（材料加工工程專業(yè)論文）近共晶鑄造alsi合金共晶凝固過程的研究.pdf

中文摘要 摘要 本文綜述了鑄造一s i 合金的枝晶細(xì)化機理、共晶s j 變質(zhì)機理及s i 合金共晶凝固模式的研 究進(jìn)展。借助組織觀察、液淬和熱分析等考察了不銹鋼杯鑄型( 2 k s ) 和金屬鑄型( 1 0 k s ) 凝同條件 下b 、p 、m m 與s r 的加入對近共晶鑄造a l - 1 3 0 m a s s s i 合金組織形貌及共晶凝固過程的影響。 主要的研究結(jié)果如下： 基本合金、加b 合金、加p 合金和s r 變質(zhì)合金的組織觀察與t a 分析結(jié)果表明，共晶體的形 核與生長可能分為兩個過程，即，粗大共晶體( 類枝晶a a l + 粗片狀s i ) 和細(xì)小共晶體( 共晶s i 呈 細(xì)片狀) 的形成。首先是以初生s i 相為中心的粗人共晶體在較高溫度f 形核，以離異共晶形式生長， 幾乎不需要過冷。然后是細(xì)小共晶體在較低溫度下形核、以共品兩相耦合的方式生長，需要較大的 過冷。不銹鋼杯鑄型條件下的基本合金的凝崩過程是由過冷度控制的，凝固起源于型壁附近一定區(qū) 域內(nèi)的晶體的形核與生長，并逐漸向試樣中心推移。 b 的加入為共晶體的形核提供了大量形核基底，致使共晶顯著形核溫度( t i ) 和再輝前最低溫 度( t - ) 大幅升高，對共品生長溫度( t o ) 影響很小。b 的加入為初晶s i 提供了形核核心從而導(dǎo)致 粗大共晶體在整個試樣截面內(nèi)均勻分布，而t i 的大幅升高使得細(xì)小共晶體可以在更高的溫度下形核 從而使粗大共晶體的生長空間受限，因此粗大共晶體隨著b 含量的增加而減少而細(xì)小共晶體大大 細(xì)化。b 的加入對a l 一1 3 0 s i 合金的凝同過程產(chǎn)生了顯著影響，使合金由朱加b 時的起源于型壁附 近一定區(qū)域內(nèi)的晶體的形核與生長并逐漸向試樣中- f i , 推移的凝固模式轉(zhuǎn)變?yōu)榧觔 后在整個試樣范圍 內(nèi)同時大量形核和生長的凝固模式。 熱速處理能夠使熔體中未熔的s i 顆粒及潛在的形核核心分布更為均勻，從而在凝固過程中細(xì) 化了組織。對b 含量較高的合金這種作用并不顯著。 單獨加p 后，合金的t i 、1 m 及t j 都有小幅上升，合金的形核和生長還是以從近型壁區(qū)逐漸 向試樣中心進(jìn)行為主，受過冷度控制，但液相區(qū)出現(xiàn)了一些獨立形核區(qū)，預(yù)示著p 的加入能夠為共 晶體的形核提供形核核心，使其在試樣中部獨立形核，但作用效果遠(yuǎn)不如b 。p 作為初晶s i 相有效 的形核核心，使初生s i 相、粗大共品體和細(xì)小共晶體在試樣中的分布更加均勻。但是液相中存在的 a l p 卻可以成為共晶s j 相的形核提供核心，從而使細(xì)小共晶體在較高的溫度下形核和生長而使共晶 s i 片粗化。 在s r 變質(zhì)的基礎(chǔ)上加入p 元素后并沒有改善共晶體的形核條件，對s r 的變質(zhì)狀況也沒有明 顯的削弱。p 的加入并朱改變了s r 變質(zhì)合金的共晶凝同模式，仍然是從近型壁區(qū)向試樣中心區(qū)進(jìn)行 推移。先加s r 還是先加p 對合金的凝崩模式影響不人。 m m 的加入使s r 變質(zhì)一s i 合金t g 、t n 先人幅下降后上升，至v i m 含量l j 暢時。1 b 、1 n 和 單純s r 變質(zhì)合金的相當(dāng)。少量m m 的加入對s r 變質(zhì)合金的凝向模式影響不人，共品凝同仍然嚴(yán)格 從近型擘區(qū)至試樣中心進(jìn)行，試樣中部區(qū)域沒有獨立的共品形核區(qū)。m m 的人量加入改變了s r 變質(zhì) a j s j 合金的凝| i l i l 方式，使其由嚴(yán)格的從近型壁區(qū)逐漸向試樣中心的凝固逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樵谠嚇又行囊泊?在獨立形核的方式。 關(guān)鍵詞：a 1 - s i 合金，組織，凝固，共晶，形核，生長 英文摘要 d e v e l o p m e n to nm e c h a n i s m so fr e f m e m e n to fa - a id e n d r i t e sa n dm o d i f i c a t i o no fe u t e c t i cs i l i c o n ， a n de u t e c t i cs o l i d i f i c a t i o nm o d ei na i s ic a s t i n ga l l o y sw e r er e v i e w e d i nt h ep r e s e n tp a p e r , i n f l u e n c eo f a d d i t i o n so fb ，p s ra n dm mo nt h em i c r o s t r u c t u r ea n de u t e c t i cs o l i d i f i c a t i o nm o d eo fn e a r - e u t e c t i c a l 一1 3 0 s ia l l o y su n d e rd i f f e r e n tc o o l i n gr a t e so f2 k s ( c a s ti nat a p e r e ds t a i n l e s ss t e e lm o l d ) a n d1 0 k s ( i n ac y l i n d e rm e t a lm o l d ) h a sb e e ni n v e s t i g a t e db ym i c r o s t m c t t t r eo b s e r v a t i o n ，t h e r m a l a n a l y s i sa n d q u e n c h i n gt e c h n i q u e ，e t c r e s u l t sa r es h o w na st h ef o l l o w i n g m i c r o s t r u c t u r eo b s e r v a t i o no ff u l l ys o l i d i f i e da n dq u e n c h e ds a m p l e sa n dt h e r m a la n a l y s i so nb a s i c ， b - a d d i n g ，p a d d i n ga n ds r - c o n t a i n i n ga l l o y sc o n s t r u c tan e wh y p o t h e s i s ：t h e r ea r et w om o d e so fn u c l e a t i o n a n dg r o w t ho fe u t e c t i ci nn e a r - e u t e c t i ca 1 一s ia l l o y s ，n a m e l ys u c c e s s i v ef o r m a t i o n so f c o a r s ee u t e c t i c a n d f i n ee u t e c t i c t h ef o r m e ri sc o n s t i t u t e do fd e n d r i t e 1 i k ee u t e c t i cm a ip h a s ea n dc o a r s ee u t e c t i cs ip h a s e a n di nt h el a t e r , e u t e c t i cs i p h a s ep r e s e n t sa sf i n ef l a k e s a tat e m p e r a t u r ea b o v et h ee q u i l i b r i u m t e m p e r a t u r eo fe u t e c t i cr e a c t i o ni na i s is y s t e m , t h ec o a r s ee u t e c t i cf i r s tn u c l e a t e so r i g i n a t i n gf r o mt h e p r e - f o r m e dp r i m a r ys ip a r t i c l e sa n dg r o w sw i t had i v o r c e dm o d e o fw h i c ht h ef o r m a t i o nh a r d l yr e q u i r e s u n d e r c o o l i n g a n dt h e n ，t h ef i n ee u t e c t i cn u c l e a t e sa tal o w e rt e m p e r a t u r ea n dc o u p l e d g r o w s ，r e q u i r i n ga l a r g e ru n d e r c o o l i n g s o l i d i f i c a t i o no ft h eb a s i ca l l o yi nt h et a p e r e dm o l di sc o n t r o l l e db yu n d e r c o o l i n go f t h em e l t , o r i g i n a t i n gf r o mp r o l i f i cn u c l e a t i o na n dg r o w t ho fe u t e c t l ci nal i m i t e dr e g i o nn e a rm o l dw a l l ，i n p r o g r e s st o w a r d st h ec e n t e ro fc a s t i n g a d d i t i o no fb o r o bi nt h eb a s i ca l l o yi n f f o d u c e sag r e a tn u m b e ro fn u c l e a t i o ns i t e sf o rt h ef i n ee u t e c t i c ， r e s u l t i n gi nar e m a r k a b l ei n c r e a s ei nt h en u c l e a t i o nt e m p e r a t u r e ，t n ，a n dt h em i n i m u mt e m p e r a t u r e ，t m ， a n dh o w e v e ra l m o s tn oc h a n g eo ft h eg r o w t ht e m p e r a t u r e ，t j a d d i n gba l s oa f f o r d ss i t e sf o rn u c l e a t i o no f t h ep r i m a r ys ip h a s e ，a n dh e n c e ，t h ec o a r s ee u t e c t i cu n i f o r m l yd i s t r i b u t e st h s o u g h o u tt h es e c t i o no f c a s t i n g h o w e v e r , n u c l e a t i o no ft h ef i n ee u t e c t i ca tah i g ht nl i m i t st h eg r o w t hs p a c eo ft h ec o a r s ee u t e c t i c s o 謝t h i n c r e a s ei ua d d i t i o no fb t h ea m o u n to ft h ec o a r s ee u t e c t i cd e c r e a s e sa n di h ef i n ee u t e c t i cb e c o m ef r e e r a d d i t i o no fbh a sa bi m p o r t a n ti n f i n a n c eo ne u t e c t i cs o l i d 垴c a t i o nm o d e c h a n g e di n t os i m u l i r u e o n s n u c l e a t i o na n dg r o w t ho f e u t e c l i ct h r o u i g h o u tt h e5 e c t i o no fc a s t i n g t h e r m a lr a t et r e a t m e n to nm e l tc a nc a t l $ et h eu n m e l t e ds i l i c o np a r t i c l e sa n do t h e rp o t e n t i a ln u c l e io f e u t e c t i cd i s t r i b u t em o r eu n i f o r m l y , c o n s e q u e n t l yr e f i n i n gt h em i c r o s t r u e t u r e t h i se f f e c ti su n c o n s p i c o o n s f o rt h ea l l o yc o n t a i n i n gah i g hbl e v e l s o l ea d d i t i o no fp h o s p h o r u si nt h ea l l o yl e a d st oas l i g h ti n c r e a s eo ft h et n ，t ma n dt g ，i n d i c a t i n g a d d i t i o no fpc a na f f o r ds o m es i t e sf o rn u c l e a t i o no ft h ef i n ee u t e c t i c ，o fw h i c ht h ee f f i c i e n c yi sf a rl e s st h a n t h a to fb 1 r b ef i n ee u t e c t i cn u c l e a t e sa n dg r o w sa tah i g h e rt e m p e r a t u r e c a u s i n gt h ee u t e c t i cs i l i c o nf l a k e s c o a r s e n i n g e u t e c t i cs o l i d i f i c a t i o nm o d ed o e sn o tc h a n g er a d i c a l l yb ya d d i t i o n o fp s t i l lc o n t r o l l e db y u n d e r c o o l i n g h o w e v e r , s o m en u c l e a t i o ne v e n t sh a v eo p e r a t e di nt h el i q u i df a rf r o ms o l i d i f i e ds o l i db e f o r e q u e n c h i n g d u et ot h ef a v o r a b l er o l eo fpo nn u c l e a t i o no fp r i m a r ys ip h a s e ，d i s t r i b u t i o no fp r i m a r ys i l i c o d p a r t i c l e s ，c o a r s ee u t e c t i ca n df i n ee u t e c t i ci su n i f o r m i nc a s e so fc o m b i n e da d d i t i o no fs ra n dp f i r s tp - a d d e do rf i r s ts r - a d d e d ，t h en u c l e a t i o nc o n d i t i o no f e u t e c t i c 。i sn o ti m p r o v e d ，c o m p a r e dw i t hs o l ea d d i t i o no fs t , a n dw e a k e n i n go fpo ns t - m o d i f i c a t i o ni sn o t o b v i o u s a d d i t i o no fpd o e sn o tc h a n g et h ee u t e c t i cs o l i d i f i c a t i o no fs r - m o d i f i e da l l o y , s t i l lo r i g i n a t i n g f r o mt h em o l dw a l lo ri t sa d j a c e n c ei np r o g r e s st o w a r d st h ec e n t e ro fc a s t i n g s e q u e n c eo fa d d i t i o no fph a s n oj n f l u e n c eo ne u t e c t i cs o l i d m c a t j o n a d d i t i o no fm m ( m i s c hm e t a l1i ns r - m o d i f i e da l l o yl e a d st oc o n s i d e r a b l ed e c r e a s et - t r s la n dt h e nr i s e i nt h et n ，t ma n dt 6 w h e n1 o o fm mi sa d d e di nt h es r - m o d i f i e da l l o y , t h et n ，t ma n dt gg e th a c kt h e 英文摘要 a p p r o x i m a t el e v e lo fs o l ea d d i t i o no fs t s m a l la d d i t i o no fm md o e sn o tc h a n g et h ee u t e c t i cs o l i d i f i c a t i o n o fs r - m o d i f i e da l l o y , m s l c a di nf a v o ro fm o d i f i c a t i o no fs t h o w e v e r , n u c l e io fe u t e c t i ci n t r o d u c e db ya g r e a td e a lo fa d d i t i o no fm mf a v o rm a n yn u c l e a t i o ne v e n t so p e r a t i n gi nt h ec e n t r a ll i q u i dz o n ea n dh e n c e s g h f l yc h a n g i n gt h ee u t e c f i cs o l i d i f i c a t i o nm o d e k e yw o r d s ：a i s ia l l o y , m i c g o s t m c t m e ，e u t e c t i c , s o f i d i f i c a t i o n , n u c l e a t i o n , 乎o w 山 n i 東南大學(xué)學(xué)位論文獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。 盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰 寫過的研究成果，也不包含為獲得東南大學(xué)或其它教育機構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材 料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均己在論文中作了明確的說明并表示 了謝意。 研究生簽名：日期： 東南大學(xué)學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 東南大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)信息研究所、國家圖書館有權(quán)保留本人所送交學(xué)位論文的復(fù)印 件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。本人電子文檔的內(nèi)容和 紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。除在保密期內(nèi)的保密論文外，允許論文被查閱和借閱，可以公 布( 包括刊登) 論文的全部或部分內(nèi)容。論文的公布( 包括刊登) 授權(quán)東南大學(xué)研究生 院辦理。 研究生簽名：導(dǎo)師簽名：日 期： 第一章緒論 1 1 引言 第一章緒論 作為一種較為傳統(tǒng)的金屬材料，鑄造鋁合金有著悠久的應(yīng)用歷史，由于其具有密度小、導(dǎo)熟性 好、易于成形等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運輸、輕f ：建材等部門，是輕合金中應(yīng)用最廣、 用量最大的合金，成為僅次于鋼鐵的第二大金屬材料，其種類繁多的鑄造方法也是其它合金無法比 擬的i 。 近年來，能源問題和環(huán)境問題日益突出，零件輕鼉化技術(shù)受到各國的重視，鋁、鎂等輕合金隨 之發(fā)展迅速1 4 j 。隨著現(xiàn)代f 業(yè)與鑄造新技術(shù)的飛速發(fā)展對鑄造鋁合金的需求將會越來越人，在制 作形狀復(fù)雜、比強度要求高的零件時廣泛采用鑄造鋁合金。在全球范圍內(nèi)鋁鑄什的產(chǎn)量從1 9 9 5 年的6 4 0 萬噸( 其中西方世界鋁鑄件的產(chǎn)量為5 6 0 萬噸) 增加2 n 1 9 9 9 年的7 9 0 萬噸，業(yè)界預(yù)計到2 0 1 4 年將提升至t j l 2 0 0 萬噸的水平。但實際上，鋁鑄件的增k 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人們的預(yù)測，如2 0 0 4 9 和2 0 0 5 年 世界的鍋鑄件產(chǎn)暈分別達(dá)到1 0 3 4 萬噸和1 1 7 2 萬噸( 含少量鎂臺金) 口，6 i 。 表1 1 1 7 1 顯示了1 9 9 5 年按照不同的應(yīng)用范圍所劃分的鋁鑄件產(chǎn)量，由圖可知，其中交通運輸業(yè)主 要是汽車工業(yè)為鋁鑄件的消耗大戶。從長遠(yuǎn)發(fā)展來看，汽車數(shù)量的增長與鋁鑄件的上升處于平行地 位。在世界范圍內(nèi)汽車工業(yè)正迅猛發(fā)展，歐美國家的汽車公司，如美國通用汽車公司、福特汽車 公司和德國人眾汽車公司、寶馬汽車公司等都在強化和開發(fā)鋁部件在汽車上的應(yīng)用，汽車輕量化的 要求極大推動著鋁鑄件的應(yīng)用，鋁合金鑄件在汽車零件中所占的比重將越來越大。同時，隨著鋁鑄 造技術(shù)的進(jìn)步，以及鑄造行業(yè)對e 機零部件的結(jié)構(gòu)和性能的了解更加深入鋁鑄件越來越多地應(yīng)用 于承受載荷的結(jié)構(gòu)零件的制造。鋁鑄件不僅在強度性能上可達(dá)到要求，并且可有效減少零件的數(shù)量 和重量，從而達(dá)到降低飛機制造成本的目的。 表1 - 11 9 9 5 年按照不同的應(yīng)用范圍所劃分的鋁鑄件產(chǎn)量m t a b l e l 1d i s t r i b u t i o no f a h l u a l h l l u mc a s t i n gp r o d u c e di n1 9 9 5a c c o r d i n gt od i f f e r e n ta p p l i c a t i o af i e l dm 鋁在地殼中蘊含十分豐富截j k l 9 8 5 年為止，世界鋁土礦的探明儲量為2 2 6 7 億噸口l ，其質(zhì)量分 數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)人丁地殼中鐵的含量。鋁不但具有可同收性，并且是種可以反復(fù)使_ i j “永不消火”的金屬。 自1 8 8 6 年以來人類所生產(chǎn)的6 9 億噸原鋁中，約有4 8 億噸目前仍在被利用，并且以后仍將被使用。目 前，每年約有1 1 6 0 萬噸廢鋁通過同收再生，滿足了全球鋁市場4 0 的需求。再生鋁的能耗僅為制取 原鋁的3 一5 。與原鋁生產(chǎn)相比，鋁的同收和再生利用不僅節(jié)能效果顯著，而且可以減免鋁生產(chǎn)中 c 0 2 和c 0 的排放量。這對于防治大氣污染有重要意義所以鋁的生產(chǎn)被稱為“綠色金屬”生產(chǎn) 9 1 。隨 著鋁鑄件和再生鋁生產(chǎn)工藝的發(fā)展鋁合金的研究和應(yīng)心將會繼續(xù)保持迅猛發(fā)展的勢頭。 2 0 世紀(jì)踟年代以來隨著一些人型骨干企業(yè)人量引進(jìn)新 藝、新設(shè)備我國的鑄造業(yè)獲得了 迅速的發(fā)展。隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，2 0 0 0 年以來，我國鑄件產(chǎn)量一直居世界鑄什人國榜首，2 0 0 4 年我國鑄件產(chǎn)量達(dá)2 2 0 0 萬噸，多r 美國平日本產(chǎn)量的總和。根據(jù)年度全球鑄件生產(chǎn)統(tǒng)計報告，從 2 0 0 1 年到2 0 0 5 年。我國鑄件產(chǎn)量都以1 0 以上的幅度遞增，2 0 0 3 年的增長幅度達(dá)到1 5 左右【l “。 但是與t 日= 界i ：業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，我國鑄造業(yè)還處r 相對比較落后的地位。這些不足表現(xiàn)在，雖然鑄 件產(chǎn)顰較多，但是我國鑄造生產(chǎn)廠點較多，每個廠的鑄什人均產(chǎn)營遠(yuǎn)低ti ：業(yè)發(fā)達(dá)國家而且低于 鄰國印度。這種情況不利丁鑄造設(shè)備、技術(shù)鋒方面的開發(fā)和改進(jìn)。故我國鑄什出口往往以價格取勝， 鑄什品質(zhì)不高，能耗和污染也較為嚴(yán)重，鑄造從業(yè)人員的素質(zhì)普遍較差，管理嚴(yán)重滯后，這些都是 制約我國鑄造業(yè)發(fā)展的重要岡索。 表1 - 2 i “1 為美國爾忠 m o d e mc a s t i n g ) ) 2 0 0 4 年1 2 月發(fā)表的關(guān)了：2 0 0 3 年度十人鑄件生產(chǎn)國及其 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 鑄件年產(chǎn)量的構(gòu)成情況。我國的鑄件總產(chǎn)量以1 8 1 5 萬噸位居世界第一，其中灰鐵鑄件產(chǎn)量約為1 0 8 0 萬噸，球鐵鑄件的產(chǎn)量約為3 6 3 萬噸，鑄鋼件產(chǎn)量約為1 8 2 萬噸，分別是美國的2 5 倍、0 9 5 倍、 1 9 倍。而有色合金特別是鋁臺金鑄件產(chǎn)量僅占總鑄件產(chǎn)量的6 9 ，大大低于美國的1 6 2 和日本的 2 0 6 可見產(chǎn)品構(gòu)成中輕合金的比重很低是我國鑄造技術(shù)落后的重要體現(xiàn)之一。例如8 0 年代末 到9 0 年代初，在鑄件總量停滯甚至下降的時候，日本的鋁鑄件產(chǎn)量一直保持著年遞增1 0 左右的高 增長率l l “。鋁鑄件的質(zhì)量和產(chǎn)量不僅是鑄造水平的標(biāo)志，也將是2 1 世紀(jì)國家r 業(yè)水平高低的重要標(biāo) 志1 1 ”。所以中國雖然是鑄造大國，但卻不是鑄造強國。同世界= 業(yè)發(fā)達(dá)國家的鑄造業(yè)相比，我國鑄 造業(yè)還有很長的路要走。 表1 - 22 0 0 3 年度十大鑄件生產(chǎn)國鑄件年產(chǎn)量及其構(gòu)成情況i l i i t a b l c l 2t h ey e a r y i e l d o f c a v i n ga n d t h c hc o m p o s i n g o f m c t 叩咖c a s t i n g m a k i n $ c o u n u y 缸2 0 0 3 1 1 1 1 鋁合金分為形變鋁合金與鑄造鋁合金兩大類。主要的鑄造鋁合金體系有a i s i 系、a i - c u 系和發(fā) 展較為迅速的鑄造鋁基復(fù)合材料。其中以s j 作為主要合金元素的鑄造a j s i 合金是鑄造鋁合金中最 重要的一個系列，占鋁鑄件產(chǎn)量的8 5 9 0 i l ”。s i 的加入，使其既保持了鋁合金密度小、比強度 高的特點，同時提高了合金的鑄造性能，改善了流動性，降低了熱裂傾向性，減少了縮松，提高了 氣密性，可獲得組織致密的鑄件。該類合金兼有優(yōu)異的耐蝕性、可焊性及熱膨脹性能，而且適用于 各種鑄造方法，可以用來生產(chǎn)形狀復(fù)雜、薄壁、耐蝕、氣密性要求高、承受中高靜載荷或沖擊載荷、 或者要求在較高溫度下t = 作的人、中、小型鑄件【l ”。盡管鑄造s j 合金具有r 。闊的應(yīng)用前景，但 其研究與應(yīng)用也面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展人們對鑄件的可靠性等要求越來越 高對合金綜合性能和特種性能的要求不斷提高。 由丁現(xiàn)有鑄造a l s i 合金的綜合性能還不能滿足： 業(yè)生產(chǎn)的更高要求，因此人們正從多個不同方 向?qū)﹁T態(tài)a j s i 合金進(jìn)行研究，以期在保持其優(yōu)良的成形性能同時進(jìn)一步提高其綜合性能。目前鋁 合金強化方法很多，一般分為加l 。硬化、同溶強化、異相強化、彌散強化、沉淀強化、晶界強化和 復(fù)合強化等7 類。概括起來，當(dāng)前科研人員對a 1 s i 合金的強韌化研究土要集中在優(yōu)化合金成分、鋁 熔體凈化處理、晶粒細(xì)化處理、變質(zhì)處理等幾個方面，并從它們之間的聯(lián)系來考察其對合金組織和 性能的影響。 過土相當(dāng)長時間內(nèi)人們對a 1 s j 合金的研究主要集中在啞共晶鑄造合金( s i ：6 - - 1 0 ) 和部 分過共品合金領(lǐng)域( s i ： 1 4 ) ，對近共品成分( s i ：1 2 1 4 ) 的s i 合金研究較少。近年來，近 共品成分的s i 合金以其優(yōu)異的鑄造性能較低的材料成本，良好的力學(xué)性能、耐蝕性、可焊性、 低的熱膨脹系數(shù)，以及其住機械l 業(yè)、汽卞r 業(yè)、航空與軍事j ：業(yè)中潛在的j “闊應(yīng)用前景逐漸受到 重視i l q ，為研究人員開發(fā)出具有更高綜合性能s j 合金提供了一個更，“闊的平臺。 2 第一章緒論 1 2a i s i 合金凝固組織特點 a 1 s i 二元合金具有簡單共晶相圖( 見圖1 - 1 ) ，其平衡兩相是a 相和b 相，共晶溫度為5 7 r c ， 共晶點的含s i 量為1 2 6 ；相具有良好的強度和韌性。是s i 溶于形成的同溶體，在共晶溫度時 s i 的溶解度最大，為1 6 5 ，而在室溫時只有0 0 5 ：b 相是a l 溶于s j 形成的圍溶體，由于b 相中 含量極少，所以可以直接用s i 相來表示，它是一種硬而脆的組織。當(dāng)s i 含量為1 6 5 1 2 6 時， 結(jié)晶過程中，先析出胡( + 般叫做初生或c t - a i 相) ，當(dāng)溫度降至5 7 7 0 c 時，剩余合金液的成分達(dá) 到了兆晶成分，析出( a + b ) 共晶體。當(dāng)s i 含量大于1 2 6 時結(jié)晶時先析出b 相( 一般叫做初生 s i 相或初晶s i 相) 當(dāng)溫度降至5 7 7 0 c 時，剩余合金液的成分同樣達(dá)到了共晶成分，析出( a + b ) 共 晶體。一般把共品體中的b 相稱為共晶s j 相。 鋁硅合金的組織由韌性較好的a 閌溶體和堅硬的s i 相構(gòu)成，具有良好的耐磨性以及一定的強度 和韌性。由于硅線膨脹系數(shù)較小( 僅為鋁的1 6 左右) ，因此a 1 s i 合金具有較小的線膨脹系數(shù)。隨 著合金中s i 含量的增加，組織中的s i 相持續(xù)增多，提高了合金的抗拉強度和屈服強度。但是，鑄造 a i - s i 合金中的共晶s i 相在未變質(zhì)生長條件下將會長成層片狀，這種形態(tài)的共晶s i 相割裂基體，使 a l s i 合金塑性下降。 p o 彤l 酗1 2 6 s i 圖1 - 1a i s i 合金平衡相圖 f i f r l - 1b i n a i yd i a g r a mo fa l u m i n i u m - s i l i c o ns y s t e m 1 3 a i s i 合金組織細(xì)化 a 1 s i 系鑄造合金強化途徑主要有組織細(xì)化、合金化與熱處理強化等措施。 眾所周知，對丁在較低溫度f 使用的金屬材料，一般總是希望獲得較細(xì)小的晶粒，晶粒越細(xì)， 金屬材料的強度、塑性和韌性等綜合力學(xué)性能就越好，岡此，控制其組織和性能的土要措施是熔鑄 出細(xì)小均勻的鑄態(tài)品粒組織1 1 7 1 。組織細(xì)化對丁單相合金就是指晶粒細(xì)化，而對丁多相合金來說指基 體合金品粒和第一相細(xì)化。對于近共品鑄造- s i 合金的組織細(xì)化，包括四個方面：初生a 相細(xì)化、 初生s j 相細(xì)化、共晶s i 細(xì)化( 共晶s j 變質(zhì)) 和共晶團的細(xì)化。 1 3 1 枝晶a 細(xì)化方法及細(xì)化機理 a i - s i 合金通常節(jié)現(xiàn)二種不同的晶粒形態(tài)：等軸晶、耗狀晶和雙村! 狀晶( t w i n n e dc o l u m n a r g r a i n t c g ) 。有目的地抑制柱狀品和t c g 生長，促進(jìn)細(xì)小等軸品形成，這種i ：藝過樣就叫做品粒細(xì)化處 理。有文獻(xiàn)報道，s i 的存在促進(jìn)t c g 的形成，因而為了獲得細(xì)小笆軸品組織，對鑄造一s i 合金進(jìn) 3 東南大學(xué)碩士學(xué)位論文 行細(xì)化處理尤為重要【1 “。對于初生c t 相，細(xì)小均勻的等軸晶是其最佳的鑄態(tài)組織，要獲得這種組織， 必須通過不同的手段細(xì)化晶粒，即結(jié)晶組織的微細(xì)化處理，包括內(nèi)生法和外生法兩種。內(nèi)生法是借 助外來能量( 如機械振動、電磁攪拌、對流、超盧波處理、熱溫等作用) ，使a a l 基體細(xì)化；外生法 是指在熔體中加入某種細(xì)化劑( 變質(zhì)劑) 從而達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。在工業(yè)生產(chǎn)條件下添加細(xì)化 劑的細(xì)化處理是簡便而有效的方法，也是鋁熔體處理技術(shù)的重要組成部分。這是因為控制冷速或借 助外來能源等均需要特殊的設(shè)備和工藝，在實際工業(yè)生產(chǎn)中較難實現(xiàn)，并且還受生產(chǎn)條件、合金性 質(zhì)等的限制”m 。 1 3 1 1a i s i 合金晶粒細(xì)化方法 2 0 世紀(jì)4 0 年代就開始了對鋁合金晶粒細(xì)化劑的研究。那時人們把1 1 、b 直接加到鋁合金熔體 中，發(fā)現(xiàn)對鋁材品粒有一定的細(xì)化效果。5 0 年代，義將幣、b 以k 2 啊f 6 和k b f 4 的形式加入到鋁熔 體中與熔融的鍋反應(yīng)生成 h a l j 、t i b 2 而產(chǎn)生細(xì)化作用。由于其產(chǎn)生的細(xì)化效果不均一難以控制 反應(yīng)參數(shù)，無法預(yù)測晶粒細(xì)化的響應(yīng)程度，且?guī)藕蚥 的實收率低不穩(wěn)定，目前已基本被淘汰。 年代，為了克服直接加入k 2 t i f 6 、k b f 4 鹽類化合物的缺點，人們采用了中間合金形式的細(xì)化劑- 1 1 。 隨后，出現(xiàn)了a i 幣b 錠、塊形式的細(xì)化劑，塊狀中間合金雖比鹽類化合物優(yōu)越，但仍存在著細(xì)化效 果衰退、“z f 中毒”、 r d 3 2 粒子集聚等問題。8 0 年代出現(xiàn)的a i 幣b 絲其細(xì)化效果比錠、塊形式的 j u - t j b 好其優(yōu)點是幣、b 利用率高，可減少細(xì)化劑用量，細(xì)化劑均勻分布細(xì)化效果較穩(wěn)定連 續(xù)；可實現(xiàn)細(xì)化處理的自動化，改善了勞動條件；可避免t i b 2 粒子的集聚和沉淀等。s i g w o r t ha n d g u z o w s k i 1 5 i 開發(fā)了一種晶粒細(xì)化劑越3 t i 3 b 中間合金適合于亞共品a 1 s i 臺金，已經(jīng)投入了工業(yè) 應(yīng)用。結(jié)果表明，a l - 3 t i 3 b 中間合金比通常所用的a i - s t i 一1 b 中間合金的細(xì)化效果更佳。a p p l i a a 和c h c n g ”1 考察了中間合金5 t j 、- 5 t i - 0 2 b 、- 5 t j - 1 b 和a l - 3 t j - 3 b 細(xì)化a i - 7 s j 和a 3 5 6 合金 的情況后，同樣發(fā)現(xiàn)3 t i 3 b 的細(xì)化效果最佳。 我國把晶粒細(xì)化劑的研究作為“六五”重人課題，年代末加快了研究的速度和力度。進(jìn)入如 年代，我國鋁加1 = 企業(yè)已，“泛使用品粒細(xì)化劑【j ”。近年來國內(nèi)外相繼開發(fā)出其他一些新型細(xì)化劑， 如a l 幣c 【刎、用c b 1 2 1 】、a 1 幣b r e 阻，a l 幣s p i 、a 1 t i b e “】等。馬自立l “j 研發(fā)的a 1 s t - r e 復(fù)合細(xì)化變質(zhì)劑，該細(xì)化變質(zhì)荊可使z l l 0 2 合金e 8 0 m m 砂礁試樣在完全變質(zhì)的同時，顯著細(xì)化a i - s i 合金枝品組織，與= 業(yè)用a 1 1 0 s r 中間合金相比，試樣二次枝臂間距( d a s ) 減少了2 2 6 2 3 2 。 方旭升等l 捌研發(fā)的a j _ t i b r e 系列細(xì)化劑不僅細(xì)化效果優(yōu)丁a i - s t i 1 b 中間合金，還具有高效、長 效等特點。但這些新型細(xì)化劑的效果和穩(wěn)定性等還缺乏系統(tǒng)深入的研究應(yīng)用范圍仍有限，而且其 晶粒細(xì)化機理也不十分清楚，有待進(jìn)一步深入研究。所以多年來，“泛采用的幣- b 細(xì)化劑仍然是目 前最有效的晶粒細(xì)化劑之一，而尋找和研究更為有效的細(xì)化劑及其處理技術(shù)依然十分迫切和必須。 總之，白從4 0 年代人們發(fā)現(xiàn)微量b 、t j 能人人細(xì)化鋁及其合金口”、改善合金力學(xué)性能以來，人 們對晶粒細(xì)化進(jìn)行了廣泛的研究，開發(fā)了多種i ：業(yè)用細(xì)化荊。晶粒細(xì)化成了合金強韌化的重要方法 之一，是提高a i - s i 合金力學(xué)性能的重要手段之一。 1 3 1 2a 1 s i 合金晶粒細(xì)化機理 人們在研究各種類型晶粒細(xì)化劑的同時，相繼提出了相關(guān)的細(xì)化機理。其中關(guān)于啞共晶s i 合金的細(xì)化機理的基本概念最初采用的是l ：業(yè)純鋁和鍛造鋁合金的細(xì)化機理，并未考慮其中s i 含 量的影響。從基本理論上來說，細(xì)化機理是十分清晰的，最簡單的情況是：人鬣潛在的異質(zhì)形核基 底( s i t e ) 分布于鋁熔體中，其中許多形核基底住冷卻過程中被激活而成為有效的形核核心，從而促進(jìn) 了形核和凝同。較為一致的看法是，當(dāng)中間合金加入到鎘熔體后。鋁基體溶解，不同的中間臺金向 熔體中釋放山金屬間化合物粒子( t i a l 3 和t i b 2 或( a j ，t i ) b 2 等) ，這些粒f 隨后作為形核基底而起到 形核作h 。然而，關(guān)丁i 熔體中釋放的金屬間化合物粒子的確切的物理化學(xué)特性，及它們隨后與熔體 之間的反席情況仍不清楚或說法不一p 。 4 第一章緒論 目前，對晶粒細(xì)化機理的觀點主要有：包晶反應(yīng)理論、硼化物理論( a m z 、t i b 2 粒子) 、共晶反應(yīng) 理論、t i c 核心理論( 粒子理論) 、相圖理論、亞穩(wěn)相理論、a a 1 晶體增殖理論( 或稱晶體分離理論) 、 相圖和粒子雙重理論、碳化物堋化物粒子理論、原子結(jié)構(gòu)理論、相圖粒子理論等。目前提出的一些 機理只能解釋細(xì)化過程中的某些現(xiàn)象，各機理之間的有些說法甚至相互矛盾，迄今還沒有一種觀點 和理論能完全解釋所有的晶粒細(xì)化現(xiàn)象和細(xì)化行為，這說明鋁及其合金的晶粒細(xì)化機理是極其復(fù)雜 的p o l 。其中較有代表性的是包晶反應(yīng)理論，硼化物理論( a i b 2 、t i b 2 粒子) 、碳化物硼化物粒子理 論等。 ( 1 ) 包晶反應(yīng)理論 包晶反應(yīng)理論是以a 1 砸相圖中的包晶反應(yīng)為基礎(chǔ)的，由c r o s s l e y 和m o n d o l f o 提出。在6 6 5 時，存在包品反應(yīng)：l + 1 i a i r + a a l ( 圖i - 2 ) 。該理論認(rèn)為a 1 砸中間合金主要含有t t a l 3 和a - a l 粒 子，當(dāng)向鍋合金熔體中加入a j 用中間合金時，在中間合金熔化的過程中，一部分t i a l 3 粒子被溶解， 溶解的t t a l 3 粒子在朱溶解的t t a l 3 粒子周圍形成了一層富n 區(qū)，當(dāng)t i a l 3 表面層的幣濃度若達(dá)到 0 1 5 以上，溫度降低劍6 6 5 c 時，t i a l 3 將和它周圍的鋁熔體發(fā)生如上述所示的包品反應(yīng)。此時熔體 中其它位置的節(jié)濃度還很低，而熔體溫度卻高于鋁的熔點，包晶反應(yīng)產(chǎn)生的t i a l 3 表面的鋁包層很 難在這種條件下長大，而其作為隨后凝固過程中a - a l 相的形核核心使晶粒細(xì)化p “。t t a i ，和a - a i 在 ( 0 0 1 ) a i 和( 1 1 0 ) a j 面上存在良好的共格關(guān)系，鋁原子可以在幾個t i a l 3 品面上同時外延生長，d a v i e s 等在a - a l 中心也觀察到了t i a l 3 質(zhì)點1 3 2 。由于s i 的存在，會發(fā)生a i - s i - t i 三元共品生成的啊( a j l j ) 3 也存在包晶反應(yīng)：t i ( a l l ) 3 + l ，a - a l 。s i 的存在使包晶點成分向更低面量位移、t i ( a l i l b 在 a l 中的溶解度降低，導(dǎo)致有效砸量增加。該三元化合物與合金液在高于合金液相線溫度時發(fā)生包晶 反應(yīng)，結(jié)晶出a 舢相，在合金冷卻凝同過程中熔體中的原子直接在已結(jié)晶出的越相上外延生 長，而不需要過冷，因而枝晶口相得以細(xì)化。同時s i 的存在也使包晶反應(yīng)溫度顯著降低，高s i 含量 使包晶反應(yīng)溫度低于合金液相線溫度，因而導(dǎo)致t i ( a j 。s ) 3 喪失晶粒細(xì)化能力1 2 9 。 但這一理論不能解釋鈦低于0 1 5 時的晶粒細(xì)化現(xiàn)象，同時也無法解釋b 的加入顯著提高了 a l 幣細(xì)化劑效率的原因。 o 型 賻 田“2 a i - 1 相圖富a i 端 f i g 1 2 t h ea l u m i n u m r i c hs i d e o f i h c b i n a r y a l j np h a s ed i a g r a m 圖1 - 3a i t i 、a i - 5 f i b 和a i b 晶粒細(xì)化劑在a 3 5 6 合 金中的品粒細(xì)化比較i 叫 f 培1 3 g r a i nr e f i n e m e n to f a 3 5 6a l l o yw i t ha i 豇 妯5 砸ba n da i bm a s t e ra l l o y s i 叫 ( 2 ) 硼化物顆粒理論 研究發(fā)現(xiàn)在t i 合金中加入b 元素時晶粒細(xì)化效果顯著提高。上世紀(jì)7 0 年代，人們研制了塊、 錠狀a l - t i b 中間合金細(xì)化劑，隨后義研制出不同成分的棒狀( 線狀) 的- 1 1 b 中間合金細(xì)化荊。早 期研究多以a l - 1 1 1 二元相i 璺l 為基礎(chǔ)，來考慮b 的作用。d a v i e s l 3 3 j 認(rèn)為啊二元相幽的液相線很陡，b 元素的加入使得二元相幽生成的t t a j 3 液相線更陡包品點左移，包品反戍可以發(fā)生在t i 濃度更低的 地方，使t t a l 3 的溶解減慢甚至停j r ，從而使有效的形核質(zhì)點數(shù)鼙增加，提高了細(xì)化效果。但有人根 5 一ii-一苧。三-口?？?。， 東南丈學(xué)碩士學(xué)位論文 據(jù)