本文關(guān)鍵詞：改善鋁硅鑄造合金組織與性能研究的若干進(jìn)展，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

第2卷　第1期

2004年3月南京工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)JournalofNanjingInstituteofTechnology(NaturalScienceEdition)Vol.2,No.1Mar.,2004　　文章編號:1672-2558(2004)01-0001-07改善鋁硅鑄造合金組織與性能研究的若干進(jìn)展

柳秉毅

(南京工程學(xué)院材料工程系,江蘇　南京,210013)

摘　要:綜述了近年來在改進(jìn)鋁硅鑄造合金組織與性能方面有關(guān)研究工作的進(jìn)展,著重探討了變質(zhì)處理、晶粒細(xì)

化和鑄后熱處理對各類鋁硅鑄造合金組織與性能的影響,并對今后這一方向的研究與技術(shù)發(fā)展提出了一些設(shè)想.

關(guān)鍵詞:鋁硅鑄造合金;晶粒細(xì)化;變質(zhì);熱處理

中圖分類號:TG146.2+1文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

ImprovementsoftheMicrostructures

andPropertiesofAl2SiCastAlloys

LIUBing2yi

(Dept.ofMaterialEngineering,NanjingInstituteofTechnology,Nanjing210013,China)

Abstract:ThispaperreviewsthelatestresearchworkdoneontheimprovementofthemicrostructuresandpropertiesofAl2Sicastalloys,highlightingtheinfluencesofmodification,refinementandheattreatmentonthemicrostructuresandpropertiesofvariouskindsofAl2Sicastalloys.Italsopredictsthedevelopingtrendofthisfield.

Keywords:Al2Sicastalloys;refinement;modification;heattreatment

1　引言

由于鋁合金具有比重輕、比強(qiáng)度高、良好的耐大氣腐蝕性等優(yōu)點(diǎn),且鋁資源豐富,因而在生產(chǎn)和日常生活中顯示出廣闊的應(yīng)用前景.其中,就鑄造鋁合金而言,鋁硅合金占有最重要的地位,其用量占鋁合金鑄件總產(chǎn)量的80%以上.

鋁硅鑄造合金的組織中α,-Al相有較好的塑性,硅相性硬而脆,作為強(qiáng)化相而分布在基體中.為了改善硅相形態(tài)對鑄態(tài)合金性能的不利影響,通常要對含硅量較高的鋁硅合金(共晶和過共晶合金及部分亞共晶合金)的鑄件在澆注前進(jìn)行變質(zhì)處理.而對于提高α-Al相性能所做的工作,在很大程度上集中在致力于使α-Al相的晶粒細(xì)化方面.

鋁硅二元合金雖有良好的鑄造性能,但強(qiáng)度較低,且不能通過熱處理進(jìn)行強(qiáng)化.在其中加入某些合金元素如銅、鎂等后,則可形成熱處理強(qiáng)化效應(yīng),從而顯著提高其力學(xué)性能.其熱處理強(qiáng)化方式以時效強(qiáng)化為主,使其基體中形成大量彌散分布的與母相共格或部分共格的G.P區(qū)或過渡沉淀相(如Mg2Si的過渡相β′和θ″等).其常用的熱處理強(qiáng)化方法有T4(淬火)、T5(淬火及不完全人工時效)和′、CuAl2的過渡相θ

T6(淬火及完全人工時效)處理等,其中尤以T6處理應(yīng)用最多.

由此可見,晶粒細(xì)化、變質(zhì)處理和熱處理是生產(chǎn)中用于改善鋁硅鑄造合金的組織與性能的三項(xiàng)主要收稿日期:2003-09-16

作者簡介:柳秉毅(1958-),男,碩士,副教授,主要從事工程材料與成形技術(shù)方面的教學(xué)與研究.

的工藝途徑,因此應(yīng)當(dāng)從三者的相互聯(lián)系中來研究它們對合金組織和性能的影響.近年來,有關(guān)的鑄造科技工作者在這一方面做了不少工作,本文將就其中的若干研究成果加以論述.

2　鋁硅鑄造合金中硅相形態(tài)的演變及其對性能的影響

變質(zhì)處理一直是用于改善鋁硅合金鑄態(tài)硅相形態(tài)的主要手段,但近年來人們也注意到了變質(zhì)處理對鋁硅合金在熱處理時硅相形態(tài)的轉(zhuǎn)變有積極的作用.

2.1　鈉或鍶變質(zhì)鋁硅合金中硅相形態(tài)的演變

鈉和鍶是目前工業(yè)上應(yīng)用最多的共晶和亞共晶鋁硅合金變質(zhì)劑,因?yàn)橹挥兴鼈儾拍軓母旧细淖冧X硅合金中共晶硅的生長形態(tài),即使之從片狀轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維狀(見圖1).鍶用于變質(zhì)的歷史雖然比鈉要短得多,但現(xiàn)在一般認(rèn)為它的使用效果要優(yōu)于鈉.

研究表明,鋁硅合金在500℃以上長時間保溫后,共晶硅均會發(fā)生�；�,并隨保溫時間延長進(jìn)一步粗化,�；^程包括晶體的溶斷和斷晶的�；瘍煞矫�.溶斷發(fā)生在硅晶體上畸變能較高的部位,如分枝處、晶體表面凹缺處等[1].但未變質(zhì)的共晶硅�；芷谙喈�(dāng)長,可長達(dá)數(shù)十小時,這表明未變質(zhì)共晶硅的能態(tài)較低.鈉或鍶變質(zhì)后共晶硅分枝細(xì)密,晶體內(nèi)缺陷密度增加,有較高的能態(tài)和較大的能態(tài)不均勻性.這使得溶斷和�；^程大大加快,一般在幾小時內(nèi)可基本完成,如圖2所示.將圖2和圖l對比,還可發(fā)現(xiàn)共晶硅已有所粗化[2]

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　　圖1　鍶變質(zhì)鋁硅合金中共晶硅形貌　2000×　　　圖2　鍶變質(zhì)鋁硅合金T6處理后的共晶硅形貌　1000×

2.2　磷變質(zhì)鋁硅合金中硅相形態(tài)的演變

磷變質(zhì)主要用于共晶和過共晶鋁硅合金.磷是一種有效的初晶硅細(xì)化劑,同時對合金中共晶硅的生長也有所影響,可在—定程度上抑制硅相的片狀生長,增加共晶硅生長中的分枝搭橋現(xiàn)象.磷變質(zhì)的鋁硅合金組織中,初晶硅尺寸減小,呈較規(guī)則的多面體塊狀;共晶硅則呈粗短片狀和卷曲片狀等.磷變質(zhì)的變質(zhì)劑過去大都使用赤磷、磷鹽或銅磷合金等,最近又研制出一種新型的磷變質(zhì)劑———鋁磷中間合金.用鋁磷合金進(jìn)行變質(zhì)處理時,其添加過程與合金化過程完全同步,方便了工藝操作,提高了生產(chǎn)效率,而且變質(zhì)效果良好、穩(wěn)定,還可解決環(huán)境污染問題,從而將對磷變質(zhì)在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用起到很好的推動作用.

對磷變質(zhì)的共晶和過共晶鋁硅合金T6處理時的組織觀察,發(fā)現(xiàn)磷變質(zhì)后的共晶硅在熱處理過程中的形態(tài)變化也包括溶斷和�；A段,整個�；^程與未變質(zhì)時相比顯著加快,一般也在幾小時內(nèi)可基本完成,而且控制適當(dāng)?shù)谋貢r間可使其顆粒較為細(xì)小.圖3和圖4顯示了磷變質(zhì)鋁硅合金中的共晶硅在

熱處理時溶斷和�；那闆r.另外,過共晶鋁硅合金中的初晶硅在熱處理中也發(fā)生了棱角鈍化變圓的形態(tài)變化(對比圖5和圖6)[3].

共晶硅的�；^程初步完成后,硅相的形狀將隨保溫時間的延長而更趨圓整;但當(dāng)其圓整度提高到一定程度后,若再繼續(xù)保溫,則伴隨著硅相顆粒以小面生長方式長大粗化,其圓整度反將有所下降.因此,過分延長固溶時間(例如鍶變質(zhì)的條件下固溶時間大于10h),并不能使硅相形態(tài)獲得持續(xù)改善[4]

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圖3　磷變質(zhì)鋁硅合金中共晶硅在固溶處理中圖4　磷變質(zhì)鋁硅合金中的共晶硅經(jīng)T6處理　　　發(fā)生晶體溶斷(固溶3小時)　200×后發(fā)生�；�(固溶7小時)　200

×圖5　磷變質(zhì)過共晶鋁硅合金中的初晶硅圖6　磷變質(zhì)過共晶鋁硅合金中的初晶硅　　　　與共晶硅鑄態(tài)時的形貌　2000×與共晶硅在T6處理后的形貌2000×上述硅相在熱處理時形態(tài)變化的過程,可以認(rèn)為類似于Ostwald熟化過程,即鑄態(tài)硅相中高畸變或高能態(tài)區(qū)域的晶體溶解,析出低能態(tài)低畸變的顆粒狀晶體.粗化時還伴隨著硅相總界面積的減少,由此引起界面能的減小.

2.3　硅相形態(tài)的改善對鋁硅合金性能的影響

經(jīng)過固溶和時效處理,鋁硅合金的強(qiáng)度將會比鑄態(tài)有顯著提高.例如,采用T6處理,鍶變質(zhì)的ZAl2Si7Mg合金砂型鑄件的σb由80～100MPa提高到200～220MPa;鈉或鍶變質(zhì)的ZAlSi12Cu2Mg合金砂型鑄件的σb從130～170MPa提高到220～260MPa,金屬型鑄件的σb從230～260MPa提高到280～360MPa;磷變質(zhì)的ZAlSi12Cu2Mg合金金屬型鑄件的σb從200-230MPa提高到350～380MPa,磷變質(zhì)

[2,3]的ZAlSi18Cu2Mg合金金屬型鑄件的σ.以上幾種合金的化學(xué)b從200～230MPa提高到280～310MPa

成分見表1.雖然這主要是由于合金基體α相發(fā)生了時效強(qiáng)化的作用,但硅相形態(tài)的改善無疑亦有一定的

貢獻(xiàn).

表1　幾種鋁硅合金的化學(xué)成分/%

合金

ZAlSi7Mg

ZAlSi12Cu2Mg

ZAlSi18Cu2MgSi6.5～7.511～1317～19Mg0.25～0.450.4～1.00.4～1.0CuMnAl—1.0～2.01.0～2.0—0.3～0.90.3～0.9余量余量余量　　由于鋁硅合金的組織由性質(zhì)不同的α相和硅相混合組成,當(dāng)鑄件受力時,在α相與硅相的界面處應(yīng)力應(yīng)變發(fā)生突變,使該處易產(chǎn)生應(yīng)力集中,其應(yīng)力集中程度與硅相的形態(tài)和分布有較大關(guān)系.顯然,若硅相呈片狀及外形棱角尖銳,則應(yīng)力集中程度大,易使該處產(chǎn)生微裂紋并擴(kuò)展;若硅相為粒狀及外形圓鈍,則應(yīng)力集中程度可減至最小,從而有利于合金強(qiáng)度和塑性的提高.不過,由于硅相形態(tài)的改善對合金塑性的提高只能部分抵消時效強(qiáng)化對塑性的削弱,而抵消的程度顯然隨著合金組織中硅相數(shù)量的增多而加大.因此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,固溶處理(T4)時,鋁硅合金的力學(xué)性能與硅相的形狀系數(shù)(表征其圓鈍化和細(xì)化程度)之間呈高度線性正相關(guān),如圖7所示(圖中虛線由線性擬合的回歸方程所確定)[4].而T6處理后,共晶

δ值)一般不提高或提高不多,而亞共晶鋁硅合金的塑性則有所下降.此外,隨和過共晶鋁硅合金的塑性(

著硅相粗化程度的增加,也會降低合金的強(qiáng)度和塑性

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圖7　共晶鋁硅合金的力學(xué)性能與硅相形貌的相關(guān)性

3　變質(zhì)處理和晶粒細(xì)化對鋁硅鑄造合金中α相的影響

3.1　變質(zhì)對鋁硅合金中α相的影響

鍶或鈉變質(zhì)與磷變質(zhì)相比,二者對合金中α相具有相反的影響.磷在鋁硅合金中與鋁形成可作為硅相生核基底的A1P,促進(jìn)硅的非自發(fā)形核.磷變質(zhì)使合金的共晶點(diǎn)左移,抑制了α相的析出,故磷變質(zhì)的共晶鋁硅合金中沒有初生的α相.而鍶或鈉變質(zhì)作用之一就是中和了熔體中A1P粒子(由鋁中常存的微量磷所形成),減少了硅相生核基底數(shù)目,使共晶結(jié)晶溫度下降,共晶點(diǎn)位置右移,促進(jìn)了α相的析出,因而在共晶鋁硅合金中也出現(xiàn)大量初生α相.特別是關(guān)于鍶變質(zhì)對鋁硅合金中α相的影響,近期有較多的研究結(jié)果發(fā)表[5,6].

通過考察鍶的加入對共晶鋁硅合金組織中α相形態(tài)的影響,發(fā)現(xiàn)鍶變質(zhì)促進(jìn)了α枝晶柱狀化生長,并導(dǎo)致α枝晶數(shù)量大幅度提高;在完全變質(zhì)的合金中,隨著合金中鍶量增加,一次分枝間距和二次枝臂間距都降低,即表明鍶對α枝晶也起一定的細(xì)化作用.

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