铸铝材料固溶处理.docx

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铸铝材料固溶处理

设计型综合实验

实验论文

实验题目：

固溶处理对铸铝合金性能的影响

专业：

金属材料工程

班级：

B130210

XX：

星

学号：

B13021019

实验学时：

指导教师：

成绩：

年月日

固溶处理对铸铝合金性能的影响

星

工业大学北方信息工程学院

摘要：

铸造铝硅合金是一种重要的合金材料，具有质量轻、强度高、耐磨耐蚀性好等优点，广泛应用于航空航天及汽车领域，但其组织中常出现的粗大共晶硅组织对合金的力学性能具有严重的不利影响，因此需要对该组织进展变质及固溶处理。

稀土被认为是金属的“维他命〞，对铸造铝硅合金具有良好的变质作用。

铝合金通过控制参加Si，Cu的含量，使合金的综合性能都比拟好。

含硅和铜的铝合金的强化机制主要是固溶强化和沉淀强化，一般在人工时效状态下使用。

主要探讨了变质及固溶处理对铸造铝合金微观组织的影响，比拟了固溶处理前〔变质二〕和固溶处理后的组织性能变化。

本文以含硅和铜的铝合金为研究对象，以固溶处理为方法，采用组织观察（光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜）和金相组织分析相结合的方法对含硅铜的铝合金的强化性能进展了研究，主要研究容和结果如下:

（1）研究了固溶处理对合金微观组织的影响。

通过对合金进展金相分析和透射电镜观察发现，热处理后合金中粗大的树枝状的共晶硅形貌发生很大改变，共晶硅熔断并且被球化;强化相在固溶处理过程中溶解。

这些形态的改变带来了包括合金的抗拉强度、硬度和耐磨等性能都得到很大的提高。

当固溶温度为480℃，固溶时间为4.5小时时，第二相固溶根本完成，而且合金中枝状的共晶硅被溶断并且被很好的球化。

关键词铸铝合金固溶处理变质金相组织

摘要

参考文献

第一章绪论

1.1铝合金分类及性能

1.1.1铸造铝合金

铝在地壳中的含量仅次于氧和硅居于第三位，是地壳中含量最丰富的金属元素，其空间点阵为面心立方构造且没有同素异构转变，在化学元素周期表中为第IIIA主族元素，纯铝的密度较低为2.699g/cm'，其熔点为660.24'C，通常向纯铝中参加如Mg,Si,Zn,Cu等元素能得到性能更优的铝合金。

铝及铝合金由于具有质量轻、比强度和比刚度高、耐磨损、耐腐蚀、弹性好以及良好的加工成型性和可再回收性等优点，已成为现代工业中应用最广泛的轻金属合金，日常生活中用到的餐具、手机等，汽车上的轮毅、连杆等，军事上飞机的零部件均离不开铝及其合金的应用。

如图1.1所示，铝合金按加工方法可以分为两大类，分别为形变铝合金和铸造铝合金，其中形变铝合金又分为不可热处理强化型铝合金和可热处理强化型铝合金，不可热处理强化型铝合金在生产中不能通过热处理来提高其力学性能，只能通过冷加工变形来实现强化，它主要包括高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝以及防锈铝等;可热处理强化型铝合金可以通过热处理手段如淬火和时效等来提高力学性能，它可分为硬铝、锻铝、超硬铝和特殊铝合金等[#]。

形变铝合金一般是经过熔炼铸成铸锭后，再经加工形成各种型材、管材及棒材等，因此，形变铝合金要求具有良好的冷热加工性能，因而合金中合金元素的含量比拟低，一般不超过极限溶解度（即图1.1中B点成分）。

相对于形变铝合金，合金元素含量较高的铸造铝合金根据其中合金元素的不同，可分为Al-Si系、Al-Cu系、Al-Mg系、Al-Zn系及Al-RE系五类5,,Al-Cu系合金是这五种铸造铝合金中力学性能最好的合金系，其强度较高且还具有很好的耐热性能，因此广泛应用于汽车飞机上对强度及耐热性要求较高的零件，但该类合金的铸造性能较差，在铸造过程中易产生疏松缩孔等缺陷导致其在使用时有发生热裂的倾向，其耐蚀性也并不是很好，从而使其应用受到了限制;Al-Mg系铝合金具有良好的耐蚀性能，其比重小、强度高尤其是冲击强度较高，因而在承受冲击载荷及腐蚀环境下的零件上应用较为广泛，如氨用泵体、舰船配件等，但是该类合金的铸造性能欠佳，铸造过程中也易形成一些缺陷，耐热性也比拟低;Al-Zn系铝合金在日常生活中的应用较为广泛，这主要是由于该类合金的综合性能不高，不及前面提及的Al-Cu系、Al-MR系合金，但其铸造性能优良并且价格廉价，在汽车零件、拖拉机零件。

钟表零件上该类合金具有较好的应用;Al-RE系铝合金是向铝中添加稀土后形成的，其在室温下力学性育拼不高，但在高温下其性能并不会发生较大的降低，因此它主要应用在一些高温铸件（350-450℃）上。

图1.1铝合金分类

1-变形铝合金;2铸造铝合金;

3-不能热处理强化的铝合金;4-可热处理强化的铝合金

以Si为主要合金rG素，辅助添加Mg,Cu等元素的Al-Si系合金是铝合金中最重要的一种，它不仅具有比其它传统铝合金质量更轻的优点，而且还具有良好的铸造性育断口力学性能，如高温强度高、耐磨耐热性好、热膨胀系数低等匡一刃，在现代工业尤其是在以轻量化、高速、节能、低排放、舒适为开展方向的汽车行业中有着广泛的应用，我国汽车工业处于迅速开展时期，其轻量化趋势也日益明显，1-I-S1合金的需求正急剧增大。

111-51合金中主要的合金元素是S1，而实际生产中该类合金中的其他元素对于合金性能尤其是耐蚀、耐磨等性能也具有重要的影响，这些元素包括Mg、fin;Cu、Mn;Ti,B,Sr、Fe,P,S等，这其中的有些元素是根据使用需要而育意人为参加的，而另外一些如Fe、P,S等是在熔炼制备过程中不可防止而混入的，一般对开合金的险能具有较为不利的影响。

Si是Al-Si合金组织中的第三相，其含量的增加对于合金铸造性能的提高具有重要作用，而其硅相形态、大小及分布又影响着合金的力学性能。

从图1-2铝硅合金相图上可以知道，平衡状态下Al-Si合金共晶点所对应硅含量为12.2%，实际生产上一般认为硅含量小于8肠时为亚共晶合金，硅含量在8%-14%时为共晶合金，硅含量大于14%时为过共晶合金，一尽管在共晶点时Si含量能到达12:

2%，但此时Sl在基体AI中的固溶度却仅有1,60}0x因而S1对合金

图1-2铝硅合金相图

的固溶强化作用有限，S一般也不与合金中的其他元素形成化合物，其在合金中一般以固溶体的形式存在。

在S含量相对较少的亚共晶及共晶Al-Si合金中，S的存在使得合金拥有良好的流动性，铸造过程中合金也不易产生缺陷，而在Si含量较高的过共晶Al-Si合金组织中不仅育和亚共晶及共晶Al-Si合金中形貌相近的Al-Si共晶体，还有呈板条状的初晶硅存在，它对开合金基体具有严重的割裂作用，使得合金的切削加工性能变差，一般可以通过热处理改变初晶硅的形态，从而改善合金的力学性能。

Mg和Cu是Al-Si合金中主要的强化元素，它们不仅能起到固溶强化的作用，而且在Al-S合金中还能形成弥散分布的第止相，如Mg与S形成Mg多i及}u与A1形成A12}u，这些第三相的存在使得合金通过第二相弥散强化作用而强度得以提高，然而此时合金的塑性却有所降低。

譬如在Al-Si合金中，当合金中Cu含量较高时（大于5.50}0），尽管经过固溶热处理，合金中却仍会有未溶的A1zCu脆性相存在，造成了合金的塑性较低，因而一般情况下Al-Si合金中Cu的含量均在4.5%以下。

Zn也是Al-Si合金中常见的一种添加合金元素，由于其本身较为优良的塑性，它的存在能降低合金的脆性，譬如在含铜Al-Si合金中添加Zn元素不仅能提高合金的塑性，还能增加Cu元素的溶解度及溶解速度。

Al-Si合金中微量的Ti,B等元素一般是作为细化剂而参加的，这主要是因为当合金中含有Ti,B时，它们能形成细小的TiA13或TB等金属间化合物，这些细小的金属间化合物由于熔点较高，且大小与硅相近，因而在合金凝固过程中能作为外来晶核使其发生异质形核来细化合金组织[}ll}oFe的存在一般对Al-S合金的组织及性能具有不利影响，当合金中Fe含量到达0.2%时，它育屿合金中的其它元素如AhSi等形成化合物，如较常见的一种化合物A19Si}Fe:

在合金组织中一般是以针状的形式存在，局部还插入基体中，对基体组织具有严重的割裂作用，使得合金的性能急剧下降，所以在实际生产中一般要严格控制Fe元素的含1310RE在Al-Si合金中一般是起变质作用，除此以外还有除气去渣的作用，这方面的相关容在后文中将会作重点介绍。

1.1.2变形铝合金

变形铝合金与铸造铝合金不同之处在于，变性铝合金是经熔炼铸成铸锭后，再经加工形成各种型材、棒材、管材和板材。

因此，要求合金具备优良的冷、热加工工艺性能，组织中不允许有过多的脆性第二相。

所以变形铝合金中合金元素含量比拟低，一般不超过极限溶解度B点成分（图1.1）。

常用变形铝合金中合金元素总量小于5%，但在高强度变形铝合金中可达8%-14%。

变形铝合金通过挤压、轧制、锻造等手段减少了缺陷，细化了晶粒，提高了致密度，因而具有很高的强度、优良的韧性以及良好的使用性能。

但是对设备和工装模具要求高，工序多，因此变形铝合金生产周期长、本钱很高变形铝合金按其成分和性能特点又可分为不能热处理强化铝合金和可热处理强化铝合金。

不能热处理强化铝合金的合金元素含量小于状态图中（图1.1）D点成分的合金，其中还包括一些热处理强化效果不明显的合金。

这类合金由于具备良好的抗蚀性，故称为防锈铝。

可热处理强化铝合金的合金元素含量比防锈铝高一些，成分相应于状态图（图1.1）中B与D之间的合金，这类铝合金通过热处理能显著提高力学性能。

此类铝合金包括硬铝、锻铝和超硬铝

铝合金的分类及性能特点列于表1.2

1.2铸造铝硅合金的变质处理

1.2.1变质剂的开展

铸造铝硅合金在常规铸造条件下其组织中共晶硅一般呈现大量的板条状或者针状形式，并且当硅含量增加至共晶点以上时，合金中还会有块状或板状的初晶硅出现，创门严重的割裂了基体组织而使得合金的力学性能显著降低，同时也使合金的切削加工性能恶化。

因此采取适当的措施来改变铸造铝硅合金中初晶硅和共晶硅的形貌、尺寸及分布是铝硅合金生产制备过程中的一道关键工艺步骤，目前对铝硅合金组织进展改善的方法有添加化学元素[14]淬火、外加磁场及过热处理等，其中添加化学元素是较为常见的方法。

1920年法国科学家在制备铝硅合金时发现，向铝硅熔液中参加少量钠盐后合金组织明显变细，从而得出钠盐对于铸造铝硅台金具郁良好的变质作用[24]，而钠盐变质剂也在随后的相当一段时间成为铝硅合金系的主要变质剂。

在钠盐被发现可以作为变质剂后，其他各国科学家相继发现K,Sr;P;Sb,Ba,B等元素也可作为变质剂而在铝硅合金中得以使用，不仅如此，现代生产中的变质剂己从单一变质转为复合变质。

我国变质剂开展起步较晚，始于20世纪80年代末，而随后我国的变质剂开展较为迅速X30]，20世纪90年代后我国各铝合金生产企业已广泛采用变质剂进展铝合金的生产制备，并且国产变质剂也在市场上占据了一定的份额。

下面介绍几种主要的变质剂：

1.钠（Na）变质剂

钠变质剂是最早使用的变质剂，它一般是以钠盐（如NaCl+NaF+Na3AIF6）的形式参加。

钠盐变质剂在较长一段时间作为主要的变质剂广泛应用于铝硅合金的变质处理上，这是因为钠盐变质剂的变质作用较强，在铝硅合金中参加少量的钠盐后，合金中的共晶硅形貌能发生显著的改善，即由粗大的板条状或针状转变为细小的纤维状[32]。

不仅如此，钠盐变质剂的变质作用对冷却速度不敏感，因此对铸造的条件也没有要求，适合于包括砂型铸造及金属型铸造等各种铸造形式，其变质也没有潜伏期，实际生产中使用很方便。

然而钠盐变质剂也有其缺点，这包括它的变质时间不长，一般仅为0.5-1h，因此对于大批量的连续生产，钠盐变质剂的使用受到了限制，而且由于钠盐具有较强的挥发性，在使用中会对熔炼堪竭及其他设备造成腐蚀作用，针对于此尽管人们采取了各种处理方法，但钠盐变质剂的缺点只能局部得以解决[33]

2.磷（P）变质剂

磷是目前变质过共晶铝硅合金初晶硅的主要元素，实际生产中它一般以单质赤磷、磷盐