《本科论文--热处理工艺对Sr+B+RE联合细化变质Al-30Si合金的组织和性能影响》由会员分享，可在线阅读，更多相关《本科论文--热处理工艺对Sr+B+RE联合细化变质Al-30Si合金的组织和性能影响（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、材料成型及控制工程专业热处理工艺对Sr+B+RE联合细化变质Al-30Si合金的组织和性能影响材料成型及控制工程专业曾迎指导教师李小松教授摘要：本文通过正交试验、金相实验和硬度实验研究了Sr+B+RE联合细化变质后的Al-30Si合金的固溶温度、保温时间对合金显微组织及硬度的影响, 得出了Sr+B+RE联合细化变质后的Al-30Si合金的最佳热处理工艺参数。结果表明, 固溶温度与保温时间对合金显微组织与硬度均有影响。当保温时间一定时, 随着固溶温度的提高, 初晶硅溶入基体越来越充分, 被基体分割的效果越来越明显, 共晶组织变得粗大, 圆整度变高, 合金硬度提高。当固溶温度一定时, 随着保温时间
2、的延长, 初晶硅溶入基体越来越充分, 被基体分割的效果越来越明显, 共晶组织变得粗大, 圆整度变高, 合金硬度提高, 当温度达到540时, 保温时间的延长使得共晶组织圆整度变差, 合金的硬度反而下降, 固溶温度为540、保温时间为7h时硬度最高。Sr+B+RE联合细化变质后的Al-30Si合金的最佳热处理工艺参数为：5407h。关键词：热处理工艺；Sr+B+RE；细化变质；Al-30Si；组织；力学性能Abstract：The effect of heat treatment on the microstructure and hardness of the Al-30Si modifying
3、 by Sr, B and RE was studied. The experimental results show that both solid treatment temperature and holding time influence both microstructure and hardness. When holding time was stable, as solid treatment temperature rising, primary silicon dissolved more fully into matrix, while the segmentation
4、 effect by matrix is more and more obvious. Eutectic structure becomes bulky, roundness, while hardness of the alloy turned to be higher. When solid treatment temperature was stable, as holding time rising, primary silicon dissolved more fully into the matrix, while the segmentation effected by matr
5、ix is more and more obvious. Eutectic microstructure becomes bulky, roundness, while hardness of the alloy turns to be higher. When the solid temperature reaches 540 degrees celsius, the extension of holding time destroys the eutectic structure roundness, hardness of the alloy turns to be worse, and
6、 this temperature of 7h holding heat causes the highest hardness. The best heat treatment process for Al-30Si after Sr、B and RE modifying is: 540 degrees Celsius solid treatment temperature with 7 hours holding time.Keywords: Heat treatment；Sr+B+RE；Refining and Modifying；Al-30Si；Structure；Mechanical
7、 Property1绪论1.1 铝硅合金热处理的研究背景及现状目前, 全世界已正式注册的铝合金达千种以上, 但随着科技的进步, 有些合金已被淘汰, 极需发展一批高强、高韧性、高模耐磨、耐蚀和超轻的新型铝合金。世界各国都投入大量的人力、财力全面深入研究铝合金的成分-加工与热处理工艺-组织与性能之间的关系, 以改善各种材料的性能, 拓宽其用途, 使之成为各种场合的新材料1。汽车的发展必须考虑降低油耗, 在经历了相当深人的研究工作之后, 人们的注意力逐步集中在减轻汽车的自身质量方面, 铝硅合金是汽车制造业尤其是轿车制造业中理想的轻量材料24。热处理通常是铸件生产中耗能的主要环节之一, 当为了提高铝硅
8、合金的性能而在其中加入了更多的合金元素之后, 可能使其热处理过程更长。例如, 一种新型高强度铝硅铸造合金ZL107的固溶处理采用分级加热制度(49054h;500546h;5105812h), 可使经时效处理后该合金的强度与塑性达到很高的水平(金属型铸件的为420470MPa,为4%5% )5。但固溶处理耗能大, 生产效率低。对此, 可以从以下两条途径加以改进：一是利用变质来促进热处理时硅相的粒化。二是在铸件凝固冷却的后期加快其冷却速度(如采用铸造余热淬火) 610。1.2 固溶处理对合金力学性能及显微组织的影响固溶处理的目的是为了得到高浓度的过饱和固溶体, 固溶处理获得的过饱和固溶体有自发分
9、解的倾向11。不同合金性能的变化大不相同,铸造合金固溶处理后与铸态性能比较, 一般强度与塑性均同时提高1。过饱和固溶体12是一种不稳定的组织, 它不仅对溶质原子是过饱和状态, 而且对空位这种晶体缺陷也是过饱和的, 即处于双重过饱和状态。影响固溶处理的主要因素包括加热温度和保温时间13。加热温度越高, 保温时间越长, 则强化相溶解越充分, 合金元素在晶格中的分布也越均匀, 同时晶格中空位浓度增加也越多。这些因素结合起来, 能较好的促进时效效果的提高。但加热温度过高, 会使合金中低熔点共晶物熔化, 造成合金过烧, 使合金的力学性能恶化14。因此, 加热温度应在不出现过烧和晶粒粗化的情况下尽可能高,
10、 以保证原子的跃迁有足够的激活能。1.3 课题的提出及研究意义过共晶铝硅合金具有密度小、热膨胀系数低、尺寸稳定性高、耐磨、耐蚀性能强, 高温性能好, 铸造成本低等一系列优点, 是制造发动机活塞、生产精密耐磨件的理想材料。但随着硅含量的增加, 合金组织中出现了大量块状初晶硅, 合金铸态组织中存在不规则的、粗大的块状初晶硅和针片状共晶硅, 使合金成为难以加工的硬而脆合金材料, 因而在工业上未能得到广泛的应用, 严重地恶化合金的力学性能,使合金丧失使用价值。因此, 此类合金在使用之前必须进行变质处理。而单独的变质处理只能在一定程度上提高其力学性能, 经过热处理后过共晶铝硅合金的综合力学性能更将大大地
11、提高。国内外对含硅量小于18%(质量分数,下同) 的铝硅合金的硅相变质研究得较多, 并取得了一定的进展, Al-7Si-1.5Cu-Mg-Ti-Mn合金的最佳热处理工艺为: 52015h+1607h。生产实践表明: 采用该热处理工艺, 可获得抗拉强度400MPa、伸长率5%的满意综合力学性能 15。Al-1.5Si-1.2Mg-0.6Cu-0.3Mn铝合金500555 之间进行固溶处理时, 固溶温度升高, 基体中残留的第二相数量逐渐减少, 而再结晶晶粒尺寸形态变化不大; 合金板材的强度和延伸率单调增大16。但是, 硅含量大于20%的铝合金的研究主要集中在快速凝固、半固态铸造方面, 而这两种成形
12、方法工艺复杂, 成本高, 难以推广, 致使这类合金目前应用较少17 18。本课题以Al-30Si合金为研究对象, 对合金经Sr+B+RE变质后, 再经过热处理的组织及力学性能进行研究, 探索合金的最佳热处理工艺, 本文将研究变质处理过后铝硅合金, 在固溶处理温度与固溶处理时间两个变量的条件下, 找出最合适的热处理工艺。2 实验方法2.1 实验材料的制备实验材料采用（质量分数, 下同）Al-30%Si-0.036%B-0.044%Sr-0.1%RE合金, 该合金由工业纯铝（99.9%）和结晶硅置于石墨坩埚电阻炉加热到800, 待合金熔化后加入0.036% B、0.044%Sr、0.8%RE（变质
13、剂B、Sr、RE 分别以Al-4B、Al-10Sr、Al-10RE的中间合金形式加入）, 保温20min后用10g的六氯乙烷进行除气精炼, 除渣后静置约5min 浇注, 获得一批铸态试样, 再进行固溶处理。2.2 正交试验正交试验设计(Orthogonal experimental design)是研究多因素多水平的又一种设计方法, 日本著名的统计学家田口玄一将正交试验选择的水平组合列成表格, 称为正交表, 因而正交实验设计在很多领域的研究中已经得到广泛应用。例如作一个三因素三水平的实验, 按全面实验要求, 须进行33=27种组合的实验, 且尚未考虑每一组合的重复数。若按L9(3)3正交表安排
14、实验, 只需作9次, 按L18(3)7正交表进行18次实验, 显然大大减少了工作量。因而正交实验设计在很多领域的研究中已经得到广泛应用19。本文依据L9(3)2选优方案, 选取了表2.1所示的2因素3水平进行正交试验。进而分析出对硬度影响最大的固溶处理因素。表2.1 影响合金硬度的因素水平表水平影响因素固溶温度/保温时间/h1520625307354082.3 固溶处理实验2.3.1 固溶处理因素本合金仅考虑固溶处理因素对组织及性能的影响。工艺参数涉及到固溶温度、保温时间、淬火介质、冷却速度。故特作如下考虑：（1） 固溶温度最佳的固溶温度是能保证最大数量的强化相溶入基体, 但又不引起过烧及晶粒
15、长大的温度。我们知道普通铝合金的过烧温度约为550, 所以我们在实验设计中将实验温度因素设定为520、530、540。（2） 保温时间保温时间要保证能溶入固溶体的强化相充分溶入, 以得到最大的过饱和度。但是保温时间过长会引起合金的晶粒长大, 从而影响合金的性能11。因此, 本实验中将保温时间作为重要因素考虑。将实验保温时间因素设定为6h、7h、8h。（3） 淬火介质及冷却速度由于铸件含硅量较高而偏析严重, 为了防止淬火变形和开裂, 一般在60至100的水中冷却。国内外对铝硅合金固溶处理时, 都是用水作为介质。固溶处理冷却速度低时, 此过程中就会产生固溶体的分解, 使过饱和度降低, 影响时效效果；冷却速度太高, 又会产生过大变形和内应力。但是通过资料20我们知道铸造铝硅合金对冷却速度的敏感性较小。将淬火水温从20增加到60, 合金的力学性能保持不变, 将淬火水温提高到100, 合金的抗拉强度和屈服强度仅下降不到5%。因此为了降低淬火应力和淬火应变, 我们采用沸水淬火。2.3.2 实验步骤（1）将铸态试样加工成20、L40标准形圆柱, 检查实验仪器箱式电阻炉；（）将箱式电阻炉温度调节到指定温度；（）待到温度升到目标温度时, 用火钳将试样置入箱式电阻炉内。（）保温到指定时间后, 用火钳取出试样, 夹稳浸入沸水中, 待到试样剧烈反应效果完全结束, 取出并放入指定试样袋中
