提高合金顯微硬度.

19、結(jié)合前文分析,導(dǎo)致這一結(jié)果的主要原因:一是快速凝固使基體發(fā)生過飽和,晶格嚴(yán)重畸變,顯微組織大量高密度位錯形成,組織內(nèi)部產(chǎn)生晶格錯配強(qiáng)化和位錯強(qiáng)化;二是在快速凝固使晶粒細(xì)化,組織發(fā)生細(xì)晶強(qiáng)化.傳統(tǒng)凝固和快速凝固條件下A l-21S i 和A l-30S i 合金在室溫潤滑條件下的磨損結(jié)果見表3.對比磨損試驗結(jié)果可知,A l-21S i 和A l-30S i 合金快速凝固后的耐磨性約為傳統(tǒng)金屬型的45倍.隨著S i 含量的增加,快速凝固高硅鋁合金的磨損失重減小,耐磨性提高,快速凝固A l-30S i 合金的耐磨性約為快速凝固A l-21S i 多元合金的1.7倍.不同條件下制備的過共晶硅鋁合金的磨

20、損形貌如圖8所示.常態(tài)凝固條件下的A l-21Si 和A l-30S i 合金,磨損表面除了犁溝磨痕外,還出現(xiàn)一些初生硅相在反復(fù)摩擦過程中斷裂而發(fā)生剝落所形成的剝落坑,剝落坑呈長條狀,尺寸較大,磨損機(jī)制呈典型的犁溝顯微切削和疲勞剝落磨損機(jī)制.快速凝固制備合金的磨損表面上只觀察到犁溝磨痕,未觀察到剝落坑,磨損面更加平整,犁溝磨痕深度淺、寬度小;磨損表面由輕微的光滑承載面和犁溝相間存在,相鄰犁溝之間有金屬經(jīng)反復(fù)塑性變形和碾壓而形成的流變產(chǎn)物,表明快速凝固合金的磨損機(jī)制為磨粒磨損和塑性變形磨損.114摩 擦 學(xué) 學(xué) 報第30卷F i g.7XRD pattern for t he rap i dly

21、 so lidifi ed A l-30Si a lloy圖7快速凝固A l-30S i合金XRD譜圖表2過共晶硅鋁合金的顯微硬度Table2M i croharndess of th e hyp ereu tectic A l-S i a lloysA ll oyM icroharnd ess,HVTrad i ti on al soli d ification Rap i d soli d ificati onA l-21S i128.24166.48A l-30S i183.46275.06結(jié)合圖1和圖5,常態(tài)凝固條件下過共晶鋁硅合金組織由形狀不規(guī)則的板塊狀初晶S i相、纖維狀的共晶Si

22、及基體組成.板塊狀初晶Si對合金基體產(chǎn)生嚴(yán)重的割裂作用,在集中應(yīng)力作用下Si相容易斷裂脫落,產(chǎn)生剝落磨損;而且基體強(qiáng)度和硬度較低,磨粒磨損犁溝寬而深,故合金的耐磨性能相對較低,磨損機(jī)制為犁溝顯微切削和疲勞剝落13-14.快速凝固A l-21Si合金組織為亞共晶組織,硅一部分固溶于A-A l相中,一部分以微納米級顆粒狀或針列狀存在于共晶體中,組織致密,晶粒細(xì)小達(dá)到微納米級.共晶硅是硬質(zhì)點(diǎn)相,它的存在增加了鋁合金軟基體的承載能力,提高了基體的整體硬度和抗磨能力.磨損過程中難以形成硅相脫落,磨損機(jī)理發(fā)生改變,由犁溝顯微切削和疲勞剝落轉(zhuǎn)變?yōu)槟チＤp,耐磨性顯著提高.同時,在摩擦過程中過飽和A固溶體可以

23、脫溶大量的硅相,進(jìn)一步提高合金的耐磨性.快速凝固A l-30S i合金的微觀組織為微小的顆粒狀或塊狀的初晶S i相彌散分布于粒狀的共晶組織基體上,初晶Si相顆粒尺寸小于5L m,與基體結(jié)合牢固,對基體的割裂作用減弱,形成韌性好、強(qiáng)度高的基體上分布著硬質(zhì)點(diǎn)相的理想的抗磨組織.初晶硅顆粒阻礙了鋁基體與摩擦副的直接接觸,有利于潤115第2期李繼文,等:快速凝固過共晶鋁硅合金的微觀組織特征及耐磨性研究 116 摩 擦 學(xué) 學(xué) 報 第 30 卷 表 3 過共晶硅鋁合金的磨損結(jié)果 Tab le 3 W ear m ass of the hyp ereutectic A l- S i a lloys A l

24、loy A l- 21S i ( trad itional sol id ificat ion A l- 21S i ( rap id solid ification A l- 30S i ( trad itional sol id ificat ion A l- 30S i ( rap id solid ification W ear m ass /m g 30 N, 15 m in 3. 00 0. 60 1. 65 0. 35 30 N, 30 m in 3 . 10 0 . 70 1 . 72 0 . 40 50 N, 15 m in 3. 15 0. 75 1. 77 0. 45 5

25、0 N, 30 m in 3 . 30 0 . 90 2 . 08 0 . 60 滑油的進(jìn)入 , 提高合金的抗磨性能. 由此可知 , 過共晶鋁硅合金的微觀組織中硅相 尺寸和形狀對合金的耐磨性和磨損機(jī)制產(chǎn)生很大的 影響. 常規(guī)金屬型鑄造 , 長條狀初生硅相導(dǎo)致合金以 大塊剝落的機(jī)制而產(chǎn)生磨損 , 磨損大 , 耐磨性相對 較低. 快速凝固高硅鋁合金的組織為細(xì)小的顆粒狀 硅分布于基體中, 形成了韌性好、 強(qiáng)度高的基體上 分布著硬的質(zhì)點(diǎn)相的理想的抗磨組織, 使快速凝固 高硅鋁合金具有優(yōu)良的耐磨性 . A l相、 B- S i相和 ( A+ B 共晶組織競爭選擇 . A l21S i合金快速凝固組織中硅

26、相的形核與生長受到抑 制, 初生硅不能析出 , A- A l相領(lǐng)先共晶形核生長, S i相部分過飽和固溶于 A- A l基體中, 形成微納米 級亞共晶組織 . b . A l- 30Si合金快速凝固后形成初生相為硅 相的過共晶組織, 硅相細(xì)小、 鈍化, TEM 顯微結(jié)構(gòu)表 現(xiàn)為孿晶特征 , 共晶體呈顆粒狀, 并且均勻分布在基 體中 . c . 快速凝固顯著提高過共晶鋁硅合金的耐磨 性, 其磨損機(jī)制為磨粒磨損和塑性變形磨損 . 快速凝 3 結(jié)論 a . 快速凝固 A l- S i系合金組織中存在著 A- 固 A l- 21Si多元合金的耐磨性約 為金屬型鑄造合 第 2期 李繼文 , 等 : 快速

27、凝固過共晶鋁硅合金的微觀組織特征及耐磨性研究 7 117 金的 5 倍. 在快速凝固條件下, 隨著硅含量的提高 , 合金的耐磨性提高, 快速凝固條件下 A l- 30Si合金 的耐磨性約為 A l- 21Si合金的 1. 7 倍. Yu J , Y ao J P, L i J . A review on the research p rogress of high S i - A l alloys by rap id solidif icat ion /powd er m etallurg ical technology J . H eat T reat m en t Techno logy

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