微納米晶高Si鋁合金材料制備工藝及組織形成機(jī)理研究.pdf

1、為了大幅度提高汽車、賽車等的使用性能，對(duì)其核心部件---發(fā)動(dòng)機(jī)功率密度及自重的要求越來越高。我國(guó)幾代汽車技術(shù)的發(fā)展，伴隨著發(fā)動(dòng)機(jī)功率成倍增長(zhǎng)的同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的體積和重量也越來越大，由此產(chǎn)生了嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)超重問題，致使發(fā)動(dòng)機(jī)的性能受到影響，成為制約汽車工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。采用新的高性能材料制造發(fā)動(dòng)機(jī)零部件，減輕發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量和傳動(dòng)阻力等是提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的有效途徑。 鋁硅合金作為耐磨材料，在機(jī)械工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。特別是含硅量

2、在18％-26wt％的過共晶鋁硅合金具有密度小、熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱性好、足夠的高溫強(qiáng)度和耐磨性等特點(diǎn)，是理想的發(fā)動(dòng)機(jī)輕質(zhì)耐磨材料。但是，采用普通鑄造工藝生產(chǎn)過共晶鋁硅合金時(shí)，粗大的硅相嚴(yán)重割裂了基體的連續(xù)性，使合金的強(qiáng)度、韌性顯著下降。當(dāng)硅量超過14wt％時(shí)，即使變質(zhì)處理也很難消除硅相的不利影響。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，尤其是汽車、航空、航天工業(yè)的特殊需要，要求鋁硅合金進(jìn)一步提高耐磨性、耐熱性，并大幅度降低線收縮率及密度。在合金成分上表現(xiàn)為

3、高硅含量及合金化。顯然，常規(guī)的合金材料及鑄造工藝遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。近幾年研制開發(fā)的快速凝固新材料為航空、航天工業(yè)用高性能材料開辟了一條新路。 本文應(yīng)用快速凝固粉末冶金法(RS/PM)制各了高耐磨超低膨脹系數(shù)高硅鋁合金材料，對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)的分析研究，取得了規(guī)律性認(rèn)識(shí)，并應(yīng)用該材料試制了大功率發(fā)動(dòng)機(jī)缸套，得到了具有實(shí)用價(jià)值的研究成果。 論文自行設(shè)計(jì)制造了霧化制粉實(shí)驗(yàn)裝置，以此為基礎(chǔ)研究各種工藝參數(shù)對(duì)粉末材料特性的影響規(guī)律，霧

4、化正交實(shí)驗(yàn)及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：各種霧化工藝參數(shù)對(duì)合金霧化效果有很大影響：噴嘴間隙6是影響霧化效果的顯著因子，氣體流量Q是影響霧化效果的第二顯著因子，金屬液過熱度為非顯著因子；實(shí)驗(yàn)得到最佳噴嘴間隙取δ=0.55mm，較佳的氣體流量Q為34 m<'3>/h，陶瓷管內(nèi)徑值為6.4 mm，最佳噴嘴角度為25°，金屬液過熱度100℃。 論文以群體動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，在充分考慮合金的熱物性參數(shù)，過飽和度以及第二相形核率變化的條件下，提出了一個(gè)

5、描述霧化過共晶A1．Si合金液滴快速凝固過程中組織演變的數(shù)學(xué)模型，并將其與液滴的運(yùn)動(dòng)方程與傳熱方程相耦合，對(duì)霧化合金液滴的冷卻凝固過程進(jìn)行模擬分析，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：隨著合金液滴尺寸的減小，平均冷卻速度增加，當(dāng)熔滴尺寸足夠小時(shí)，熔滴溫度的變化趨勢(shì)及合金液滴的組織將發(fā)生突變，過共晶A1．Si合金液滴發(fā)生亞穩(wěn)共晶組織轉(zhuǎn)變的臨界尺寸為：d<,lim>=[6.Nu.K<,g>(T<,x)-t<,g>)/ρ.L．df/dt]<'1/

6、2>；增加霧化氣體的初速度，降低熔體過熱度，會(huì)使初生相的析出受到抑制，有利于得到亞穩(wěn)組織。 論文在快速枝晶及共晶生長(zhǎng)理論模型基礎(chǔ)上，充分考慮了過冷熔體中等軸凝固的生長(zhǎng)特性，借用最高界面生長(zhǎng)溫度判據(jù)，建立了共晶合金等軸凝固界面響應(yīng)函數(shù)模型：IRF(v)=max(T<,pri>(v),T<,eut>(v))；通過該模型分析了Al-Si合金系快速等軸凝固過程中的組織競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)，繪制了非平衡組織選擇圖，研究表明：在快速等軸凝固過程中，Al

7、-Si系合金存在著α相、Si相及(α+Si)共晶組織三個(gè)生長(zhǎng)區(qū)，當(dāng)Si的含量介于12％至25％之間時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)α相及(α+Si)共晶兩種亞穩(wěn)組織，當(dāng)Si含量大于25％或者小于12％時(shí)，只可能形成亞穩(wěn)的(α+Si)共晶組織；計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，說明所建立的共晶合金等軸凝固界面響應(yīng)函數(shù)模型可以較好地預(yù)測(cè)Al-Si系合金快速等軸凝固過程中的非平衡組織選擇，對(duì)其它共晶系合金同樣具有一定的指導(dǎo)意義。 論文以自行設(shè)計(jì)制造的小型冷壓及

8、熱擠壓模具為基礎(chǔ)進(jìn)行小試樣擠壓過程物理模擬，研究粉末材料致密化和金屬流變規(guī)律及熱擠壓工藝參數(shù)對(duì)材料微觀組織的影響。結(jié)果表明：粉末冷壓坯的擠壓可以分為填充致密、穩(wěn)定擠壓、紊流擠壓等三個(gè)階段；粉末顆粒尺寸越大，粉末的冷壓制性能越好，越容易獲得表面質(zhì)量高且形狀完整的冷壓坯料，同時(shí)大尺寸粉末顆粒的熱擠壓棒材質(zhì)量好，表面光潔無裂紋；但是，粉末顆粒尺寸越小，所獲得的熱擠壓棒材密度越高，材料內(nèi)部微觀組織細(xì)小且均勻分布，且擠壓棒材的力學(xué)性能越好。

9、 綜合考慮粉末的利用率及粉末顆粒內(nèi)部的組織形態(tài)力學(xué)性能等因素，使用混合粉末比使用單級(jí)粉末擠壓具有一定的優(yōu)勢(shì)，實(shí)驗(yàn)證明，使用顆粒半徑小于147μm的混合粉末，選擇適當(dāng)?shù)臄D壓溫度、擠壓比、擠壓模芯角度等參數(shù)可以得到高質(zhì)量的擠壓棒材。溫度對(duì)熱擠壓制品微觀組織影響較大，合金中Si含量越高，初晶硅相隨擠壓溫度升高而長(zhǎng)大的趨勢(shì)越明顯。Al-Si合金粉末材料中細(xì)小彌散分布的Si相在擠壓過程中發(fā)生聚集和長(zhǎng)大的規(guī)律符合LSw粗化動(dòng)力學(xué)理論；擠壓變形系數(shù)

10、和制品橫截面形狀主要通過改變粉末變形程度和粉末體結(jié)合狀態(tài)來影響擠壓制品的微觀組織及力學(xué)性能。擠壓比為16時(shí)，Al-Si合金粉末之間的孔隙已經(jīng)基本消除，粉末體結(jié)合已接近良好狀態(tài)，較大的擠壓比是獲得理想微觀組織及性能的必要條件。在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下，Al-30％Si合金最佳熱擠壓工藝參數(shù)為：擠壓溫度520℃，擠壓比16，模芯角90。。 總之，使用快速凝固制粉+熱擠壓工藝制備的Al-Si合金與未經(jīng)過任何變質(zhì)處理自由凝固條件下制備的合金相比

11、，力學(xué)性能得到了顯著提高；隨著合金中Si含量的提高，擠壓制品的抗拉強(qiáng)度、硬度、耐磨性相應(yīng)提高，延伸率略有下降；細(xì)化初晶硅相使其細(xì)小均勻分布，改善初晶硅相的形態(tài)使其與基體的結(jié)合力進(jìn)一步提高，將有利于提高材料的力學(xué)性能、摩擦磨損性能。 應(yīng)用高硅鋁合金材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)38CrMoAl材料生產(chǎn)大功率發(fā)動(dòng)機(jī)缸套，并采用缸套環(huán)向加筋且筋上有徑向約束的方法可以使缸套的各種性能滿足實(shí)際工作要求。其室溫抗拉強(qiáng)度大于400 N/mm<'2>，高溫250