Al-10Si-2Cu合金共晶團(tuán)的細(xì)化及其對熱裂敏感性的影響.pdf

1、含銅鋁合金由于比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、加工性能優(yōu)良，在工業(yè)中的應(yīng)用愈加廣泛，尤其在汽車工業(yè)中的應(yīng)用較為突出，其中鑄造Al-Si-Cu系合金已成為汽車缸體、缸蓋的重要合金材料。然而，生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)銅元素雖能大大強(qiáng)化鋁合金基體，卻也能嚴(yán)重降低鑄造合金的抗熱裂性能，導(dǎo)致廢品率上升，大量理論研究也進(jìn)一步證明銅元素增加了合金的凝固溫度范圍，是一種“致裂”元素。針對鑄造鋁合金容易產(chǎn)生熱裂缺陷的現(xiàn)象，大量研究提出熱裂形成機(jī)理，探究熱裂的解決方法。細(xì)化被

2、認(rèn)為是緩解合金熱裂性能的重要方法之一，尤其是初生α-Al的細(xì)化能推遲枝晶搭接，提高液相補(bǔ)縮能力，有效緩解熱裂的發(fā)生。隨著對熱裂的進(jìn)一步研究，不少學(xué)者逐漸認(rèn)識到共晶反應(yīng)通常發(fā)生在凝固末期，處于熱裂發(fā)展階段，因而共晶組織與熱裂的發(fā)生緊密相關(guān)。顯然，對于近Al-Si共晶成分（12.5wt.％Si）的鋁合金來說，Al-Si共晶組織不僅在凝固末期產(chǎn)生，在凝固組織中的占比也遠(yuǎn)高于其他合金組織，使得熱裂發(fā)生的整個“脆裂”區(qū)域低于初生Al的凝固溫度范圍

3、，因而與初生Al相比，共晶團(tuán)組織對解決近共晶成分鋁合金的熱裂缺陷更加重要。但是，共晶團(tuán)的表征及凝固過程組織觀測困難等原因，目前有關(guān)共晶組織的深入研究相對較少。
　　鑒于Al-Si-Cu系鑄造合金易產(chǎn)生熱裂缺陷，應(yīng)用受到限制，同時為了方便共晶團(tuán)的獲取，本文選取含Si量較高的Al-10wt.％ Si-2wt.％ Cu三元合金為實驗合金，采用1wt.％新型中間合金(Al-10wt.％ Si-2wt.％ Fe)孕育劑細(xì)化實驗合金的共晶組織

4、，通過對比探究以共晶團(tuán)細(xì)化為主導(dǎo)作用的熱裂敏感性降低機(jī)制，最終達(dá)到減少Al-Si-Cu系合金熱裂缺陷的目的。實驗中選取的對比試樣分別為Al-10Si-2Cu的空白合金、Sr變質(zhì)處理合金、Sr變質(zhì)后進(jìn)行新型孕育劑處理合金，采用平板掃描儀、金相顯微鏡獲取共晶團(tuán)形貌，利用熱分析方法表征合金的凝固行為，掃描電子顯微鏡(SEM)表征Al2Cu、β-Al5FeSi相等微觀組織，借助金屬型約束鑄模(CRC)定性評價不同共晶團(tuán)尺寸下合金的熱裂程度。

5、r>　　實驗結(jié)果表明Sr變質(zhì)+新型孕育劑處理合金共晶團(tuán)尺寸減小至Sr變質(zhì)的1/4，同時合金鑄態(tài)下的宏觀孔隙密度和尺寸均減小。凝固冷卻曲線顯示共晶平臺也有所提升，進(jìn)一步說明孕育處理能促進(jìn)共晶形核。將Sr變質(zhì)處理和變質(zhì)后孕育處理合金的CRC熱裂敏感性指數(shù)(HTS)對比，Al-10Si-2Cu合金的熱裂敏感性隨著共晶團(tuán)的細(xì)化而有效緩解。考慮到金屬間化合物也是重要的“致裂”因素，進(jìn)一步觀測發(fā)現(xiàn)Al2Cu孕育前后尺寸基本不變，β-Al5FeSi相

6、隨共晶團(tuán)的細(xì)化有所減小，也有利于減輕熱裂。另外，熱學(xué)曲線還顯示Al-Fe-Si中間合金在含Cu合金中的孕育效能隨保溫時間延長逐步喪失，結(jié)合SEM表征分析，孕育效果的衰退很可能是由于Al2Cu相傾向于“爭奪”富Fe相，使得促進(jìn)Si相形核的(AlFeSi)團(tuán)簇減少所致。合金鑄態(tài)下抗拉強(qiáng)度得到改善，說明含F(xiàn)e元素中間合金的孕育并未帶來力學(xué)性能的惡化。
　　綜合以上表征結(jié)果，本文從以下兩個方面建立了共晶細(xì)化改善近Al-Si共晶成分Al-S

7、i-Cu合金熱裂的作用機(jī)理:1.液相補(bǔ)縮機(jī)制。Al2Cu、β-Al5FeSi金屬間化合物由于易堵塞晶間流動通道，嚴(yán)重降低糊狀區(qū)的滲透性，導(dǎo)致合金背底氣孔偏多。共晶團(tuán)尺寸減小能推遲晶間搭接，抑制氣孔形核，是提高液相補(bǔ)縮能力的主要原因，同時β-Al5FeSi相的尺寸相應(yīng)減小也有益于改善熱裂。2.凝固后期金屬塑性變形機(jī)制。應(yīng)力作用下，細(xì)小的半固態(tài)共晶團(tuán)在更多液膜的輔助下更容易滑移，且受初生α-Al枝晶的阻礙少，移動靈活，能更好地釋放局部應(yīng)力。