2024年4月8日发(作者：有觅露)
第
34
卷第
3
期
2010
年
3
月
机 械 工 程 材 料
Materials
for
Mechanical
Engineering
Vol.34
No.3
Mar.
2010
变质处理对过共晶铝硅合金组织和性能的影响
林家平
,
徐建秋
,
肖于德
,
王伟
,
裴斐
,
乔翔
(
中南大学材料科学与工程学院
,
长沙
410083
)
摘 要
:
通过在铸造过程中对熔体进行二元和三元变质处理
,
制备了硅质量分数为
18%
的
A390
过共晶铝硅合金
;
通过金相分析、扫描电镜观察、拉伸性能测试、耐磨性能测试等手段研究了
变质处理对
A390
过共晶铝硅合金组织和性能的影响。结果表明
:A390
合金经过变质处理后
,
初
晶硅棱角得到钝化
,
尺寸小于
30
μ
m,
共晶硅出现球化
,
晶粒尺寸减小
;
变质后合金力学性能明显提
高
,
其中经三元变质处理后其室温抗拉强度与伸长率较未变质处理的分别提高了
31%
与
150%;
耐
磨性能也有一定程度的改善
,
三元变质处理后的磨损机理以微观切削为主。
关键词
:
铝硅合金
;
变质处理
;
显微组织
;
力学性能
;
耐磨性能
中图分类号
:TG143
文献标志码
:A
文章编号
:1000
2
3738
(
2010
)
03
2
0031
2
04
InfluenceofModificationonMicrostructureandMechanical
PropertiesofHypereutecticAl
2
SiAlloy
LINJia
2
ping,XUJian
2
qiu,XIAOYu
2
de,WANGWei,PEIFei,QIAOXiang
(
SchoolofMaterialsScienceandEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China
)
Abstract:
TheA390hypereutecticAl
2
Sialloywith18wt%Sicontentwaspreparedthroughthemeltmodified
luenceofmodificationonmicrostructureand
mechanicalpropertiesofA390hypereutecticAl
2
Sialloywasinvestigatedbyopticalmicroscopyanalysis,scanning
electronmicroscopyobservation,ultsshowthatafterthe
modificationofA390alloy,thecornerangleoftheprimarySiwasinactivated,anditssizewasbelow30
μ
m.
EutecticSiwasspheroidized,icalpropertiesofthemodifiedalloywereimproved
ernarymodification,comparedtonon
2
modification,theelongationandtensilestrengthofA390
alloyatroomtemperaturehadbeenincreasedby150%and31%,sistanceoftheA390alloy
rresistanceinternarymodificationwasmainlymicroscopiccutting.
Keywords:
Al
2
Sialloy;modification;microstructure;mechanicalproperty;wearresistance
0
引 言
A390
过共晶铝硅合金具有密度低、强度高、耐
流动性、耐磨性更好。但是
,
在常规的铸造条件下
,
未经变质的过共晶铝硅合金组织中存在粗大片状的
初晶硅和长针状的共晶硅
,
严重割裂基体
,
恶化合金
的铸造性能和力学性能
,
尤其是影响其塑性及耐磨
性。因此
,
有必要对过共晶铝硅合金中初晶硅和共
晶硅的变质细化开展研究
[5-6]
。
有研究表明
[1-4]
,
对过共晶铝硅合金进行变质
处理可明显改善合金中硅相的形貌、大小和分布
,
获
得良好的力学性能和耐磨性能。能对铝硅合金起变
质作用的元素有钠、锶、锑、钡、磷、硫、砷
[7-8]
等。但
由于这些元素本身都具有局限性
,
就使得用单一的
变质剂处理始终难以达到最佳的综合效果。因此
,
克服变质剂自身存在的缺点
,
寻找复合变质处理的
・
31
・
磨、耐腐蚀及热膨胀系数低等优点
,
是一种理想的新
型汽车、摩托车等发动机活塞用材料。目前
,
国外已
将它广泛用于活塞生产中
,
但国内中型和轻型汽车
发动机活塞大部分仍还采用共晶铝硅合金
[1-4]
。
随着汽车工业的发展
,
对活塞材料性能的要求
不断提高
,
传统的共晶铝硅合金越来越不能满足使
用要求。与共晶铝硅合金相比
,
过共晶铝硅合金的
收稿日期
:2009
2
02
2
26;
修订日期
:2009
2
12
2
14
作者简介
:
林家平
(
1982-
)
,
男
,
海南临高人
,
硕士研究生。
导师
:
肖于德教授
© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
林家平
,
等
:
变质处理对过共晶铝硅合金组织和性能的影响
方法成为了铝合金研究领域的一个重要课题。目前
较为普遍的是应用两种或两种以上的变质剂对铝合
金进行复合变质处理
,
但这些变质处理的效果仍不
理想。为此
,
作者研究了铝2钛2硼、铝2锑、铝2镧和
铜2磷二元及三元变质处理对铸造
A390
合金组织
中的初晶硅及共晶硅形态的影响
,
考查了不同变质
处理对该合金力学性能与耐磨性能的影响。
磨膏进行机械抛光
,
再用
Keller
试剂
(
体积分数为
0.5%
浓
HF+1.5%
浓
HCl+2.5%
浓
HNO
3
+
95
1
5%H
2
O
)
浸蚀
,
用
Polvar
2
MET
型光学显微镜下
观察晶粒尺寸及第二相形貌、尺寸。
拉伸试样按照
GB/T6397-1986
加工成
R
16
比
例试样
,
试验在
CSS
2
400
型电子万能试验机上进行
,
拉伸速度为
0.2mm
・
min
-1
,
取
6
根试样的平均值。
摩擦磨损试验在
CETRUMT
2
3
型多功能微摩
擦磨损测试仪上进行
,
上试样为<
9.5mm
的铬钢
球
(
62HRC
)
,
下试样采用
19mm
×
12mm
×
12mm
试块
,
下试样表面经
800
#
金相水砂纸磨光
,
用精度
为
0.1mg
的
ShimdzuAUY220
型分析天平测量其
质量
,
计算磨损质量损失
,
试验在干磨条件下进行
,
频率为
5Hz,
载荷为
100N,
磨损时间为
30min
。
用
KYKY
2
2500
型扫描电镜
(
SEM
)
观察磨损表面形
貌
;
用
QUANTA
2
200
型环境扫描电镜
(
SEM
)
附带
的能谱仪分析磨屑成分。
1
试样制备与试验方法
试验原料为纯度
99.9%
铝锭、纯度
99.9%
镁锭、
Al
2
30Si
、
Al
2
50Cu
和
Al
2
10Mn
(
质量分数
,
下同
)
中间
合金。先将原料按
Al
2
18Si
2
4.5Cu
2
0.6Mg
2
0
1
1Mn
成
分配制出过共晶铝硅母合金熔炼原料并进行熔炼。
用石墨坩埚在
CRL
2
D
型电阻炉内于
760
℃熔化母合
金并保温
,
加入
C
2
Cl
6
精炼除气
,
变质剂细化剂以
Al
2
10La
、
Al
2
10Sb
、
Cu
2
13P
和
Al
2
5Ti
2
2B
中间合金的形式
加入。二元变质处理时
,
母合金熔液静置
5min
后
,
添加
Al
2
10La
(
以镧质量分数为
0.6%
的量加入
)
,
待
熔化后静置
5min,
然后依次添加
Al
2
10Sb
(
以锑质量
分数为
0.008%
的量加入
)
和适量
Al
2
5Ti
2
2B
晶粒细
化剂
(
以钛和硼总质量分数为
0.6%
的量加入
)
;
三元
变质处理时
,
先将母合金熔液升温到
900
～
950
℃
,
添
加
Cu
2
13P
中间合金
(
以铜和磷总质量分数为
0.67%
的量加入
)
,
保温
60min,
再降温到
760
℃后添加
Al
2
10La
(
以镧质量分数为
0.6%
的量加入
)
,
静置
5min
后添加
Al
2
10Sb
(
以锑质量分数为
0.008%
的量加入
)
和
Al
2
5Ti
2
2B
(
以钛和硼总质量分数为
0.6%
的量加
入
)
。待添加完变质剂和细化剂后静置
5min,
降温到
720
℃
,
用预热至
130
℃的铁模浇注成<
15mm
×
115mm
圆棒。
2
试验结果与讨论
2.1
变质处理对合金铸态组织的影响
由图
1
可见
,
未经变质处理的
A390
合金铸态
组织中初晶硅为粗大不规则块状
,
呈针状尺寸大于
50
μ
m
的共晶硅占
50%
以上
,
基体晶粒较大
;
经二
元变质处理后的
,
合金组织中初晶硅数量增多
,
没有
出现聚集
,
硅相棱角发生了钝化
,
表面圆滑
,
但部分
初晶硅仍有尖角突出
,
尺寸小于
30
μ
m;
在变质处理
过程中
,
锑对共晶硅有变质效果
,
能有效地使共晶硅
由针状变成颗粒状
,
并使树枝状基体的条杆变细
,
分
布均匀
;
此外
,
它易填补生长中的铝硅合金晶粒的表
面缺陷
,
阻碍晶粒继续长大
,
使晶粒细化
[9-11]
。一
般将锑与稀土元素按一定的比例混合进行变质处理
可有效细化合金中的共晶硅
,
而对初晶硅的细化效
在铸态圆棒上截取<
15mm
×
10mm
的试样
,
经预磨、粗磨和细磨后用
Cr
2
O
3
抛光液及金刚石研
(a)
未变质处理
(b)
二元变质处理
(c)
三元变质处理
图
1
经不同变质处理
A390
合金的铸态组织
Fig.1
Microstructureoftheas
2
castedA390alloyswithdifferentmodificationmethods:(a)withoutmodification;
(b)binarymodificationand(c)ternarymodification
・
32
・
© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
林家平
,
等
:
变质处理对过共晶铝硅合金组织和性能的影响
果不明显
,
但从图
1
(
b
)
可以看到
,
初晶硅的形貌和
大小也发生了一定程度的改变
,
这可能是由于加入
了适量的
Al
2
5Ti
2
2B,
细化了基体
,
促进了变质效
果
;
而稀土本身就有非均质形核作用
,
可在固液界面
前沿产生成分过冷而促进形核。也有人认为稀土降
低了铝熔体表面活化能
,
提高了铝熔体在
TiAl
3
和
TiB
2
表面的润湿性
,
阻碍了
TiB
2
的聚集、沉淀
[12]
。
表
2
经不同变质处理
A390
合金的摩擦磨损性能
Tab.2
FrictionandwearproperitesofA390alloys
withdifferentmodificationmethods
试样
未经变质处理
二元变质处理
三元变质处理
摩擦因数
0.308
0.304
0.297
质量损失
/mg
0.29
0.27
0.26
稀土的变质、净化、化学活泼性等与
Al
2
Ti
2
B
的细化
作用结合起来
,
从而提高了细化剂的性能。
由图
1
还可见
,
经三元变质处理后
,
合金中初晶
硅尺寸进一步减小
,
部分初晶硅发生球化
,
分布均匀。
共晶硅呈短杆状
,
部分呈颗粒状
,
基体晶粒明显细化。
这是因为在铝硅熔体中加入适量磷后
,
磷与铝形成高
熔点的
AlP
化合物
,
这种化合物的晶格常数与硅相
近
,
可作为硅相的异质核心
,
增加硅相的形核率
,
对初
晶硅起到细化作用。磷除了起异质核心作用外
,
还吸
附在初晶硅生长面上
,
使其产生多重孪晶
,
其形貌由
树枝状变为花状再到颗粒状
;
而过共晶铝硅合金中的
共晶硅无需形核
,
可直接依附于初晶硅生长
,
所以
,
磷
在细化初晶硅的同时
,
也间接地细化了共晶硅
,
但对
其形貌的改变作用甚小
,
只有通过与其他元素的复合
变质
,
才能在细化共晶硅的同时改变其形貌。再者
,
适量
Al
2
5Ti
2
2B
合金的加入影响了铝硅合金熔体中
AlP
的分布及聚集状态
,
并最终对初晶硅的大小和分
布产生影响
[13-15]
。
2.2
变质处理对合金拉伸性能的影响
由表
1
可知
,A390
合金经过变质处理后
,
合金
抗拉强度与伸长率明显提高
;
其中经二元变质处理
的室温抗拉强度较未变质处理的提高了
15.1%,
而
经过三元变质处理的室温抗拉强度提高了
31%;
经
三元变质处理后合金室温伸长率较未变质处理的提
高了
150%
。
表
1
经不同变质处理
A390
合金的拉伸性能
Tab.1
TensilepropertiesofA390alloyswith
differentmodificationmethods
试样
未经变质处理
二元变质处理
三元变质处理
σ
b
/MPa
132
152
173
δ
/%
0.2
0.3
0.5
2.3
变质处理对合金耐磨性能的影响
由表
2
可知
,A390
合金经过变质处理后
,
其摩
擦因数与质量损失都有所减小
,
且经过三元变质处
理后摩擦因数明显比二元变质处理的小
,
质量损失
也有所下降。由此可见
,
合金经二元和三元变质处
理后均有利于提高其耐磨性能。
合金经变质处理后耐磨性能优于未变质处理
的
,
这是由于合金中硅相的尺寸和分布对其耐磨性
有很大影响
,
经变质处理后合金的初晶硅得到细化
,
在相同的磨损应力下
,
虽仍有初晶硅被磨料切入和
剥落
,
但发生的几率已大大降低
,
而那些未被剥落的
细小初晶硅硬质点增加了铝基体的承载能力
,
使得
磨损量降低。另外
,
基体晶粒细化使基体的强度、硬
度提高
,
磨料磨损产生的犁沟变浅
[16]
。
由图
2
可以看出
,
未变质处理合金的磨损表面
有粗大的犁沟痕迹
,
并伴有大块金属剥落
;
经二元变
质处理合金的犁沟痕迹细小
,
没有大块金属剥落。
对未变质处理和经二元变质处理的合金磨损表面在
更高倍电镜下观察
,
可见在犁沟痕迹附近分布有大
量的白色颗粒
M,
分析表明其为富硅的颗粒
,
判断
是硅相
,
如图
3
(
a
)
所示。经三元变质处理后合金的
磨损犁沟更密更细
,
磨屑大体上呈不规则的片状和
粒状。片状磨屑的
A
点主要含铝和铁元素
,
而粒状
磨屑的
B
点主要含铝和硅元素
,
还有少量镁和铜元
素
,
如图
3
(
b
)
,
(
c
)
所示。
由此可知
,
合金磨损机理是微观切削和脆性剥
落磨损的共同叠加作用
,
未变质处理的合金以脆性
剥落磨损为主
,
经变质处理的合金则以微观切削为
主。由于变质前后的合金组织是不同尺寸的初晶硅
分布在共晶基体上
,
在磨损时
,
由于铝基体比较软
,
首先在其表面上产生切削
,
形成一道道的犁沟磨迹。
当切削遇上初晶硅颗粒时
,
由于其棱角形态与较高
的显微硬度
,
不易发生塑性变形
,
易在磨损应力作用
下于尖角处形成对铝基体的应力集中
;
由于尖角形
态的初晶硅与铝基体的结合力较弱
,
易在磨损应力
作用下造成初晶硅颗粒发生断裂、剥落
,
进而作为硬
质点在磨面之间滑动形成显微切削
,
使磨料垂直楔
入表面而产生犁沟痕迹
,
硅颗粒越细越多
,
犁沟痕迹
就越细越密。由于经三元变质处理后初晶硅得到细
化
,
棱角钝化
,
剥落后也较细小
,
因此犁沟痕迹必然
要细密些。另外
,
合金的力学性能越低
,
越不易吸收
其和磨料相对运动所产生的冲击能量
,
在磨损表面
产生压痕
,
产生鳞片状剥落物越多。
・
33
・
© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
林家平
,
等
:
变质处理对过共晶铝硅合金组织和性能的影响
(a)
未经变质处理
(a)
未变质处理和经过二元变质处理后磨损表面
M
点的
EDS
谱
(b)
未经变质处理
(b)
A
点的
EDS
谱
(c)
二元变质处理
(c)
B
点的
EDS
谱
图
3
经不同变质处理
A390
合金磨损表面
M
、
A
和
B
点的
EDS
谱
Fig.3
EDSspectraofM,AandBonwearsurfaceofA390alloys
preparedbydifferentmodificationmethods:(a)EDSspectraofM
onwearsurfacewithoutmodificationandwithbinarymodification
and(b),(c)EDSspectraofAandBonwearsurfacewith
(d)
二元变质处理
ternarymodification
(
2
)
经过变质处理后
,A390
合金的抗拉强度与伸
长率明显提高
;
其中
,
经三元变质处理后室温抗拉强度
与伸长率较未变质处理的分别提高了
31%
与
150%
。
(
3
)
铸态
A390
合金经过变质处理后耐磨性得
到改善
,
磨损机理是微观切削和脆性剥落磨损共同
(e)
三元变质处理
叠加作用的结果
,
且以微观切削为主
;
而未变质处理
的合金以脆性剥落磨损为主。
参考文献
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,
赖俊传
.
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湖北汽车
图
2
经不同变质处理
A390
合金的磨损表面与磨屑形貌
Fig.2
WearsurfaceandweardebrismorphologyoftheA390alloys
preparedbydifferentmodificationmethods:(a),(b)wearsurfacesof
A390alloyswithoutmodification;(c),(d)wearsurfacesofA390
alloyspreparedbybinarymodificationand(e)wearsurfaceofA390
alloypreparedbytenarymodification
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,1998,12
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质处理后
,
合金的铸态组织得到细化、变质效果良
好
;
初晶硅尺寸减小
(
小于
30
μ
m
)
,
表面棱角钝化
,
共晶硅发生球化
,
颗粒尺寸减小。
・
34
・
料
,1999
(
1
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材料导报
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5
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:42
2
45.
(
下转第
60
页
)
© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
朱文东
,
等
:
硼对铁基合金粉块碳弧堆焊层成形性和耐磨性的影响
微硬度也有所提高
,
促使了堆焊层耐磨性持续提高
;
当硼质量分数大于
4.01%
后
,
堆焊层硬度不再增
大
,
磨损质量稍有增加
,
耐磨性有下降趋势。这是因
为随着硼含量的增加
,
相应减少了高碳铬粉的含量
,
硼含量过高致使碳含量降低
,
作为硬质相的碳化物
数量减少
;
此外
,
硼含量过高使过多的硼偏析于晶
界
[8]
,
会降低堆焊层韧性
,
增大脆性剥落倾向。由图
5
可见
,
试样
3
和试样
6
都只出现显微切削的犁沟
,
而试样
7
出现了大量的脆性剥落坑。因此
,
合金粉
块中硼含量不能过高
,
以
4.01%
为宜。
(a)
试样
3(b)
试样
6(c)
试样
7
图
5
不同硼含量堆焊层的磨损形貌
Fig.5
ThewearappearanceofhardfacinglayerswithdifferentBcontents:(a)sample1;(b)sample6and(c)sample7
3
结 论
(
1
)
在铁基合金粉块中加入适量的硼可有效改
[2]
顾德骥
.
国内外自熔合金粉末表面喷焊技术发展动向
[J].
机械
工程材料
,1978,14
(
6
)
:1
2
15.
[3]
朱润生
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自熔合金粉末的研究
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粉末冶金工业
,2000,22
(
2
)
:
8
2
14.
[4]
崔传孟
,
徐秀光
,
张显鹏
,
等
.B
2
O
3
2
MgO
2
SiO
2
2
A1
2
O
3
2
CaO
系渣
善碳弧堆焊层的成形性
;
当粉块中硼的质量分数在
4.01%
～
4.95%
时
,
能够获得成形良好的堆焊层。
(
2
)
向铁基合金粉块中添加适量的硼能提高堆
焊层的耐磨性
;
当硼质量分数在
0%
～
4.01%
时
,
随
着硼含量的增加硬质相数量增加
,
硬度提高
,
且由大
块状变成细小状
,
分布均匀
,
耐磨性提高
;
合金粉块
中硼质量分数为
4.01%
时耐磨性能最佳
;
超过此值
后耐磨性有下降趋势。
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西北工业大学
,2000.
本刊邮发代号
:4
2
221
定价
12
元 全年
144
元 欢迎订阅
・
60
・
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2024年4月8日发(作者：有觅露)
第
34
卷第
3
期
2010
年
3
月
机 械 工 程 材 料
Materials
for
Mechanical
Engineering
Vol.34
No.3
Mar.
2010
变质处理对过共晶铝硅合金组织和性能的影响
林家平
,
徐建秋
,
肖于德
,
王伟
,
裴斐
,
乔翔
(
中南大学材料科学与工程学院
,
长沙
410083
)
摘 要
:
通过在铸造过程中对熔体进行二元和三元变质处理
,
制备了硅质量分数为
18%
的
A390
过共晶铝硅合金
;
通过金相分析、扫描电镜观察、拉伸性能测试、耐磨性能测试等手段研究了
变质处理对
A390
过共晶铝硅合金组织和性能的影响。结果表明
:A390
合金经过变质处理后
,
初
晶硅棱角得到钝化
,
尺寸小于
30
μ
m,
共晶硅出现球化
,
晶粒尺寸减小
;
变质后合金力学性能明显提
高
,
其中经三元变质处理后其室温抗拉强度与伸长率较未变质处理的分别提高了
31%
与
150%;
耐
磨性能也有一定程度的改善
,
三元变质处理后的磨损机理以微观切削为主。
关键词
:
铝硅合金
;
变质处理
;
显微组织
;
力学性能
;
耐磨性能
中图分类号
:TG143
文献标志码
:A
文章编号
:1000
2
3738
(
2010
)
03
2
0031
2
04
InfluenceofModificationonMicrostructureandMechanical
PropertiesofHypereutecticAl
2
SiAlloy
LINJia
2
ping,XUJian
2
qiu,XIAOYu
2
de,WANGWei,PEIFei,QIAOXiang
(
SchoolofMaterialsScienceandEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China
)
Abstract:
TheA390hypereutecticAl
2
Sialloywith18wt%Sicontentwaspreparedthroughthemeltmodified
luenceofmodificationonmicrostructureand
mechanicalpropertiesofA390hypereutecticAl
2
Sialloywasinvestigatedbyopticalmicroscopyanalysis,scanning
electronmicroscopyobservation,ultsshowthatafterthe
modificationofA390alloy,thecornerangleoftheprimarySiwasinactivated,anditssizewasbelow30
μ
m.
EutecticSiwasspheroidized,icalpropertiesofthemodifiedalloywereimproved
ernarymodification,comparedtonon
2
modification,theelongationandtensilestrengthofA390
alloyatroomtemperaturehadbeenincreasedby150%and31%,sistanceoftheA390alloy
rresistanceinternarymodificationwasmainlymicroscopiccutting.
Keywords:
Al
2
Sialloy;modification;microstructure;mechanicalproperty;wearresistance
0
引 言
A390
过共晶铝硅合金具有密度低、强度高、耐
流动性、耐磨性更好。但是
,
在常规的铸造条件下
,
未经变质的过共晶铝硅合金组织中存在粗大片状的
初晶硅和长针状的共晶硅
,
严重割裂基体
,
恶化合金
的铸造性能和力学性能
,
尤其是影响其塑性及耐磨
性。因此
,
有必要对过共晶铝硅合金中初晶硅和共
晶硅的变质细化开展研究
[5-6]
。
有研究表明
[1-4]
,
对过共晶铝硅合金进行变质
处理可明显改善合金中硅相的形貌、大小和分布
,
获
得良好的力学性能和耐磨性能。能对铝硅合金起变
质作用的元素有钠、锶、锑、钡、磷、硫、砷
[7-8]
等。但
由于这些元素本身都具有局限性
,
就使得用单一的
变质剂处理始终难以达到最佳的综合效果。因此
,
克服变质剂自身存在的缺点
,
寻找复合变质处理的
・
31
・
磨、耐腐蚀及热膨胀系数低等优点
,
是一种理想的新
型汽车、摩托车等发动机活塞用材料。目前
,
国外已
将它广泛用于活塞生产中
,
但国内中型和轻型汽车
发动机活塞大部分仍还采用共晶铝硅合金
[1-4]
。
随着汽车工业的发展
,
对活塞材料性能的要求
不断提高
,
传统的共晶铝硅合金越来越不能满足使
用要求。与共晶铝硅合金相比
,
过共晶铝硅合金的
收稿日期
:2009
2
02
2
26;
修订日期
:2009
2
12
2
14
作者简介
:
林家平
(
1982-
)
,
男
,
海南临高人
,
硕士研究生。
导师
:
肖于德教授
© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
林家平
,
等
:
变质处理对过共晶铝硅合金组织和性能的影响
方法成为了铝合金研究领域的一个重要课题。目前
较为普遍的是应用两种或两种以上的变质剂对铝合
金进行复合变质处理
,
但这些变质处理的效果仍不
理想。为此
,
作者研究了铝2钛2硼、铝2锑、铝2镧和
铜2磷二元及三元变质处理对铸造
A390
合金组织
中的初晶硅及共晶硅形态的影响
,
考查了不同变质
处理对该合金力学性能与耐磨性能的影响。
磨膏进行机械抛光
,
再用
Keller
试剂
(
体积分数为
0.5%
浓
HF+1.5%
浓
HCl+2.5%
浓
HNO
3
+
95
1
5%H
2
O
)
浸蚀
,
用
Polvar
2
MET
型光学显微镜下
观察晶粒尺寸及第二相形貌、尺寸。
拉伸试样按照
GB/T6397-1986
加工成
R
16
比
例试样
,
试验在
CSS
2
400
型电子万能试验机上进行
,
拉伸速度为
0.2mm
・
min
-1
,
取
6
根试样的平均值。
摩擦磨损试验在
CETRUMT
2
3
型多功能微摩
擦磨损测试仪上进行
,
上试样为<
9.5mm
的铬钢
球
(
62HRC
)
,
下试样采用
19mm
×
12mm
×
12mm
试块
,
下试样表面经
800
#
金相水砂纸磨光
,
用精度
为
0.1mg
的
ShimdzuAUY220
型分析天平测量其
质量
,
计算磨损质量损失
,
试验在干磨条件下进行
,
频率为
5Hz,
载荷为
100N,
磨损时间为
30min
。
用
KYKY
2
2500
型扫描电镜
(
SEM
)
观察磨损表面形
貌
;
用
QUANTA
2
200
型环境扫描电镜
(
SEM
)
附带
的能谱仪分析磨屑成分。
1
试样制备与试验方法
试验原料为纯度
99.9%
铝锭、纯度
99.9%
镁锭、
Al
2
30Si
、
Al
2
50Cu
和
Al
2
10Mn
(
质量分数
,
下同
)
中间
合金。先将原料按
Al
2
18Si
2
4.5Cu
2
0.6Mg
2
0
1
1Mn
成
分配制出过共晶铝硅母合金熔炼原料并进行熔炼。
用石墨坩埚在
CRL
2
D
型电阻炉内于
760
℃熔化母合
金并保温
,
加入
C
2
Cl
6
精炼除气
,
变质剂细化剂以
Al
2
10La
、
Al
2
10Sb
、
Cu
2
13P
和
Al
2
5Ti
2
2B
中间合金的形式
加入。二元变质处理时
,
母合金熔液静置
5min
后
,
添加
Al
2
10La
(
以镧质量分数为
0.6%
的量加入
)
,
待
熔化后静置
5min,
然后依次添加
Al
2
10Sb
(
以锑质量
分数为
0.008%
的量加入
)
和适量
Al
2
5Ti
2
2B
晶粒细
化剂
(
以钛和硼总质量分数为
0.6%
的量加入
)
;
三元
变质处理时
,
先将母合金熔液升温到
900
～
950
℃
,
添
加
Cu
2
13P
中间合金
(
以铜和磷总质量分数为
0.67%
的量加入
)
,
保温
60min,
再降温到
760
℃后添加
Al
2
10La
(
以镧质量分数为
0.6%
的量加入
)
,
静置
5min
后添加
Al
2
10Sb
(
以锑质量分数为
0.008%
的量加入
)
和
Al
2
5Ti
2
2B
(
以钛和硼总质量分数为
0.6%
的量加
入
)
。待添加完变质剂和细化剂后静置
5min,
降温到
720
℃
,
用预热至
130
℃的铁模浇注成<
15mm
×
115mm
圆棒。
2
试验结果与讨论
2.1
变质处理对合金铸态组织的影响
由图
1
可见
,
未经变质处理的
A390
合金铸态
组织中初晶硅为粗大不规则块状
,
呈针状尺寸大于
50
μ
m
的共晶硅占
50%
以上
,
基体晶粒较大
;
经二
元变质处理后的
,
合金组织中初晶硅数量增多
,
没有
出现聚集
,
硅相棱角发生了钝化
,
表面圆滑
,
但部分
初晶硅仍有尖角突出
,
尺寸小于
30
μ
m;
在变质处理
过程中
,
锑对共晶硅有变质效果
,
能有效地使共晶硅
由针状变成颗粒状
,
并使树枝状基体的条杆变细
,
分
布均匀
;
此外
,
它易填补生长中的铝硅合金晶粒的表
面缺陷
,
阻碍晶粒继续长大
,
使晶粒细化
[9-11]
。一
般将锑与稀土元素按一定的比例混合进行变质处理
可有效细化合金中的共晶硅
,
而对初晶硅的细化效
在铸态圆棒上截取<
15mm
×
10mm
的试样
,
经预磨、粗磨和细磨后用
Cr
2
O
3
抛光液及金刚石研
(a)
未变质处理
(b)
二元变质处理
(c)
三元变质处理
图
1
经不同变质处理
A390
合金的铸态组织
Fig.1
Microstructureoftheas
2
castedA390alloyswithdifferentmodificationmethods:(a)withoutmodification;
(b)binarymodificationand(c)ternarymodification
・
32
・
© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
林家平
,
等
:
变质处理对过共晶铝硅合金组织和性能的影响
果不明显
,
但从图
1
(
b
)
可以看到
,
初晶硅的形貌和
大小也发生了一定程度的改变
,
这可能是由于加入
了适量的
Al
2
5Ti
2
2B,
细化了基体
,
促进了变质效
果
;
而稀土本身就有非均质形核作用
,
可在固液界面
前沿产生成分过冷而促进形核。也有人认为稀土降
低了铝熔体表面活化能
,
提高了铝熔体在
TiAl
3
和
TiB
2
表面的润湿性
,
阻碍了
TiB
2
的聚集、沉淀
[12]
。
表
2
经不同变质处理
A390
合金的摩擦磨损性能
Tab.2
FrictionandwearproperitesofA390alloys
withdifferentmodificationmethods
试样
未经变质处理
二元变质处理
三元变质处理
摩擦因数
0.308
0.304
0.297
质量损失
/mg
0.29
0.27
0.26
稀土的变质、净化、化学活泼性等与
Al
2
Ti
2
B
的细化
作用结合起来
,
从而提高了细化剂的性能。
由图
1
还可见
,
经三元变质处理后
,
合金中初晶
硅尺寸进一步减小
,
部分初晶硅发生球化
,
分布均匀。
共晶硅呈短杆状
,
部分呈颗粒状
,
基体晶粒明显细化。
这是因为在铝硅熔体中加入适量磷后
,
磷与铝形成高
熔点的
AlP
化合物
,
这种化合物的晶格常数与硅相
近
,
可作为硅相的异质核心
,
增加硅相的形核率
,
对初
晶硅起到细化作用。磷除了起异质核心作用外
,
还吸
附在初晶硅生长面上
,
使其产生多重孪晶
,
其形貌由
树枝状变为花状再到颗粒状
;
而过共晶铝硅合金中的
共晶硅无需形核
,
可直接依附于初晶硅生长
,
所以
,
磷
在细化初晶硅的同时
,
也间接地细化了共晶硅
,
但对
其形貌的改变作用甚小
,
只有通过与其他元素的复合
变质
,
才能在细化共晶硅的同时改变其形貌。再者
,
适量
Al
2
5Ti
2
2B
合金的加入影响了铝硅合金熔体中
AlP
的分布及聚集状态
,
并最终对初晶硅的大小和分
布产生影响
[13-15]
。
2.2
变质处理对合金拉伸性能的影响
由表
1
可知
,A390
合金经过变质处理后
,
合金
抗拉强度与伸长率明显提高
;
其中经二元变质处理
的室温抗拉强度较未变质处理的提高了
15.1%,
而
经过三元变质处理的室温抗拉强度提高了
31%;
经
三元变质处理后合金室温伸长率较未变质处理的提
高了
150%
。
表
1
经不同变质处理
A390
合金的拉伸性能
Tab.1
TensilepropertiesofA390alloyswith
differentmodificationmethods
试样
未经变质处理
二元变质处理
三元变质处理
σ
b
/MPa
132
152
173
δ
/%
0.2
0.3
0.5
2.3
变质处理对合金耐磨性能的影响
由表
2
可知
,A390
合金经过变质处理后
,
其摩
擦因数与质量损失都有所减小
,
且经过三元变质处
理后摩擦因数明显比二元变质处理的小
,
质量损失
也有所下降。由此可见
,
合金经二元和三元变质处
理后均有利于提高其耐磨性能。
合金经变质处理后耐磨性能优于未变质处理
的
,
这是由于合金中硅相的尺寸和分布对其耐磨性
有很大影响
,
经变质处理后合金的初晶硅得到细化
,
在相同的磨损应力下
,
虽仍有初晶硅被磨料切入和
剥落
,
但发生的几率已大大降低
,
而那些未被剥落的
细小初晶硅硬质点增加了铝基体的承载能力
,
使得
磨损量降低。另外
,
基体晶粒细化使基体的强度、硬
度提高
,
磨料磨损产生的犁沟变浅
[16]
。
由图
2
可以看出
,
未变质处理合金的磨损表面
有粗大的犁沟痕迹
,
并伴有大块金属剥落
;
经二元变
质处理合金的犁沟痕迹细小
,
没有大块金属剥落。
对未变质处理和经二元变质处理的合金磨损表面在
更高倍电镜下观察
,
可见在犁沟痕迹附近分布有大
量的白色颗粒
M,
分析表明其为富硅的颗粒
,
判断
是硅相
,
如图
3
(
a
)
所示。经三元变质处理后合金的
磨损犁沟更密更细
,
磨屑大体上呈不规则的片状和
粒状。片状磨屑的
A
点主要含铝和铁元素
,
而粒状
磨屑的
B
点主要含铝和硅元素
,
还有少量镁和铜元
素
,
如图
3
(
b
)
,
(
c
)
所示。
由此可知
,
合金磨损机理是微观切削和脆性剥
落磨损的共同叠加作用
,
未变质处理的合金以脆性
剥落磨损为主
,
经变质处理的合金则以微观切削为
主。由于变质前后的合金组织是不同尺寸的初晶硅
分布在共晶基体上
,
在磨损时
,
由于铝基体比较软
,
首先在其表面上产生切削
,
形成一道道的犁沟磨迹。
当切削遇上初晶硅颗粒时
,
由于其棱角形态与较高
的显微硬度
,
不易发生塑性变形
,
易在磨损应力作用
下于尖角处形成对铝基体的应力集中
;
由于尖角形
态的初晶硅与铝基体的结合力较弱
,
易在磨损应力
作用下造成初晶硅颗粒发生断裂、剥落
,
进而作为硬
质点在磨面之间滑动形成显微切削
,
使磨料垂直楔
入表面而产生犁沟痕迹
,
硅颗粒越细越多
,
犁沟痕迹
就越细越密。由于经三元变质处理后初晶硅得到细
化
,
棱角钝化
,
剥落后也较细小
,
因此犁沟痕迹必然
要细密些。另外
,
合金的力学性能越低
,
越不易吸收
其和磨料相对运动所产生的冲击能量
,
在磨损表面
产生压痕
,
产生鳞片状剥落物越多。
・
33
・
© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
林家平
,
等
:
变质处理对过共晶铝硅合金组织和性能的影响
(a)
未经变质处理
(a)
未变质处理和经过二元变质处理后磨损表面
M
点的
EDS
谱
(b)
未经变质处理
(b)
A
点的
EDS
谱
(c)
二元变质处理
(c)
B
点的
EDS
谱
图
3
经不同变质处理
A390
合金磨损表面
M
、
A
和
B
点的
EDS
谱
Fig.3
EDSspectraofM,AandBonwearsurfaceofA390alloys
preparedbydifferentmodificationmethods:(a)EDSspectraofM
onwearsurfacewithoutmodificationandwithbinarymodification
and(b),(c)EDSspectraofAandBonwearsurfacewith
(d)
二元变质处理
ternarymodification
(
2
)
经过变质处理后
,A390
合金的抗拉强度与伸
长率明显提高
;
其中
,
经三元变质处理后室温抗拉强度
与伸长率较未变质处理的分别提高了
31%
与
150%
。
(
3
)
铸态
A390
合金经过变质处理后耐磨性得
到改善
,
磨损机理是微观切削和脆性剥落磨损共同
(e)
三元变质处理
叠加作用的结果
,
且以微观切削为主
;
而未变质处理
的合金以脆性剥落磨损为主。
参考文献
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图
2
经不同变质处理
A390
合金的磨损表面与磨屑形貌
Fig.2
WearsurfaceandweardebrismorphologyoftheA390alloys
preparedbydifferentmodificationmethods:(a),(b)wearsurfacesof
A390alloyswithoutmodification;(c),(d)wearsurfacesofA390
alloyspreparedbybinarymodificationand(e)wearsurfaceofA390
alloypreparedbytenarymodification
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质处理后
,
合金的铸态组织得到细化、变质效果良
好
;
初晶硅尺寸减小
(
小于
30
μ
m
)
,
表面棱角钝化
,
共晶硅发生球化
,
颗粒尺寸减小。
・
34
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朱文东
,
等
:
硼对铁基合金粉块碳弧堆焊层成形性和耐磨性的影响
微硬度也有所提高
,
促使了堆焊层耐磨性持续提高
;
当硼质量分数大于
4.01%
后
,
堆焊层硬度不再增
大
,
磨损质量稍有增加
,
耐磨性有下降趋势。这是因
为随着硼含量的增加
,
相应减少了高碳铬粉的含量
,
硼含量过高致使碳含量降低
,
作为硬质相的碳化物
数量减少
;
此外
,
硼含量过高使过多的硼偏析于晶
界
[8]
,
会降低堆焊层韧性
,
增大脆性剥落倾向。由图
5
可见
,
试样
3
和试样
6
都只出现显微切削的犁沟
,
而试样
7
出现了大量的脆性剥落坑。因此
,
合金粉
块中硼含量不能过高
,
以
4.01%
为宜。
(a)
试样
3(b)
试样
6(c)
试样
7
图
5
不同硼含量堆焊层的磨损形貌
Fig.5
ThewearappearanceofhardfacinglayerswithdifferentBcontents:(a)sample1;(b)sample6and(c)sample7
3
结 论
(
1
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在铁基合金粉块中加入适量的硼可有效改
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O
3
2
MgO
2
SiO
2
2
A1
2
O
3
2
CaO
系渣
善碳弧堆焊层的成形性
;
当粉块中硼的质量分数在
4.01%
～
4.95%
时
,
能够获得成形良好的堆焊层。
(
2
)
向铁基合金粉块中添加适量的硼能提高堆
焊层的耐磨性
;
当硼质量分数在
0%
～
4.01%
时
,
随
着硼含量的增加硬质相数量增加
,
硬度提高
,
且由大
块状变成细小状
,
分布均匀
,
耐磨性提高
;
合金粉块
中硼质量分数为
4.01%
时耐磨性能最佳
;
超过此值
后耐磨性有下降趋势。
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本刊邮发代号
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