二元AL-Si合金力學(xué)行為與β-Si相形態(tài)間的相關(guān)性研究.pdf

1、近共晶和過共晶Al-Si系合金以其鑄造性能好、綜合力學(xué)性能高、熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱性好等優(yōu)點(diǎn)，成為制造活塞、汽缸等汽車零部件理想的輕量化材料。然而，粗大板塊狀的初晶β-Si相和針片狀的共晶β-Si相（β-Si相以下簡(jiǎn)稱為Si相）形態(tài)是降低其力學(xué)性能的主要因素。工業(yè)生產(chǎn)中常采用變質(zhì)處理來改善Si相形態(tài)，從而提高拉伸性能。但目前Si相形態(tài)（包括Si相形貌、尺寸及分布等）對(duì)硬度、耐磨性等其它力學(xué)性能的影響規(guī)律尚缺乏系統(tǒng)研究。基于此，本文以近共晶

2、Al-13Si和過共晶Al-25Si二元合金為主要研究對(duì)象，采用P、Sr變質(zhì)處理Al-13Si合金分別獲得過共晶/亞共晶組織特征形態(tài);通過加P等熔體處理，使Al-25Si合金中初晶Si相呈不同尺寸及分布形態(tài)。研究了在成分一定的前提下，Si相形貌、尺寸及分布等變化時(shí)，Al-13Si和Al-25Si合金宏觀硬度、拉伸性能以及摩擦磨損性能的變化規(guī)律;分析了硬度、耐磨性能等力學(xué)行為對(duì)Si相形態(tài)敏感性差異及其成因;研究了Ca元素對(duì)P變質(zhì)或細(xì)化的抑

3、制作用機(jī)理，提出了一種高效環(huán)保的除Ca新工藝。
　　本文主要研究工作如下:
　　(1)近共晶Al-13Si合金Si相組織形貌及分布與力學(xué)行為的相關(guān)性研究發(fā)現(xiàn)，在室溫條件下，當(dāng)化學(xué)成分一定時(shí)，調(diào)控Si相形貌及分布并不能使Al-13Si合金的硬度發(fā)生明顯變化，表明硬度對(duì)Si相形貌及分布不敏感。但Si相形態(tài)卻顯著影響拉伸性能和耐磨性能:合金經(jīng)Sr變質(zhì)處理后，α-Al基體與共晶Si相界面結(jié)合關(guān)系得到顯著改善，拉伸強(qiáng)度達(dá)到205MPa

4、，相比P變質(zhì)處理提升23％左右，延伸率由1.03％提高至3.48％;摩擦磨損試驗(yàn)中合金的磨損量也較P變質(zhì)的少，尤其是在高載荷(120N、150N)條件下，合金的耐磨性更好。與之相反，在高溫(350℃)條件下，P變質(zhì)后合金中Si相分布相對(duì)更均勻，變形更協(xié)調(diào)，合金拉伸強(qiáng)度更高，達(dá)到72MPa，延伸率為7.4％;摩擦系數(shù)變化更為平穩(wěn)，耐磨性更佳。以上結(jié)果表明，合金拉伸性能和耐磨性均對(duì)Si相形貌及分布比較敏感。
　　(2)過共晶Al-25

5、Si合金初晶Si相尺寸與力學(xué)行為的相關(guān)性室溫條件下，將Al-25Si合金初晶Si平均尺寸由200μm細(xì)化至15μm左右時(shí)，拉伸強(qiáng)度由99MPa提高至152MPa，比未細(xì)化時(shí)提高53％，延伸率由0.65％提高至0.94％;同樣地，摩擦磨損試驗(yàn)中合金在高載荷條件下磨損量也明顯減少，合金的耐磨性得到提升。但硬度值仍與細(xì)化前幾乎保持一致，其它幾組過共晶Al-Si合金的硬度值也反映了類似的規(guī)律。這說明Al-Si合金的室溫硬度與Si相形貌、尺寸及分

6、布變化無關(guān)，主要取決于Si的體積分?jǐn)?shù)。高溫(350℃)條件下，初晶Si相的細(xì)化同樣有利于合金拉伸性能和耐磨性的提高:拉伸強(qiáng)度由66MPa提高至69MPa，延伸率由0.4％提升至2.7％;摩擦系數(shù)變得更加穩(wěn)定。
　　(3)雜質(zhì)Ca對(duì)P變質(zhì)或細(xì)化的抑制作用機(jī)理與除Ca新工藝
　　系統(tǒng)研究了Ca和P元素在Al-Si熔體中的相互作用，分析了Ca添加量對(duì)P變質(zhì)Al-13Si合金組織形態(tài)的影響，揭示了Al-Si-Ca-P合金系中Ca的存