鑄鋁材料固溶處理

1、 設(shè)計(jì)型綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)論文實(shí)驗(yàn)題目： 固溶處理對鑄鋁合金性能的影響 專 業(yè)： 金屬材料工程班 級： B130210姓 名： 李星 學(xué) 號： B13021019 實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)： 指導(dǎo)教師： 成 績： 年 月 日固溶處理對鑄鋁合金性能的影響李星 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院 摘要：鑄造鋁硅合金是一種重要的合金材料，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐磨耐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天及汽車領(lǐng)域，但其組織中常出現(xiàn)的粗大共晶硅組織對合金的力學(xué)性能具有嚴(yán)重的不利影響，因此需要對該組織進(jìn)行變質(zhì)及固溶處理。稀土被認(rèn)為是金屬的“維他命”，對鑄造鋁硅合金具有良好的變質(zhì)作用。鋁合金通過控制加入Si，Cu的含量，使合金的綜合性能都比

2、較好。含硅和銅的鋁合金的強(qiáng)化機(jī)制主要是固溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化，一般在人工時(shí)效狀態(tài)下使用。主要探討了變質(zhì)及固溶處理對鑄造鋁合金微觀組織的影響，比較了固溶處理前（變質(zhì)二）和固溶處理后的組織性能變化。 本文以含硅和銅的鋁合金為研究對象，以固溶處理為方法，采用組織觀察(光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡)和金相組織分析相結(jié)合的方法對含硅銅的鋁合金的強(qiáng)化性能進(jìn)行了研究，主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下: (1)研究了固溶處理對合金微觀組織的影響。通過對合金進(jìn)行金相分析和透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，熱處理后合金中粗大的樹枝狀的共晶硅形貌發(fā)生很大改變，共晶硅熔斷并且被球化;強(qiáng)化相在固溶處理過程中溶解。這些形態(tài)的改變帶來了包

3、括合金的抗拉強(qiáng)度、硬度和耐磨等性能都得到很大的提高。當(dāng)固溶溫度為480，固溶時(shí)間為4.5小時(shí)時(shí)，第二相固溶基本完成，而且合金中枝狀的共晶硅被溶斷并且被很好的球化。關(guān)鍵詞 鑄鋁合金 固溶處理 變質(zhì) 金相組織目錄摘要第一章緒論31.1鋁合金分類及性能31.1.1鑄造鋁合金31.1.2變形鋁合金51. 2鑄造鋁硅合金的變質(zhì)處理61.2.1變質(zhì)劑的發(fā)展61.3鑄造鋁硅合金的熱處理71.3.1固溶處理71.3.2時(shí)效處理71.4本課題的研究意義8第二章試驗(yàn)方案82. 1 Al-Si-Cu合金的制備82.1.1實(shí)驗(yàn)原料和熔煉設(shè)備82.1.2熔煉過程及加入的材料92.1.3 固溶處理11第三章固溶處理前后合

4、金組織與性能的分析123.1 Al-Si-Cu合金的金相分析123.1.1未經(jīng)固溶處理（即變質(zhì)二）的Al-Si-Cu合金的金相分析:123.1.2固溶處理之后的金相組織圖15第四章 結(jié)論16參考文獻(xiàn)第一章緒論1.1鋁合金分類及性能1.1.1鑄造鋁合金 鋁在地殼中的含量僅次于氧和硅居于第三位，是地殼中含量最豐富的金屬元素，其空間點(diǎn)陣為面心立方結(jié)構(gòu)且沒有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，在化學(xué)元素周期表中為第IIIA主族元素，純鋁的密度較低為2.699g/cm'，其熔點(diǎn)為660.24'C，通常向純鋁中加入如Mg, Si, Zn, Cu等元素能得到性能更優(yōu)的鋁合金。鋁及鋁合金由于具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度和比剛

5、度高、耐磨損、耐腐蝕、彈性好以及良好的加工成型性和可再回收性等優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的輕金屬合金，日常生活中用到的餐具、手機(jī)等，汽車上的輪毅、連桿等，軍事上飛機(jī)的零部件均離不開鋁及其合金的應(yīng)用。如圖1. 1所示，鋁合金按加工方法可以分為兩大類，分別為形變鋁合金和鑄造鋁合金，其中形變鋁合金又分為不可熱處理強(qiáng)化型鋁合金和可熱處理強(qiáng)化型鋁合金，不可熱處理強(qiáng)化型鋁合金在生產(chǎn)中不能通過熱處理來提高其力學(xué)性能，只能通過冷加工變形來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化，它主要包括高純鋁、工業(yè)高純鋁、工業(yè)純鋁以及防銹鋁等;可熱處理強(qiáng)化型鋁合金可以通過熱處理手段如淬火和時(shí)效等來提高力學(xué)性能，它可分為硬鋁、鍛鋁、超硬鋁和特殊鋁合金

6、等#。形變鋁合金一般是經(jīng)過熔煉鑄成鑄錠后，再經(jīng)加工形成各種型材、管材及棒材等，因此，形變鋁合金要求具有良好的冷熱加工性能，因而合金中合金元素的含量比較低，一般不超過極限溶解度(即圖1.1中B點(diǎn)成分)。 相對于形變鋁合金，合金元素含量較高的鑄造鋁合金根據(jù)其中合金元素的不同，可分為Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系、Al-Zn系及Al-RE系五類5, Al-Cu系合金是這五種鑄造鋁合金中力學(xué)性能最好的合金系，其強(qiáng)度較高且還具有很好的耐熱性能，因此廣泛應(yīng)用于汽車飛機(jī)上對強(qiáng)度及耐熱性要求較高的零件，但該類合金的鑄造性能較差，在鑄造過程中易產(chǎn)生疏松縮孔等缺陷導(dǎo)致其在使用時(shí)有發(fā)生熱裂的傾向，其耐蝕性

7、也并不是很好，從而使其應(yīng)用受到了限制;Al-Mg系鋁合金具有良好的耐蝕性能，其比重小、強(qiáng)度高尤其是沖擊強(qiáng)度較高，因而在承受沖擊載荷及腐蝕環(huán)境下的零件上應(yīng)用較為廣泛，如氨用泵體、艦船配件等，但是該類合金的鑄造性能欠佳，鑄造過程中也易形成一些缺陷，耐熱性也比較低;Al-Zn系鋁合金在日常生活中的應(yīng)用較為廣泛，這主要是由于該類合金的綜合性能不高，不及前面提及的Al-Cu系、Al-MR系合金，但其鑄造性能優(yōu)良并且價(jià)格便宜，在汽車零件、拖拉機(jī)零件。鐘表零件上該類合金具有較好的應(yīng)用;Al-RE系鋁合金是向鋁中添加稀土后形成的，其在室溫下力學(xué)性育拼不高，但在高溫下其性能并不會(huì)發(fā)生較大的降低，因此它主要應(yīng)用在

8、一些高溫鑄件(350-450)上。圖1.1鋁合金分類1-變形鋁合金;2鑄造鋁合金;3-不能熱處理強(qiáng)化的鋁合金;4-可熱處理強(qiáng)化的鋁合金以Si為主要合金rG素，輔助添加Mg, Cu等元素的Al-Si系合金是鋁合金中最重要的一種，它不僅具有比其它傳統(tǒng)鋁合金質(zhì)量更輕的優(yōu)點(diǎn)，而且還具有良好的鑄造性育斷口力學(xué)性能，如高溫強(qiáng)度高、耐磨耐熱性好、熱膨脹系數(shù)低等匡一刃，在現(xiàn)代工業(yè)尤其是在以輕量化、高速、節(jié)能、低排放、舒適為發(fā)展方向的汽車行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，我國汽車工業(yè)處于迅速發(fā)展時(shí)期，其輕量化趨勢也日益明顯，1-I-S1合金的需求正急劇增大。111-51合金中主要的合金元素是S1，而實(shí)際生產(chǎn)中該類合金中的其

9、他元素對于合金性能尤其是耐蝕、耐磨等性能也具有重要的影響，這些元素包括Mg、fin; Cu、Mn; Ti, B, Sr、Fe, P,S等，這其中的有些元素是根據(jù)使用需要而育意人為加入的，而另外一些如Fe、P, S等是在熔煉制備過程中不可避免而混入的，一般對開合金的險(xiǎn)能具有較為不利的影響。Si是Al-Si合金組織中的第三相，其含量的增加對于合金鑄造性能的提高具有重要作用，而其硅相形態(tài)、大小及分布又影響著合金的力學(xué)性能。從圖1-2鋁硅合金相圖上可以知道，平衡狀態(tài)下Al-Si合金共晶點(diǎn)所對應(yīng)硅含量為12.2%，實(shí)際生產(chǎn)上一般認(rèn)為硅含量小于8腸時(shí)為亞共晶合金，硅含量在8%-14%時(shí)為共晶合金，硅含量大

10、于14%時(shí)為過共晶合金，一盡管在共晶點(diǎn)時(shí)Si含量能達(dá)到12:2% ，但此時(shí)Sl在基體AI中的固溶度卻僅有1,600x因而S1對合金 圖1-2鋁硅合金相圖的固溶強(qiáng)化作用有限，S一般也不與合金中的其他元素形成化合物，其在合金中一般以固溶體的形式存在。在S含量相對較少的亞共晶及共晶Al-Si合金中，S的存在使得合金擁有良好的流動(dòng)性，鑄造過程中合金也不易產(chǎn)生缺陷，而在Si含量較高的過共晶Al-Si合金組織中不僅育和亞共晶及共晶Al-Si合金中形貌相近的Al-Si共晶體，還有呈板條狀的初晶硅存在，它對開合金基體具有嚴(yán)重的割裂作用，使得合金的切削加工性能變差，一般可以通過熱處理改變初晶硅的形態(tài)，從而改善合

11、金的力學(xué)性能。 Mg和Cu是Al-Si合金中主要的強(qiáng)化元素，它們不僅能起到固溶強(qiáng)化的作用，而且在Al-S合金中還能形成彌散分布的第止相，如Mg與S形成Mg多i及u與A1形成A12u，這些第三相的存在使得合金通過第二相彌散強(qiáng)化作用而強(qiáng)度得以提高，然而此時(shí)合金的塑性卻有所降低。譬如在Al-Si合金中，當(dāng)合金中Cu含量較高時(shí)(大于5.500)，盡管經(jīng)過固溶熱處理，合金中卻仍會(huì)有未溶的A1zCu脆性相存在，造成了合金的塑性較低，因而一般情況下Al-Si合金中Cu的含量均在4.5%以下。Zn也是Al-Si合金中常見的一種添加合金元素，由于其本身較為優(yōu)良的塑性，它的存在能降低合金的脆性，譬如在含銅Al-S

12、i合金中添加Zn元素不僅能提高合金的塑性，還能增加Cu元素的溶解度及溶解速度。Al-Si合金中微量的Ti,B等元素一般是作為細(xì)化劑而加入的，這主要是因?yàn)楫?dāng)合金中含有Ti, B時(shí)，它們能形成細(xì)小的TiA13或TB等金屬間化合物，這些細(xì)小的金屬間化合物由于熔點(diǎn)較高，且大小與硅相近，因而在合金凝固過程中能作為外來晶核使其發(fā)生異質(zhì)形核來細(xì)化合金組織llo Fe的存在一般對Al-S合金的組織及性能具有不利影響，當(dāng)合金中Fe含量達(dá)到0.2%時(shí)，它育嶼合金中的其它元素如Ah Si等形成化合物，如較常見的一種化合物A19SiFe:在合金組織中一般是以針狀的形式存在，部分還插入基體中，對基體組織具有嚴(yán)重的割裂作

13、用，使得合金的性能急劇下降，所以在實(shí)際生產(chǎn)中一般要嚴(yán)格控制Fe元素的含1310 RE在Al-Si合金中一般是起變質(zhì)作用，除此以外還有除氣去渣的作用，這方面的相關(guān)內(nèi)容在后文中將會(huì)作重點(diǎn)介紹。 1.1.2變形鋁合金 變形鋁合金與鑄造鋁合金不同之處在于，變性鋁合金是經(jīng)熔煉鑄成鑄錠后，再經(jīng)加工形成各種型材、棒材、管材和板材。因此，要求合金具備優(yōu)良的冷、熱加工工藝性能，組織中不允許有過多的脆性第二相。所以變形鋁合金中合金元素含量比較低，一般不超過極限溶解度B點(diǎn)成分(圖1.1)。常用變形鋁合金中合金元素總量小于5%，但在高強(qiáng)度變形鋁合金中可達(dá)8%-14%。變形鋁合金通過擠壓、軋制、鍛造等手段減少了缺陷，細(xì)

14、化了晶粒，提高了致密度，因而具有很高的強(qiáng)度、優(yōu)良的韌性以及良好的使用性能。但是對設(shè)備和工裝模具要求高，工序多，因此變形鋁合金生產(chǎn)周期長、成本很高變形鋁合金按其成分和性能特點(diǎn)又可分為不能熱處理強(qiáng)化鋁合金和可熱處理強(qiáng)化鋁合金。不能熱處理強(qiáng)化鋁合金的合金元素含量小于狀態(tài)圖中(圖1.1) D點(diǎn)成分的合金，其中還包括一些熱處理強(qiáng)化效果不明顯的合金。這類合金由于具備良好的抗蝕性，故稱為防銹鋁。可熱處理強(qiáng)化鋁合金的合金元素含量比防銹鋁高一些，成分相應(yīng)于狀態(tài)圖(圖1.1)中B與D之間的合金，這類鋁合金通過熱處理能顯著提高力學(xué)性能。此類鋁合金包括硬鋁、鍛鋁和超硬鋁鋁合金的分類及性能特點(diǎn)列于表1.2 1. 2鑄造

15、鋁硅合金的變質(zhì)處理1.2.1變質(zhì)劑的發(fā)展鑄造鋁硅合金在常規(guī)鑄造條件下其組織中共晶硅一般呈現(xiàn)大量的板條狀或者針狀形式，并且當(dāng)硅含量增加至共晶點(diǎn)以上時(shí)，合金中還會(huì)有塊狀或板狀的初晶硅出現(xiàn)，創(chuàng)門嚴(yán)重的割裂了基體組織而使得合金的力學(xué)性能顯著降低，同時(shí)也使合金的切削加工性能惡化。因此采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣砀淖冭T造鋁硅合金中初晶硅和共晶硅的形貌、尺寸及分布是鋁硅合金生產(chǎn)制備過程中的一道關(guān)鍵工藝步驟，目前對鋁硅合金組織進(jìn)行改善的方法有添加化學(xué)元素 14淬火、外加磁場及過熱處理等，其中添加化學(xué)元素是較為常見的方法。1920年法國科學(xué)家在制備鋁硅合金時(shí)發(fā)現(xiàn)，向鋁硅熔液中加入少量鈉鹽后合金組織明顯變細(xì)，從而得出鈉鹽對于

16、鑄造鋁硅臺金具郁良好的變質(zhì)作用24，而鈉鹽變質(zhì)劑也在隨后的相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)成為鋁硅合金系的主要變質(zhì)劑。在鈉鹽被發(fā)現(xiàn)可以作為變質(zhì)劑后，其他各國科學(xué)家相繼發(fā)現(xiàn)K, Sr; P; Sb, Ba, B等元素也可作為變質(zhì)劑而在鋁硅合金中得以使用，不僅如此，現(xiàn)代生產(chǎn)中的變質(zhì)劑己從單一變質(zhì)轉(zhuǎn)為復(fù)合變質(zhì)。我國變質(zhì)劑發(fā)展起步較晚，始于20世紀(jì)80年代末，而隨后我國的變質(zhì)劑發(fā)展較為迅速X30， 20世紀(jì)90年代后我國各鋁合金生產(chǎn)企業(yè)已廣泛采用變質(zhì)劑進(jìn)行鋁合金的生產(chǎn)制備，并且國產(chǎn)變質(zhì)劑也在市場上占據(jù)了一定的份額。下面介紹幾種主要的變質(zhì)劑： 1.鈉(Na )變質(zhì)劑 鈉變質(zhì)劑是最早使用的變質(zhì)劑，它一般是以鈉鹽(如NaCl

17、+NaF+Na3AIF6)的形式加入。鈉鹽變質(zhì)劑在較長一段時(shí)間內(nèi)作為主要的變質(zhì)劑廣泛應(yīng)用于鋁硅合金的變質(zhì)處理上，這是因?yàn)殁c鹽變質(zhì)劑的變質(zhì)作用較強(qiáng)，在鋁硅合金中加入少量的鈉鹽后，合金中的共晶硅形貌能發(fā)生顯著的改善，即由粗大的板條狀或針狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的纖維狀32。不僅如此，鈉鹽變質(zhì)劑的變質(zhì)作用對冷卻速度不敏感，因此對鑄造的條件也沒有要求，適合于包括砂型鑄造及金屬型鑄造等各種鑄造形式，其變質(zhì)也沒有潛伏期，實(shí)際生產(chǎn)中使用很方便。然而鈉鹽變質(zhì)劑也有其缺點(diǎn)，這包括它的變質(zhì)時(shí)間不長，一般僅為0.5-1h，因此對于大批量的連續(xù)生產(chǎn)，鈉鹽變質(zhì)劑的使用受到了限制，而且由于鈉鹽具有較強(qiáng)的揮發(fā)性，在使用中會(huì)對熔煉堪竭及

18、其他設(shè)備造成腐蝕作用，針對于此盡管人們采取了各種處理方法，但鈉鹽變質(zhì)劑的缺點(diǎn)只能部分得以解決33 2.磷(P)變質(zhì)劑 磷是目前變質(zhì)過共晶鋁硅合金初晶硅的主要元素，實(shí)際生產(chǎn)中它一般以單質(zhì)赤磷、磷鹽或Cu-P中間合金的形式加入，磷之所以能很好的變質(zhì)初晶硅組織主要是因?yàn)樵诤辖鹬屑尤肓缀竽苄纬葾IP化合物，這種化合物熔點(diǎn)高，能達(dá)到1000'C，而且在點(diǎn)陣類型上與Si相同均為金剛石結(jié)構(gòu)且點(diǎn)陣常數(shù)相近，在冷卻階段它能作為形核質(zhì)點(diǎn)從而起到異質(zhì)形核的作用，使得初晶硅的尺寸減小34磷對鋁硅合金初晶硅的變質(zhì)作用還具有重熔長效性的特點(diǎn)，變質(zhì)數(shù)小時(shí)及重熔4次后仍具有較好的變質(zhì)作用，然而磷變質(zhì)也具有一些缺點(diǎn):如

19、由于磷的燃點(diǎn)很低(只有240 )，除在運(yùn)輸過程中不安全外，在變質(zhì)時(shí)也容易產(chǎn)生大量煙霧，影響車間工作條件并污染環(huán)境。 3.稀土類變質(zhì)劑 稀土元素由元素周期表中位于111B族的斕系元素及與斕系元素性能相近的抗、憶等17個(gè)元素組成，由于其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，稀土元素一般化學(xué)性質(zhì)較為活潑，在常溫下長時(shí)間放置會(huì)發(fā)生氧化現(xiàn)象。自上世紀(jì)30年代開始，國外就開始研究稀土元素對鋁合金的變質(zhì)作用，現(xiàn)已研究得出稀土中的La, Cc, Y, Yb, S。等元素對鋁合金具有較好的變質(zhì)作用，如今稀土元素在鋁合金中的應(yīng)用也較為廣泛。 鋁合金若未進(jìn)行變質(zhì)處理，盡管有細(xì)化劑和精煉劑的細(xì)化精煉作用，但共晶硅組織仍然較為粗大而明顯的雜

20、亂分布在鋁基體上，然而當(dāng)以單質(zhì)、氯化物或中間合金的形式加入少量稀土后，可以發(fā)現(xiàn)合金組織得到明顯細(xì)化，合金性能也顯著提高。有文獻(xiàn)研究了在ZL101A合金中加入0.4wt.%Y后，合金中初生a-Al晶粒變得細(xì)小均勻，二次枝晶間距DAS減小，共晶硅也由粗大的板條狀變?yōu)槔w維狀，此時(shí)合金抗拉強(qiáng)度和延伸率能分別達(dá)到 298MPa和9.5%，相對于未變質(zhì)合金分別提高了30%和22%54。在過共晶Al- 18%Si合金中加入稀土Cc后，當(dāng)Cc含量小于LOwt.%時(shí)，合金中初晶硅尺寸隨Cc含量的增加而逐漸減小，共晶硅呈現(xiàn)細(xì)小顆粒狀的區(qū)域逐漸增多，變質(zhì)效果越來越明顯X55。然而稀土元素的變質(zhì)作用并不是含量越多越有

21、效，稀土在鋁合金中的固溶度很小，一般加入后存在于合金晶界處，當(dāng)其含量較多時(shí)，其會(huì)與合金中的其它元素形成一些化合物，這些化合物一般呈針狀并雜亂的分布于合金基體上，對于合金的組織及性能均有傷害作用。 1.3鑄造鋁硅合金的熱處理 鑄造鋁硅合金包含種如ZL101合金的可熱處理強(qiáng)化的鋁合金，熱處理后的鑄造鋁硅合金一般強(qiáng)度和韌性均有不同程度的提高r81。一般鑄造鋁硅合金熱處理工藝包括固溶和時(shí)效兩個(gè)步驟，具體的工藝參數(shù)有固溶溫度、固溶時(shí)間、淬火介質(zhì)溫度、時(shí)效溫度及時(shí)效時(shí)間。1.3.1固溶處理固溶處理又稱為淬火處理，是指將鋁合金加熱到一定溫度使f合金中的第二相最大程度地溶于固溶體中，然后將其迅速放入淬火介質(zhì)中

22、而得以較快的速度冷卻，冷卻速度應(yīng)快于固溶體中第二相的析出速度以獲f過飽和固溶體。固溶處理是有色金屬合金熱處理的第一個(gè)關(guān)鍵步驟，它一般是為隨后的時(shí)效過程做準(zhǔn)備，由于在固溶處理階段第二相基本全部溶入到固溶體中，因而合金的塑性和耐蝕性會(huì)顯著增加，而合金強(qiáng)度大多數(shù)有下降趨勢。固溶處理溫度、保溫時(shí)間及冷卻速度是固溶處理階段的重要參數(shù)。由于鋁合金中合金元素的固溶度隨溫度的升高而增加，因而一般說來，固溶處理溫度越高、保溫時(shí)間越長，合金中第二相的溶解會(huì)越充分，合金元素的分布也越均勻，晶格中空位濃度也越大，這樣就為時(shí)效階段從微觀組織上做了更好的準(zhǔn)備。然而當(dāng)固溶處理溫度過高而超過合金共晶溫度以上時(shí)，會(huì)造成合金發(fā)生

23、過燒的現(xiàn)象，合金晶粒尺寸也會(huì)明顯增大，保溫時(shí)間過長同樣如此。因此，通常情況下熱處理時(shí)要求提高固溶處理溫度及保溫時(shí)間，盡可能提高至共晶溫度附近，但不能發(fā)生過燒。冷卻速度是由固溶加熱、保溫完后的淬火介質(zhì)決定的，之所以要進(jìn)行淬火處理是因?yàn)榇慊鹛幚砜墒辜訜犭A段的過飽和固溶體能保留到室溫，為后續(xù)的時(shí)效處理做好組織準(zhǔn)備。冷卻速度過慢時(shí)，過飽和固溶體在冷卻至室溫前就已經(jīng)開始發(fā)生分解，同時(shí)合金中空位濃度也會(huì)發(fā)生下降，造成后續(xù)的時(shí)效處理效果降低。然而冷卻速度也并不是越快越好，當(dāng)冷卻速度過快時(shí)，合金中會(huì)形成較大的內(nèi)應(yīng)力，對于塑性較差的合金來說，淬火完后發(fā)生開裂的傾向也增大。綜上所述，固溶處理的目的主要有三個(gè):合金

24、中第二析出相的溶解以形成過飽和固溶體;鑄件合金元素的均勻化;為后續(xù)的時(shí)效工序做準(zhǔn)備。1.3.2時(shí)效處理固溶(或淬火)得到的過飽和固溶體是不平衡相，即使在常溫下它也處于不平衡狀態(tài)，有自發(fā)析出溶質(zhì)原子或第二相的趨勢。在常溫下這種自發(fā)過程進(jìn)行的比較慢，而且第二相的析出并不充分，一般將這種析出過程稱為自然時(shí)效。而當(dāng)該過程在溫度較高的條件下進(jìn)行時(shí)，由于原子動(dòng)能增加，第二相析出比較快且較為充分，該過程稱為人工時(shí)效。由于時(shí)效過程中有第二相粒子的析出，故而時(shí)效處理是鋁合金強(qiáng)化的一種方式。時(shí)效處理不僅與合金的化學(xué)成分有關(guān)，還與時(shí)效工藝及合金中存在的空位、位錯(cuò)等缺陷有關(guān)。鋁合金在固溶淬火處理后，合金中的空位被保留

25、下來，進(jìn)行時(shí)效處理時(shí)，由于過飽和固溶體處于不穩(wěn)定狀態(tài)而第二相將發(fā)生析出。時(shí)效處理是溶質(zhì)原子偏聚的過程，而空位的存在加速了溶質(zhì)原子的擴(kuò)散，促進(jìn)了該過程的發(fā)生。 時(shí)效處理一般能提高鋁合金的強(qiáng)度及硬度，而合金的塑性及耐蝕性能會(huì)有所下降。 關(guān)于熱處理對鋁合金力學(xué)性能的影響，不少科研工作者已展開了相應(yīng)的研究，如關(guān)于熱處理過程中時(shí)效工藝對鋁合金組織性能的影響，鄭州大學(xué)的陳曠與河南三門峽戴卡輪毅有限公司合作s6，通過試驗(yàn)得到了A356鋁合金雙級時(shí)效工藝中低溫時(shí)效工藝的優(yōu)化參數(shù):低溫時(shí)效1100CXlh再高溫時(shí)效。雙級時(shí)效后進(jìn)行涂裝熱處理，A356合金的抗拉強(qiáng)度提高了39%達(dá)到310MPa，屈服強(qiáng)度提高了11

26、%達(dá)到250MPa，而延伸率保持在1012%左右;北京有色冶金設(shè)計(jì)研究總院的李友川等網(wǎng)在鑄造鋁合金輪毅熱處理參數(shù)選擇及其設(shè)備中提到了T6工藝中淬火停留時(shí)間對鋁硅鎂合金人工時(shí)效的影響，通過試驗(yàn)他得出停留時(shí)間在12h之內(nèi)時(shí)，合金的硬度迅速增加，由原來的80HB提高到了97HB，停留時(shí)間延長至12-28h時(shí)，合金硬度迅速降低，由97HB降為70HB，因此合理控制及選擇固溶及時(shí)效參數(shù)對于提高鋁合金的力學(xué)性能具有重要的意義。 另外，湖南長沙粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的劉紅衛(wèi)ass還研究了強(qiáng)化固溶對鋁合金組織和性能的影響，文中合金常規(guī)的固溶處理?xiàng)l件為5000C X2h，強(qiáng)化固溶處理的條件為自由升溫至490&#

27、39;C，再以5'C /h的速度升至5070C，保溫20min，冷水淬火，時(shí)效采用1600CX18h工藝，采用常規(guī)固溶處理的合金抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度分別為483MPa和414MPa，而采用強(qiáng)化固溶處理的合金抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度分別可提高至531MPa和471MPa，該文認(rèn)為強(qiáng)化固溶能夠減小和消除合金中粗大的第二相，使合金組織更加勻勻，從而提高了合金的力學(xué)性能;中信戴卡輪毅集團(tuán)的劉宏磊、許斌s9對低壓鑄造A356.2鋁合金輪毅進(jìn)行固溶后分別人工時(shí)效24h和自然時(shí)效48 h，力學(xué)性能測試結(jié)果表明，自然時(shí)效48 h熱處理后比人工時(shí)效24h熱處理后的屈服強(qiáng)度降低了200/o-30%，抗拉強(qiáng)度降低了

28、5%-10%，硬度降低了10%-20%，伸長率提高了70%-100%,自然時(shí)效比人工時(shí)效更能滿足生產(chǎn)所需的力學(xué)性能要求，因此在對鋁合金進(jìn)行熱處理時(shí)除合理控制選擇固溶時(shí)效具體參數(shù)值外，還需考慮合金相應(yīng)的固溶及時(shí)效方式。1.4本課題的研究意義 鋁及鋁合金由于具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度和比剛度高、耐磨損、耐腐蝕、彈性好以及良好的加工成型性和可再回收性等優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的輕金屬合金，而以Si為主要合金元素并輔助添加Mg, Cu等元素的鋁硅合金系是鋁合金中最重要的一種，它不僅具有比其它傳統(tǒng)鋁合金質(zhì)量更輕的優(yōu)點(diǎn)，而且還具有良好的鑄造性能和力學(xué)性能，如高溫強(qiáng)度高、耐磨耐熱性好、熱膨脹系數(shù)低等，在現(xiàn)代

29、工業(yè)尤其是在以輕量化、高速、節(jié)能、低排放、舒適為發(fā)展方向的汽車行業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用，我國汽車工業(yè)正處于迅速發(fā)展時(shí)期，其輕量化趨勢也日益明顯，鋁硅合金的需求也會(huì)增大。第二章試驗(yàn)方案2. 1 Al-Si-Cu合金的制備 Al-Si-Cu合金的制備包括熔煉和鑄造兩個(gè)重要工序。其中合金的熔煉是獲得優(yōu)質(zhì)鑄錠的關(guān)鍵。它包括熔煉工藝的編制、配料計(jì)算、熔煉設(shè)備、工具的選擇和準(zhǔn)備及輔助材料的準(zhǔn)備、去氣除渣等熔煉過程的控制、變質(zhì)處理、爐前分析、檢查等內(nèi)容，目的是要獲得化學(xué)成分合格、氧化夾雜少、不產(chǎn)生氣孔、疏松、夾雜等缺陷的鑄件。2.1.1實(shí)驗(yàn)原料和熔煉設(shè)備配料：2份1.5kg原料。每份含14%Si，3.5%Cu。

30、計(jì)算可得：520g純Al，875gAl-24Si，105gAl-50Cu。加熱爐：溫度加熱至7502.1.2熔煉過程及加入的材料過程一：原料+精煉劑（六氯乙烷）過程二：過程一+變質(zhì)劑一（0.2%P）過程三：過程二+變質(zhì)劑二（0.4%稀土）變質(zhì)二過程圖 變質(zhì)二圖a變質(zhì)二圖b 變質(zhì)二圖c 爐料裝好后，升溫熔化爐料，等爐料全部熔化后，除凈熔渣，加入熔劑。當(dāng)溫度達(dá)到750時(shí)，將精煉劑壓入到熔液當(dāng)中，并緩慢回轉(zhuǎn)和移動(dòng)，直至無氣泡，對合金液進(jìn)行精煉，精煉時(shí)間為1 0min。待精煉反應(yīng)完后，靜置2min。然后用變質(zhì)劑一二分別進(jìn)行變質(zhì)處理，變質(zhì)時(shí)間為15min。當(dāng)溫度達(dá)到750時(shí)，扒渣出爐，分別將合金液澆鑄到

31、鑄型中。2.1.3 固溶處理1)加熱爐子至480.(2)等待變質(zhì)二的鋁棒冷卻之后，截取一段，用鐵絲懸掛放入480的爐子中，使鋁棒不碰觸爐壁。(3)480下，保溫4.5小時(shí)。(4)打開爐子，快速取出鋁棒（取出時(shí)間<=20S），放入準(zhǔn)備好的室溫自來水中冷卻。(5)用#240-#2000不等的砂紙，進(jìn)行磨金相，磨至無劃痕如鏡面后，進(jìn)行拋光。(6)用電鏡拍照第三章固溶處理前后合金組織與性能的分析 合金的各項(xiàng)性能與合金的微觀組織有著直接的聯(lián)系，通過分析合金的微觀組織可以使合金在不同熱處理?xiàng)l件下的性能好壞得到進(jìn)一步的驗(yàn)證。本章通過對固溶處理前后合金進(jìn)行金相分析、透射電鏡觀察，解釋了熱處理對合金性能產(chǎn)

32、生較大影響的原因。3.1 Al-Si-Cu合金的金相分析3.1.1未經(jīng)固溶處理（即變質(zhì)二）的Al-Si-Cu合金的金相分析:此時(shí)合金化學(xué)成分：Al，0.2wt%P，0.4wt%稀土dc 圖3-1為不同放大倍數(shù)的金相圖 從圖中可以看出，合金相均為樹枝狀結(jié)構(gòu)，共晶硅雜亂分布在基體上，樹枝狀結(jié)構(gòu)并不是很發(fā)達(dá)，位置和方向比較凌亂。當(dāng)添加P,稀土對合金進(jìn)行變質(zhì)后，樹枝狀結(jié)構(gòu)數(shù)量增多且趨于均勻分布。稀土磷的變質(zhì)機(jī)理概括起來有兩方面，一是影響形核，另一方面就是影響晶粒長大。稀土對合金的變質(zhì)作用并不是在很寬的冷卻速度范圍內(nèi)都具有較好的效果，它是一種對冷卻速度敏感性較強(qiáng)的變質(zhì)元素，只有當(dāng)合金的冷卻速度較大時(shí)，才

33、能發(fā)揮其很好的細(xì)化作用。3.1.2固溶處理之后的金相組織圖c 圖3-2不同放大倍數(shù)下合金金相圖 如圖3-2所示，固溶過程中由于合金元素先溶于固溶體中然后再發(fā)生析出，組織中共晶體先發(fā)生熔斷然后再從過飽和固溶體中析出，可以發(fā)現(xiàn)共晶硅彌散分布，并呈細(xì)小均勻的球化狀態(tài)。固溶處理后合金組織中共晶硅被球化，塑性較好。第4章 結(jié)論本文通過向Al-Si-Cu鑄造合金添加磷稀土變質(zhì)劑及和經(jīng)過固溶處理后比較。取得的研究結(jié)果如下: (1) 磷和稀土對Al-Si-Cu鑄造合金具有良好的變質(zhì)作用。由凌亂無規(guī)律性逐漸變得均勻規(guī)則，二次枝晶間距減小。 (2)固溶處理結(jié)果表明，合金組織中共晶硅被球化，經(jīng)480固溶 4.5 h

34、 后合金強(qiáng)度和硬度的顯著提高，與cu相溶解產(chǎn)生的固溶強(qiáng)化密不可分。同時(shí)，固溶處理過程中析出相的溶解和共晶硅相的圓整化使合金的韌性提高。在 Al-Si-Cu固溶處理過程中，合金力學(xué)性能的提高主要來源于共晶硅相形貌的改善、析出相溶解引起的的固溶強(qiáng)化以及組織的均勻化。 （3）固溶處理之后的金相組織圖顯示，形貌不夠完全。產(chǎn)生原因可能是，鋁棒出爐時(shí)間過長，超過20s。參 考 文 獻(xiàn)1 Zhang L, Jiang Y, Ma Z, et al. Effect of cooling rate on solidified microstructure and mechanical properties of

35、 aluminium-A356 alloyJ. Journal of materials processing technology, 2008, 207(1): 107-111.2 Shabestari S, Gruzleski J. Modification of Iron Intermetallics by Strontium in 413 Aluminum Alloys J. Transactions of the American Foundrymen's Society, 1995, 103: 285-294.3 Pekguleryuz M, Closset B, Gruz

36、leski J. The Dissolution of Metallic Strontium in Liquid Aluminum and Liquid A356 AlloysJ. Transactions of the American Foundrymen's Society, 1984 92:109-118.4羅啟全.鋁合金鑄造與熔煉M.廣州:廣東科技出版社，2002.5黃伯云，李成功，石力開，等.中國材料工程大典.第四卷.有色金屬材料工程(上)M.北京: 北京工業(yè)出版社，2005.6 Sebaie OE, Samuel AM, Samuel FH, et al. The effects of mischmetal, cooling rate and heat