alsi合金快速凝固sps燒結(jié)組織及性能

SPS高硅鋁合金組織及性能指導(dǎo)教師：趙占奎答辯人：吳鵬來

（一）緒論

長春工業(yè)大學(xué)高硅鋁合金鋁硅合金鋁硅合金發(fā)展現(xiàn)狀鋁硅合金組織缺陷SPS燒結(jié)技術(shù)課題研究意義

長春工業(yè)大學(xué)（二）實驗內(nèi)容

實驗材料

采用純度為99.9999%的Al、純度為99.9999%的Si元素單質(zhì)，分別按Al75Si25、Al70Si30、Al65Si35原子質(zhì)量百分比混合。實驗設(shè)備及器具

本論文用到的設(shè)備有：中頻感應(yīng)爐，高真空單輥旋淬及噴鑄系統(tǒng)，烘坩堝，場發(fā)射掃描電子顯微鏡，光學(xué)金相顯微鏡，金相試樣拋光機，SPS燒結(jié)儀器，顯微硬度儀，SKODA快速磨損試驗機。本論文用到的器具有：金相試驗拋光劑，砂紙400、600、800、1000號，醫(yī)用滑石粉，2%氫氟酸溶液（自己配制），丙酮溶液，酒精，吹風(fēng)機，502膠水，雙面膠，鑷子，剪刀。）實驗內(nèi)容

長春工業(yè)大學(xué)（二）實驗內(nèi)容試驗方法及制備過程鑄棒的制備

1.首先將磨具烘干，將涂料均勻涂抹在磨具外表面。

2.使用中頻感應(yīng)爐將石墨坩堝預(yù)熱至暗紅色，（大約為550-600攝氏度）。先

將鋁料加入坩堝中，升溫至720°C熔化，當鋁料成漿糊狀時，出去表面熔渣。

3.熔體過熱至約880°C,將破碎好的純晶體硅放入鐘罩中，迅速將裝有裝有塊狀晶體硅的鐘罩快速壓入純?nèi)垠w中，保溫15-20min,待晶體硅顆粒全部溶解后取出鐘罩，均勻攪拌后，靜止幾分鐘。

4.若熔體表面存在熔渣，需用撇渣勺及時將其打撈出，然后將其澆筑到經(jīng)預(yù)熱至250°C左右的金屬磨具中，冷卻后打開磨具，取出金屬棒。

5.重復(fù)以上步驟制備不同硅含量的鑄棒。

6.對熔煉成的鑄棒就行切割，切成長度約為35mm，對其進行表面處理（去除表

面氧化膜），隨機取兩個式樣進行測試。）實驗內(nèi)容

長春工業(yè)大學(xué)（二）實驗內(nèi)容條帶的制備

用冷卻速度為106K/s(由銅輪轉(zhuǎn)動的速率為30m/s推知)的合金甩帶法獲得Al-Si二元合金條帶。制得的條帶厚度為20–30μm，壓差為0.4-0.6，寬度為2.0mm，

高真空單輥旋淬及噴鑄系統(tǒng)示意圖

長春工業(yè)大學(xué)（二）實驗內(nèi)容SPS燒結(jié)樣品

1.準備硅量為25%，30%，35%的鋁硅合金并稱取若干份；2.將稱量好的條帶放入瑪瑙研缽中，初步碾碎；繼續(xù)研磨至均勻細小粉末如下圖，研磨時保證未引入雜質(zhì)，然后篩分，去除比較大的顆粒；3.將石墨紙包覆在SPS燒結(jié)磨具內(nèi)部，稱取粉末在1.8-2g之間，放入模具中，加壓至20MPa，等待燒結(jié)；4.SPS儀器參數(shù)調(diào)為500-600MPa，升溫速率為100℃/min，未進行保溫5.將加熱參數(shù)調(diào)為290℃和310℃分別燒結(jié)，做為對比試驗。

研磨前后對比

長春工業(yè)大學(xué)（二）實驗內(nèi)容金相試樣的制備

主要包括對鑄棒，甩帶后鋁帶，以及燒結(jié)后塊體拋光，以備后續(xù)實驗。掃描電子顯微鏡觀察；所用顯微鏡為日本JSM-5500LV型掃描電子顯微鏡（SEM）

，觀察燒結(jié)前鋁帶的顯微組織形貌和燒結(jié)后塊體的組織形貌。顯微硬度測定：顯微硬度測試儀型號為FM700，對燒結(jié)前條帶，燒結(jié)后塊體進行硬度測試。摩擦磨損實驗：使用SKODA快速磨損試驗機，對燒結(jié)后不同硅含量的塊體測試。

實驗分析

長春工業(yè)大學(xué)（三）實驗數(shù)據(jù)分析實驗內(nèi)容測定I不同條件實驗對比II其他文獻對比III（RS)SPS高硅鋁合金組織性能

（三）實驗結(jié)果分析及總結(jié)

長春工業(yè)大學(xué)

鑄造高硅鋁合金的微觀形貌

合不同硅含量鋁硅金相放大500倍(1為Al75Si25，2為Al70Si30，3為Al65Si35)甩帶后高硅鋁合金的微觀形貌

不同硅含量合金掃描放大1萬倍(A為Al75Si25

，B為Al70Si30，C為Al65Si35)

（三）實驗結(jié)果分析及總結(jié)

長春工業(yè)大學(xué)

燒結(jié)時間、溫度和位移的變化曲線分析（三）實驗結(jié)圖3.3290℃溫度與位移關(guān)系果分析及總結(jié)

（三）實驗結(jié)果分析及總結(jié)

長春工業(yè)大學(xué)

圖3.4燒結(jié)前后鋁硅合金(SEM1萬倍)abc為310℃燒結(jié)Al75Si25，、Al70Si30、Al65Si35efg為290℃燒結(jié)Al75Si25，、Al70Si30、Al65Si35

（三）實驗結(jié)果分析及總結(jié)

長春工業(yè)大學(xué)

高硅鋁合金燒結(jié)前后微觀組織

表3.1傳統(tǒng)與SPS燒結(jié)硅晶粒對比

SPS不同溫度對高硅鋁合金影響

表3.2不同溫度SPS燒結(jié)硅晶粒對比鋁硅合金處理方法硅晶粒大小μm傳統(tǒng)鑄造20-80（RS)SPS粉末燒結(jié)0.15-0.21硅晶粒大小μm290℃燒結(jié)0.15-0.18310℃燒結(jié)0.17-0.21

（三）實驗結(jié)果分析及總結(jié)

長春工業(yè)大學(xué)

密度和致密度

致密度是衡量SPS燒結(jié)的重要因素之一，用Archimedes法測量燒結(jié)塊體樣品的實際密度，并計算致密度。以下為致密度計算公式：

致密度=實際密度/理論密度其中實際密度為采用密度測量儀多次測量試樣密度所求得平均值，理論密度計算過程如下：Al和Si的密度為2.7g/2.34g/cm3Al和硅的原子質(zhì)量分別為26.982和28.085Al75Si25、質(zhì)量比為3:1Al的體積含量=（0.75/26.982）/（0.75/26.982+0.25/28.085）=0.757理論密度為ρ1=（0.757×2.7+0.243×2.34）g/cm3=2.611g/cm3

實測密度平均值為2.566g/cm3

致密度為0.982按照以上步驟計算不同硅含量合金

表3.3燒結(jié)致密度析及總結(jié)Al75Si25Al70Si30Al65Si35密度2.566g/cm32.556g/cm32.538g/cm3燒結(jié)致密度0.9820.9840.985

（三）實驗結(jié)果分析及總結(jié)

長春工業(yè)大學(xué)

顯微硬度對比

表3.4傳統(tǒng)鑄態(tài)合金與SPS粉末燒結(jié)硬度對比不同溫度顯微硬度對比

表3.4不同燒結(jié)溫度高硅鋁合金顯微硬度對比Hv析及總結(jié)高硅鋁合金硬度Hv傳統(tǒng)鑄造30-80(RS)SPS粉末燒結(jié)320-400Al75Si25Al70Si30Al65Si35燒結(jié)塊體290℃329357381燒結(jié)塊體310℃325348379

（三）實驗結(jié)果分析及總結(jié)

長春工業(yè)大學(xué)

摩擦磨損

對燒結(jié)后塊體進行摩擦磨損實驗，探究燒結(jié)后塊體抗磨損性能隨硅含量增加的變化，在一定載荷下測定3個磨痕的寬度然后查表得出相應(yīng)的磨損體積取3次的平均值作為最后結(jié)果。

表3.5不同燒結(jié)溫度高硅鋁合金顯微硬度對比Hv

數(shù)據(jù)表明：燒結(jié)后塊體隨著硅含量的增加，抗磨損性能增強。Al75Si25Al70Si30Al65Si35磨損質(zhì)量g0.00280.00250.0021磨損體積279.568259.662219.565

（四）實驗結(jié)論總結(jié)

長春工業(yè)大學(xué)

（四）實驗結(jié)論總結(jié)傳統(tǒng)鑄造高硅鋁合金微觀組織存在許多較為粗大的初晶硅，這些組織嚴重的影響了高硅鋁合金的性能，使其強度硬度等性能降低。SPS燒結(jié)高硅鋁合金初晶硅細化程度高于傳統(tǒng)鑄造初晶硅幾十倍，提高了合金機械性能和耐磨性，高硅鋁合金會隨著硅含量的增加硬度有所提高。SPS可以實現(xiàn)高硅鋁合金的低溫短時燒結(jié)，290℃無保溫時間條件下獲得致密度超過98%，明顯抑制了晶粒長大，晶粒尺寸小于文獻最小值，硅晶粒尺寸范圍為0.15-0.21μm。SPS燒結(jié)后高硅鋁合金極大保留了條帶的優(yōu)良性能，比條帶硬度略有降低，燒結(jié)塊體樣品的硬度遠遠高于傳統(tǒng)鑄造制備及RS/PM的高硅鋁合金。

（五）感謝

長春工業(yè)大學(xué)

（五）感謝

當大學(xué)的生活即將以這篇學(xué)位論文劃上一個句號時，筆者心中充滿了激動和感慨。衷心感謝多年求學(xué)路上給予我無私關(guān)懷和真誠幫助的各位老師和學(xué)長，并將最真誠的謝意獻給我尊敬的導(dǎo)師趙占奎教授。

在學(xué)習(xí)和實驗中，趙老