鈷對(duì)過共晶鋁硅合金微觀組織和力學(xué)性能影響的研究.pdf

1、過共晶鋁硅合金具有小的熱膨脹系數(shù)、較低的密度、良好的耐磨性和耐蝕性、良好的高溫性能以及鑄造性能，適于制造交通運(yùn)輸和機(jī)械制造領(lǐng)域所用的耐熱耐磨零件。然而，隨著使用要求日益提高，傳統(tǒng)過共晶鋁硅合金中初晶硅和共晶硅相過于粗大、加工和成形困難等問題也日益突出，亟需在新型合金變質(zhì)劑、合金化元素、合金熱處理以及成形工藝方面有所發(fā)展。本文主要針對(duì)鋁硅合金合金化以提高力學(xué)性能尤其是高溫力學(xué)性能的問題展開，首次系統(tǒng)研究了在過共晶鋁硅合金中添加鈷（Co）元

2、素對(duì)于合金微觀組織和力學(xué)性能的影響，并引入高能超聲振動(dòng)，研究?jī)?nèi)容包括Co與混合稀土（RE）變質(zhì)劑、Co與Fe元素的相互作用以及固溶處理對(duì)于合金的影響。
　　研究了在AlSi20Cu2Ni1合金中，Co和RE的相互作用。在P–RE復(fù)合變質(zhì)的AlSi20Cu2Ni1RE0.6合金和不含RE的合金中，添加0.3％到1.5％的Co，研究其對(duì)合金的影響。結(jié)果表明，隨著Co含量的增加，合金中針狀含RE化合物增多。加入Co元素之后，合金中生成了

3、長(zhǎng)針狀的Al–RE–Co–Ni–Si化合物。Co的添加會(huì)降低AlSi20Cu2Ni1RE0.6合金的力學(xué)性能。對(duì)于不含RE的合金，當(dāng)Co含量小于等于0.7％時(shí)，生成小體積、分布彌散的含Co金屬間化合物；當(dāng)Co含量大于0.7％時(shí)，其形態(tài)為樹枝狀或魚骨狀，尺寸較大。合金中的Co含量低于0.7％時(shí)，Co的添加可以提高AlSi20Cu2Ni1合金的極限抗拉強(qiáng)度。Co對(duì)初晶Si和共晶Si的組織變化沒有影響。
　　系統(tǒng)研究了在AlSi20Cu

4、2Ni1合金中，Co和Fe的相互作用對(duì)合金的影響，尤其關(guān)注了高溫力學(xué)性能方面。結(jié)果表明，AlSi20Cu2Ni1合金中添加一定量的Co，可以有效改變合金中富Fe相的形態(tài)，并提高合金的抗拉強(qiáng)度。例如，在AlSi20Cu2Ni1合金（含有0.2％左右的Fe）中添加0.3％到1.5％的Co，富Fe相從長(zhǎng)針狀β相轉(zhuǎn)變?yōu)闈h字狀的Al15(Fe,Mn,Co)3Si2相和樹枝狀或魚骨狀的四元Al9(Fe,Co,Ni)2相。而當(dāng)在P變質(zhì)的AlSi20C

5、u2Ni1Fe0.7合金和AlSi20Cu2Ni1Fe1.0合金中添加0％到1.5％的Co，兩種合金中含F(xiàn)e金屬間化合物的體積分?jǐn)?shù)都隨Co含量的增加而逐漸增加。當(dāng)Co含量為0％時(shí)，合金中的富Fe相為長(zhǎng)針狀的β-Al5(Fe,Ni)Si相；添加Co之后，富Fe相轉(zhuǎn)變?yōu)闈h字狀、顆粒狀、短棒狀或枝晶狀的α-Al15(Fe,Co,Ni)3Si2相。對(duì)比Co含量為0％時(shí)，在AlSi20Cu2Ni1Fe0.7合金中添加0.91％Co以及在AlSi2

6、0Cu2Ni1Fe1.0合金中添加1.3％Co，均會(huì)引起合金中富Fe相的平均長(zhǎng)度、寬度、長(zhǎng)寬比下降。Co可以有效地提高兩種合金的室溫和高溫（350℃）下的力學(xué)性能。含F(xiàn)e量為0.7％的合金的室溫和高溫（350℃）的抗拉強(qiáng)度最大值分別為275MPa和101MPa，對(duì)比Co含量為0％時(shí)取得的最小值，分別上升了13％、28％；含F(xiàn)e量為1.0％的合金的室溫和高溫（350℃）的抗拉強(qiáng)度最大值分別為296MPa和120MPa，對(duì)比Co含量為0％時(shí)

7、取得的最小值，分別上升了24％和35％。這兩種合金的最佳Co、Fe比均為1.3。
　　將高能超聲振動(dòng)引入過共晶鋁硅合金的制備，研究了高能超聲振動(dòng)對(duì)于不同Co含量（XCo，0％≤X≤1.5％）的AlSi20Cu2Ni1合金和不同Co含量（XCo，0％≤X≤1.05％）的AlSi20Cu2Ni1Fe0.7合金的影響。對(duì)合金熔體施加高能超聲振動(dòng)（710℃施振，超聲振動(dòng)120s）會(huì)造成合金中富Co相的體積分?jǐn)?shù)、長(zhǎng)度、寬度明顯的下降，合金中

8、富鐵相的尺寸減小、長(zhǎng)寬比減小。另外，超聲振動(dòng)還可以有效的細(xì)化初晶硅相，降低初晶硅相的體積率。超聲處理細(xì)化組織的原因主要是增進(jìn)晶粒形核、阻止晶粒單一方向的優(yōu)先生長(zhǎng)和增大固溶系數(shù)。在AlSi20Cu2Ni1合金中添加低于0.7％的Co、在AlSi20Cu2Ni1Fe0.7合金中添加不多于0.91％的Co，以及對(duì)合金熔體施加超聲振動(dòng)，均可以提高合金室溫和高溫（300℃或350℃）的抗拉性能。以AlSi20Cu2Ni1Fe0.7合金為例，當(dāng)Co

9、含量為0.91％時(shí)，未經(jīng)超聲處理時(shí)合金的室溫和高溫抗拉性能（350℃）分別取得最高值275MPa和101MPa，超聲處理之后則分別為284MPa和132MPa。
　　首次研究了固溶熱處理對(duì)于含Co過共晶鋁硅合金微觀組織和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)非平衡熱處理可以改變合金中富Fe相的形貌。當(dāng)固溶處理溫度為510℃，固溶處理時(shí)間從0小時(shí)增加到11小時(shí)，粗大片狀的δ-Al4(Fe,Co,Ni)Si2相的邊緣部分、尖端部分和平面位置會(huì)伴隨固溶處

10、理時(shí)間的增加逐漸變化：隨著Si，F(xiàn)e和Ni元素的向外擴(kuò)散，δ-Al4(Fe,Co,Ni)Si2相的體積逐漸減小；另外，δ-Al4(Fe,Co,Ni)Si2相尖端位置的變化速率要大于平面位置。δ相的這種變化是由擴(kuò)散引起的晶界遷移引起的。二維情況下表現(xiàn)為粗大片狀的δ-Al4(Fe,Co,Ni)Si2相，其三維真實(shí)形貌為長(zhǎng)方體。此長(zhǎng)方體的長(zhǎng)度與寬度相仿而高度則小很多。對(duì)該合金極限抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度而言，固溶處理時(shí)間的變化有著極其重要的影