高鐵含量過(guò)共晶鋁硅合金的超聲處理及流變特性.pdf

1、過(guò)共晶Al-Si合金因其具有熱膨脹系數(shù)低、耐磨、耐熱和比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于制造汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、缸體等零件。鐵是Al-Si合金中最常見(jiàn)的一種雜質(zhì)元素。粗大針狀或板片狀的富鐵相極大地危害了鋁合金的室溫力學(xué)性能。然而，研究發(fā)現(xiàn)富鐵相有助于提高合金的高溫性能。富鐵相形貌對(duì)合金力學(xué)性能有很大的影響。快速凝固和熔體高溫過(guò)熱等方法均能明顯改善富鐵相的形貌和尺寸。然而，由于成本高和工藝復(fù)雜等原因，這些工藝的應(yīng)用和推廣受到了限制。對(duì)鋁及其合金熔體進(jìn)

2、行超聲處理是一種相對(duì)較新的綠色無(wú)污染技術(shù)，具有工藝簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)。本文針對(duì)高鐵含量過(guò)共晶Al-Si合金，研究了超聲流變成形技術(shù)對(duì)合金顯微組織、力學(xué)性能以及摩擦磨損性能的影響，探討了這種合金熔體的流變特性以及超聲振動(dòng)影響富鐵相形貌的作用機(jī)理。
　　系統(tǒng)研究了超聲振動(dòng)對(duì)不同鐵含量過(guò)共晶Al-17Si-xFe(x=2,3,4,5質(zhì)量分?jǐn)?shù))合金中富鐵相形貌的影響。結(jié)果顯示，在液相線溫度附近對(duì)合金熔體施加超聲振動(dòng)后澆注重力金屬型，粗大針

3、片狀δ-Al4FeSi2相被細(xì)化為平均尺寸為26~37μm的細(xì)小塊狀。通過(guò)分析超聲處理完畢后的熔體水淬試樣組織與相組成發(fā)現(xiàn)，超聲的空化效應(yīng)不僅使得δ-Al4FeSi2相的形核溫度升高，而且促進(jìn)了δ-Al4FeSi2相的大量形核。聲流效應(yīng)均化了整個(gè)熔體的溫度場(chǎng)和溶質(zhì)場(chǎng)。這使得δ-Al4FeSi2相由粗大板片狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小塊狀。
　　采用旋轉(zhuǎn)法首次測(cè)定了不同鐵含量Al-17Si-(2,3)Fe合金熔體的定溫和連續(xù)冷卻條件下的變溫粘度（或

4、表觀粘度），以及Al-17Si-2Fe-(0,0.4,0.8)Mn合金熔體在600~690℃內(nèi)的定溫粘度（或表觀粘度）。結(jié)果表明，Al-17Si-(2,3)Fe合金熔體的定溫粘度均隨著溫度的降低而增大。在Al-17Si-(2,3)Fe合金熔體以一定冷卻速率連續(xù)冷卻的過(guò)程中，隨著溫度的降低，熔體粘度開(kāi)始時(shí)緩慢增大，當(dāng)溫度降至一定臨界值時(shí)，合金熔體粘度迅速增大。對(duì)于同一種合金熔體，冷卻速率較高時(shí)，發(fā)生粘度突變所對(duì)應(yīng)的臨界溫度比冷卻速率較低時(shí)

5、高。此外，隨著Mn含量的增加，Al-17Si-2Fe合金熔體的定溫粘度隨之增大。
　　探討了超聲振動(dòng)與少量中和元素Mn的聯(lián)合作用對(duì)Al-17Si-(2,3)Fe-2Cu-1Ni合金組織和性能的影響。結(jié)果顯示，合金組織中δ-Al4(Fe,Mn)Si2相在超聲處理前呈粗大板片狀，超聲處理后轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小塊狀。與無(wú)超聲處理的傳統(tǒng)工藝相比，合金經(jīng)超聲處理后室溫和350℃下抗拉強(qiáng)度明顯提高。在鐵含量相同的條件下，Mn含量由0.4％增至0.8％時(shí)

6、，合金強(qiáng)度提高幅度不大。合金經(jīng)超聲處理后，隨著Fe含量從2％增至3％，合金室溫抗拉強(qiáng)度從289MPa降至262MPa，高溫強(qiáng)度略有提高。室溫及高溫性能能夠滿(mǎn)足許多工程零部件的需求。
　　采用銷(xiāo)盤(pán)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研究了超聲流變重力金屬型工藝制備的Al-17Si-(2,3)Fe-2Cu-1Ni-(0.4,0.8)Mn合金在干摩擦條件下的磨損行為。結(jié)果表明，在同等載荷下，有超聲處理的合金試樣比無(wú)超聲處理試樣的磨損率小，抗磨性提高顯著。細(xì)

7、小顆粒狀的δ-Al4(Fe,Mn)Si2和α-Al15(Fe,Mn)3Si2相提高了合金的耐磨性，因此，在Mn含量相同時(shí)，隨著Fe含量從2％增至3％，超聲流變成形合金試樣的磨損率隨之減小。在低載荷時(shí)，氧化磨損機(jī)理占主導(dǎo)；隨著載荷的增加，氧化磨損和剝層磨損機(jī)理占主導(dǎo)。這導(dǎo)致合金試樣的磨損率隨載荷的增加而增大。
　　研究了超聲制漿、半固態(tài)流變壓鑄對(duì)Al-17Si-2Fe-2Cu-1Ni-0.8Mn合金組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果顯示，超