Nd對(duì)過共晶鋁硅合金中初生硅的變質(zhì)作用及變質(zhì)機(jī)理.pdf

1、過共晶鋁硅合金是一類重要的鑄造合金，具有熱膨脹系數(shù)小、比強(qiáng)度高、耐磨和耐蝕性好等一系列優(yōu)點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用于航空、航天及汽車制造等領(lǐng)域。但在傳統(tǒng)鑄造條件下，隨著硅含量的增加，鑄造組織中常出現(xiàn)的粗大的初生硅相嚴(yán)重地割裂了基體，降低了合金的綜合性能。因此，在使用前必須對(duì)過共晶鋁硅合金進(jìn)行變質(zhì)處理，改善初生硅的形狀、尺寸和分布，以提高其機(jī)械性能。
　　本文采用常規(guī)鑄造工藝方法制備合金(Al-17.5％Si、Al-20％Si和Al-25％S

2、i)，采用單一稀土元素Nd作為變質(zhì)劑對(duì)二元過共晶鋁硅合金進(jìn)行變質(zhì)研究。系統(tǒng)研究了變質(zhì)劑Nd的加入溫度、保溫時(shí)間和變質(zhì)劑Nd加入量等工藝條件對(duì)不同硅含量的二元過共晶鋁硅合金中初生硅的形狀和尺寸的影響，確定了Nd對(duì)二元過共晶鋁硅合金的最佳變質(zhì)工藝;系統(tǒng)研究了Nd變質(zhì)對(duì)過共晶鋁硅合金的力學(xué)性能及耐磨性能的影響，依據(jù)對(duì)變質(zhì)后合金的斷口形貌和磨損表面形貌的分析探討變質(zhì)后合金的斷裂機(jī)制和磨損機(jī)理;系統(tǒng)研究了稀土元素Nd在過共晶鋁硅合金中的分布及存在

3、形式，探討了Nd對(duì)過共晶鋁硅合金中初生硅的變質(zhì)機(jī)理。主要結(jié)論如下:
　　稀土元素Nd能夠細(xì)化初生硅，Nd對(duì)初生硅的變質(zhì)可用成分過冷理論來解釋。吸附理論和異質(zhì)形核理論不適用于本實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果。
　　變質(zhì)工藝研究表明:變質(zhì)工藝條件影響著過共晶鋁硅合金中的初生硅的形狀和尺寸。對(duì)于過共晶Al-17.5％Si、Al-20％Si和Al-25％Si合金的最佳變質(zhì)工藝條件:變質(zhì)劑的加入溫度分別為750℃、800℃和850℃，保溫時(shí)間10 mi

4、n，Nd的最佳加入量約為0.3％。
　　隨著Nd添加量的增加，過共晶鋁硅合金中初生硅的尺寸先減小后增大，當(dāng)Nd的添加量為0.3％時(shí)，合金中初生硅的晶粒尺寸最小，Al-17.5％Si、Al-20％Si和Al-25％Si合金中初生硅的平均尺寸分別由變質(zhì)前的30.32μm、63.51μm和90.54μm變?yōu)樽冑|(zhì)后的13.02μm、20.64μm和37.84μm，分別下降了57.1％、68.5％和58.2％。未變質(zhì)的Al-17.5％Si合

5、金中初生硅以板片狀與多面體形狀存在，變質(zhì)后沒有形狀上的變化;變質(zhì)前后Al-20％Si和Al-25％Si合金有相似的情況，變質(zhì)前合金中的初生硅都以星狀和不規(guī)則的多面體形狀存在，變質(zhì)后初生硅呈現(xiàn)出細(xì)的板片狀和多面體形狀。
　　力學(xué)性能研究表明:隨著Nd添加量的增加，過共晶鋁硅合金的抗拉強(qiáng)度先增大后減小，當(dāng)Nd的添加量為0.3％時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值，Al-17.5％Si、Al-20％Si和Al-25％Si變質(zhì)后合金的抗拉強(qiáng)度分別

6、為163 MPa、148 MPa和132 MPa，與未變質(zhì)的120 MPa、117 MPa和113 MPa相比分別增加了35.8％、26.5％和16.8％。合金的斷后伸長率分別為2.2％、1.64％和1.2％，與未變質(zhì)的0.8％、0.64％和0.42％分別增加了175％、192％和185％。過共晶鋁硅合金以混合斷裂方式斷裂，既有初生硅的脆性斷裂特征又有鋁基體的韌性斷裂特征。
　　摩擦磨損研究表明:隨著硅含量的增加，過共晶鋁硅合金的

7、磨損量下降，耐磨性增強(qiáng);并且加Nd變質(zhì)后也呈現(xiàn)出相同的規(guī)律。Al-17.5％Si、Al-20％Si和Al-25％Si變質(zhì)后合金的磨損量分別為0.0020 g、0.0011g和0.0008 g，與未變質(zhì)的0.0042 g、0.0026 g和0.0018 g相比分別減少了52.3％、57.7％和55.6％，變質(zhì)后合金的耐磨性增強(qiáng)。變質(zhì)后的過共晶鋁硅合金的磨損機(jī)理為磨粒磨損、粘著磨損和氧化磨損;未變質(zhì)的過共晶鋁硅合金磨損機(jī)理為磨粒磨損和粘著磨

8、損。
　　電子探針(EPMA)和掃描電鏡(SEM)分析表明:在過共晶鋁硅合金中初生硅的中心及邊緣幾乎檢測(cè)不到Nd元素，Nd主要分布在晶界，這種分布狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致在熔體冷凝過程中，Nd分布在固液界面，阻礙硅向生長界面擴(kuò)散，抑制硅相的生長，從而減緩初生硅的生長，達(dá)到細(xì)化效果，因此成分過冷理論比較適用于解釋本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。
　　差示掃描量熱法(DSC)分析表明:稀土元素Nd加入到過共晶鋁硅合金當(dāng)中，降低了初晶起始溫度和初生硅析出溫度，縮

9、短了初生硅冷凝時(shí)間，造成快速冷凝，結(jié)果降低了Si原子的活動(dòng)能力，從而減小初生硅的尺寸。這說明稀土元素Nd對(duì)過共晶鋁硅合金的變質(zhì)機(jī)理符合成分過冷理論，而不符合異質(zhì)形核理論。
　　透射電鏡(TEM)和X射線衍射(XRD)分析表明:在過共晶鋁硅合金中稀土元素Nd主要以AlSixNdy三元相形式存在。與未變質(zhì)合金相比，變質(zhì)后的合金中有新相的衍射峰，進(jìn)一步證明了AlSixNdy三元相的存在。變質(zhì)前后硅相各晶面指數(shù)的衍射強(qiáng)度分析表明:稀土元素