近共晶Al-Si合金的晶粒细化及性能研究

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Al-Si系铸造铝合金是目前工业生产应用最为广泛的铸造铝合金,其中近共晶Al-Si合金具有优异的综合性能,具有良好的耐磨性、耐腐蚀性,还具有低的热膨胀系数和线收缩率,在高温下具有高的热稳定性,因此在汽车工业中应用较为广泛。随着工业的发展,对合金的性能要求不断提高,通过细晶强化进一步提高近共晶铝硅合金的性能对于合金的应用具有重要的意义。本文主要研究近共晶铝硅合金的细化及其对合金组织和性能的影响,选择Al-13Si-1Cu合金和Al-12Si-4Cu-2Ni-1Mg合金为研究对象研究了 Al-Ti-C-B晶种合金、Al-Ti-C中间合金和深冷处理对近共晶铝硅合金晶粒、组织和性能的影响,在研究过程中还探究了初晶硅在晶粒细化过程中的作用,进一步拓展了晶粒细化的机理。本文的主要研究内容如下:(1)Al-Ti-C-B晶种合金对近共晶铝硅合金晶粒、组织和性能的影响向Al-13Si-1Cu合金中加入Al-Ti-C-B晶种合金,发现晶种合金对Al-13Si-1Cu合金具有好的晶粒细化效果,在对合金组织进行观察的过程中发现初晶硅的数量增多,对初晶硅的进一步研究表明Al-Ti-C-B晶种合金中含有的TiB2粒子会与AlP发生双相形核提高AlP对初晶硅的形核效率。向Al-12Si-4Cu-2Ni-1Mg合金中加入Al-Ti-C-B晶种合金,发现晶种合金对Al-12Si-4Cu-2Ni-1Mg合金具有明显的晶粒细化效果,对合金微观组织的三维结构也产生了很大的影响,加入2%Al-Ti-C-B中间合金后,合金第二相连通率达到了 19.38%,相比于原合金的12.24%,连通率提升了 58.3%,合金中合金相和共晶硅的连接更加紧密。晶种合金的加入还可以提高合金的室温拉伸性能和疲劳性能。添加1.5%Al-Ti-C-B晶种合金后,Al-12Si-4Cu-2Ni-1Mg合金的室温抗拉强度和伸长率分别可以达到370MPa和0.75%,与原合金相比,室温抗拉强度提高约8.2%,延伸率提升可达44.2%。当Al-Ti-C-B中间合金添加量为1.0%时,合金在应力幅值为30MPa和40MPa的的情况下循环次数分别可达3.7×105次和2.1×105次,相比于原合金的1.1×105和1.4×105有了很大的提升。(2)Al-Ti-C中间合金对近共晶铝硅合金晶粒、组织和性能的影响向Al-12Si-4Cu-2Ni-1Mg合金中加入Al-Ti-C中间合金,引入的TiC粒子对合金具有较好的晶粒细化效果,在对合金组织进行观察的过程中在初晶硅核心处发现了 TiC和AlP粒子的双相形核现象。Al-Ti-C中间合金对合金的室温拉伸性能也有一定的提高作用。合金的室温抗拉强度随着Al-Ti-C中间合金加入量的增多不断提高,加入量为2%时,合金的抗拉强度达到360MPa,相比于原合金的339MPa提升了 6%,室温下的延伸率也得到了提升,在加入量1.5%时合金的延伸率最高,相比于原合金的延伸率0.52%提升了 15.4%。(3)初晶硅对近共晶铝硅合金细化影响的研究结合Al-Ti-C-B晶种合金和Al-Ti-C中间合金对近共晶铝硅合金细化的研究,我们发现两种中间合金对近共晶铝硅合金都具有细化效果,且在细化过程中都出现了初晶硅的细化和初晶硅数量的增多。这说明Al-Ti-C和Al-Ti-C-B两种中间合金除了通过对α-Al的细化实现对近共晶铝硅合金的晶粒细化外,对初晶硅的细化也会影响合金晶粒的细化。因此通过TiB2等粒子与AlP双相形核提高AlP的对初晶硅的形核效率对于实现近共晶铝硅合金的晶粒细化具有重要的意义,可以作为铝硅合金特别是硅含量较高的一部分铝硅合金的一个细化研究方向。在之前的研究中,很多学者都对初晶硅的双相形核进行了研究,但是目前对于初晶硅双相形核的研究并未拓展到初晶硅的细化和对合金晶粒的细化上,可以通过研究TiB2、TiC、AlB2等粒子与AlP粒子的双相形核,得到更有利于对高硅铝硅合金细化的中间合金的协调配合(4)深冷处理对近共晶铝硅合金的晶粒和性能影响对比Al-Ti-C-B晶种合金和Al-Ti-C中间合金对近共晶铝硅合金晶粒、组织和性能的影响,我们选用Al-Ti-C-B晶种合金作为深冷处理实验中使用的中间合金,添加量选择1%,处理方式为:510℃固溶处理2h+深冷处理+180℃时效处理8h。对经过不同时间深冷处理的合金腐蚀后发现深冷处理时间为4h、8h、16h时,合金的晶粒尺寸基本没有变化,当深冷时间达到24h后,合金晶粒细化较为明显。深冷处理可以提高合金的室温强度和延伸率,深冷处理前合金的室温抗拉强度和延伸率分别为354MPa和0.71%,深冷处理时间达到24h后,合金的室温抗拉强度可以达到378MPa,延伸率达到了 0.87%,与深冷处理前相比,室温抗拉强度提高了 6.8%,延伸率提高了 22.5%。
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