过共晶铝硅合金是一种重要的铸造合金,广泛应用于航空航天和汽车制造等领域,由于铸造组织中的粗大初晶硅相严重损害了其机械性能,大大限制了高硅过共晶铝硅合金在更广泛范围内的应用。为进一步挖掘该材料的性能潜力从而扩展材料的使用范围,本文对过共晶A1-25%Si合金进行了相关的基础性研究。为了更深入地认识Al-25%Si合金的组织特征,本文采用不同的腐蚀、萃取方法,使用光学显微镜、扫描电子显微镜、X-射线衍射仪等试验分析手段,对Al-25%Si合金中的八面体、五星柱状、五瓣星状等多种形貌初晶硅的形核和生长行为进行了系统研究,初步揭示了八面体初晶硅、五星柱状初晶硅和五瓣星状初晶硅的生长过程。运用闵氏层错亚台阶生长理论成功解释了八面体和五星柱状初晶硅的生长机制,认为八面体五重孪晶凝并形成的五角多面体是五星柱状初晶硅的晶核,其后五角多面体晶核以层错在各生长面{111}上产生的亚台阶为生长台阶源,层层堆叠长大形成了五星柱状初晶硅。五星柱状初晶硅是五瓣星状初晶硅的生长初始形态。运用TPRE机制解释了Al-25%Si合金中三瓣星、四瓣星及五瓣星状初晶硅的生长,认为TPRE机制是五瓣星状初晶硅的主要生长机制。揭示了杂质元素对五瓣星状初晶硅和板块状初晶硅生长过程的影响,提出板块状初晶硅的生长规律,推断板块状初晶硅在熔体中的生长也可能遵循层状生长机制。采用多种检测分析方法,对P、RE、Sr单一和复合变质下Al-25%Si合金中的初晶硅、共晶硅及化合物相进行深入地分析研究。试验总结P、RE、Sr单一变质对合金初晶硅和共晶硅相形貌、尺寸和分布的影响规律,开发出一种新型Sr+P+RE复合变质剂,该复合变质剂对Al-25%Si合金具有良好的变质效果。通过设计正交实验,考察复合变质剂中P、RE、Sr加入量对Al-25%Si合金显微组织形态的影响,确定合金复合变质剂的最佳添加范围,初步揭示了变质剂加入量与初晶硅、共晶硅的尺寸与形貌之间的关系。试验确定了三元复合变质剂的最佳加入温度(Sr-750℃,P-840℃,RE-840℃)、加入顺序(Sr,P,RE)、各元素加入量(Sr-0.06%,P-0.12%,RE-0.8)及变质时间(Sr-30min,P-10min,RE-10min)等工艺参数,为Al-25%Si合金工业化应用提供了一定的理论依据。采用正交试验方法,极差、回归拟合等分析手段,分析了Cu、Mg、Mn的加入量对合金高温抗拉强度σb,300℃、磨损率u及热膨胀性能α的影响规律,分别建立了三种性能与Cu、Mg、Mn加入量之间的效应曲线。根据Al-25%Si合金要达到的本课题技术要求σb,300℃≥137MPa,u≤1.134和α≤18.364×10-6/℃,利用极差和回归分析手段确定了Al-25%Si合金的合理成分范围:24~26%Si,2.2%~2.5%Cu,0.3%~1.0%Mg,0.2%~0.3%Mn,0.35%Ti,0.2%Zn,余量Al。通过对变质和成分优化后Al-25%Si合金进行性能验证。研究变质前后过共晶Al-25%Si合金中Si相的形貌、尺寸及分布对合金高温拉伸性能、耐磨性和热膨胀特性的影响。高温拉伸试验和磨损试验表明,随着初晶硅的细化、圆整化,材料的高温强度和耐磨性都有明显提高,变质处理后Al-25%Si合金的高温断裂为脆性和韧性的混合断裂,磨损机制则是典型的磨粒磨损;热膨胀性能则主要取决于合金中的硅含量,微观组织的影响在其次。试验揭示了过共晶Al-25%Si合金的成分、组织和性能之间的内在关系,为提高过共晶Al-25%Si合金高温抗拉强度和耐磨性及降低合金热膨胀特性的根本途径。结果证明变质处理和成分优化后Al-25%Si合金的各项性能指标(σb-230.33MPa,σb,300℃-142.64MPa,δ300℃-1.073%,HBS-158.17,u-1.063,α-18.32×10-6/℃)均满足预定的试验目标,且超过了常用活塞合金的现有水平。
