不同状态Al-10Sr变质剂及冷却速度对ZL114A合金组织与性能的影响

发布时间：2017-07-07 12:24

  本文关键词：不同状态Al-10Sr变质剂及冷却速度对ZL114A合金组织与性能的影响

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【摘要】：ZL114A合金不仅具有优良的铸造性能、焊接性能、耐腐蚀性能,而且具有较低的密度和良好的综合力学性能,因此广泛应用于汽车、轨道交通、航空航天等领域。ZL114A合金中共晶硅的尺寸和形貌对合金的机械性能,尤其是断裂延伸率至关重要。变质处理可以显著改善共晶硅的尺寸和形貌,从而提高合金的力学性能。共晶硅变质与凝固过程密切相关。本文主要研究了不同状态的Al-10Sr变质剂及凝固过程中的冷却速度对ZL114A合金中共晶硅尺寸、形貌的影响,并讨论了不同状态Al-10Sr中间合金对共晶硅变质效果的差异,分析了Al-10Sr中间合金变质共晶硅的冷却速度敏感性。对常规铸态Al-10Sr中间合金进行重熔快速凝固以及后续的轧制处理,制备了快速凝固态和轧制态Al-10Sr中间合金。显微组织分析表明,常规铸态、快速凝固态、轧制态Al-10Sr中间合金中初生Al4Sr相的尺寸逐渐减小,Al4Sr相的平均宽度分别为26.4μm、15.8μm和3.3μm。DSC热分析表明它们的熔化焓逐渐减小,分别为441.8J/g、375.9J/g和315.6J/g。对不同状态Al-10Sr变质的ZL114A合金在750℃保温30 min,其中Sr的加入量为0.02wt.%,研究发现常规铸态、快速凝固态、轧制态Al-10Sr中间合金对共晶硅的变质效果逐渐减弱,这是由于Sr的加入量不足以及不同状态Al-10Sr中间合金在熔炼过程中Sr的烧损程度不同导致的。此外,凝固过程中冷却速度的提高可以在一定程度上缩小这种变质效果的差异。对不同状态Al-10Sr变质的ZL114A合金分别在750℃保温不同时间,其中Sr的加入量为0.02wt.%,试验表明,常规铸态Al-10Sr最佳保温时间为30 min,快速凝固Al-10Sr最佳保温时间为15 min,而轧制Al-10Sr在750℃下不同保温时间的变质效果均不理想。为了寻求轧制Al-10Sr中间合金对共晶硅变质的最佳工艺,实验中降低熔体温度,对轧制Al-10Sr变质的ZL114A合金分别在720℃保温不同时间,其中Sr的加入量仍为0.02wt.%,结果表明,保温15 min时共晶硅变质效果最好。可以推断,750℃时轧制Al-10Sr对共晶硅变质效果较差是因为750℃时变质的孕育期较短导致熔体中游离态Sr长时间存在,同时熔体温度较高时Sr元素烧损严重,此外Sr的加入量较少,三者共同作用导致熔体中有效Sr含量不足。根据以上分析可知,Al-10Sr中间合金变质ZL114A合金的孕育期不仅与Al4Sr的尺寸有关,还与熔体温度密切相关。Al4Sr的尺寸越小,熔体温度越高,Sr变质的孕育期越短,但同时Sr的烧损也越严重。需要指出的是,实验中三种不同状态Al-10Sr中间合金对共晶硅的有效变质时间均较短,这是由于Sr的加入量不足以及变质处理保温过程中Sr元素的烧损引起的。对不同状态Al-10Sr变质的ZL114A合金在720℃保温15 min,其中Sr的加入量为0.04wt.%,研究发现常规铸态、快速凝固态、轧制态Al-10Sr中间合金对共晶硅的变质效果越来越好,共晶硅尺寸越来越细,分枝越来越多。变质效果的这种差异与Al-10Sr中间合金的组织遗传效应以及Al4Sr分解出游离态Sr的固液界面反应动力学有关。对未变质ZL114A合金在砂型、铁模、铜模中凝固的研究表明,凝固过程中冷却速度的增加不仅可以细化初生α-Al,而且可以显著改善共晶硅的尺寸和形貌,共晶硅从粗大的板片状变为细小的针状,并且分枝明显增多。随着凝固过程中冷却速度的提高,T6态合金共晶硅的平均尺寸和等效椭圆长短轴之比逐渐减小,合金的力学性能尤其是断裂延伸率大幅提高,断裂特征从脆性断裂转变为韧性断裂。对常规铸态Al-10Sr中间合金变质的ZL114A合金在砂型、铁模、铜模中凝固的研究表明,Al-10Sr中间合金对共晶硅变质的冷却速度敏感性较大。低冷速时,变质不充分,共晶硅尺寸和间距均较大。随着冷却速度的提高,共晶硅尺寸显著减小,分枝明显增多。铜模铸造的合金T6态抗拉强度为331.7±4.3MPa,延伸率为9.4±2.7%,综合指标为477.6MPa,分别比砂型铸造的合金提高了10.8%、327.3%和36.2%。
【关键词】：冷却速度 不同状态Al-10Sr ZL114A 共晶硅 变质
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG292;TG146.21
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-28
• 1.1 课题研究背景及意义12-13
• 1.2 Al-Sr中间合金的研究现状13-15
• 1.2.1 Al-Sr中间合金的制备13-14
• 1.2.2 Al-Sr中间合金的应用14-15
• 1.3 工艺参数对亚共晶铝硅合金凝固组织的影响15-17
• 1.3.1 冷却速度对铝硅合金凝固组织的影响15-16
• 1.3.2 熔体温度对铝硅合金凝固组织的影响16-17
• 1.4 亚共晶铝硅合金共晶硅的变质机制17-23
• 1.4.1 未变质铝硅合金中共晶硅生长的TPRE机制17-19
• 1.4.2 共晶硅变质的形核机制—抑制形核理论19-21
• 1.4.3 共晶硅变质的长大机制—杂质诱发孪晶理论21-23
• 1.5 共晶硅变质对亚共晶铝硅合金组织和性能的影响23-25
• 1.5.1 变质对亚共晶铝硅合金晶粒尺寸的影响24
• 1.5.2 变质对亚共晶铝硅合金致密度的影响24
• 1.5.3 变质对亚共晶铝硅合金力学性能的影响24-25
• 1.5.4 变质对亚共晶铝硅合金电导率的影响25
• 1.6 课题主要研究内容25-28
• 第2章 实验材料及研究方法28-36
• 2.1 实验原材料28-29
• 2.2 实验设备及材料制备29-31
• 2.2.1 Al-10Sr中间合金的制备29
• 2.2.2 ZL114A合金的熔炼及制备29-31
• 2.2.3 ZL114A合金共晶硅的半固态液淬实验31
• 2.3 热处理工艺31-32
• 2.4 显微组织观察及热分析32-33
• 2.4.1 金相组织分析32
• 2.4.2 扫描电镜分析32-33
• 2.4.3 差示扫描量热分析33
• 2.5 力学性能检测33
• 2.6 实验用浇注模具33-34
• 2.7 实验技术路线34-36
• 第3章 不同状态Al-10Sr变质剂对ZL114A合金组织及力学性能的研究36-72
• 3.1 不同状态Al-10Sr中间合金的制备结果分析36-40
• 3.1.1 Al-Sr二元相图分析36-37
• 3.1.2 Al-10Sr中间合金的物相分析37
• 3.1.3 不同状态Al-10Sr中间合金的显微组织分析37-40
• 3.2 不同状态Al-10Sr变质剂对ZL114A合金凝固组织的影响40-51
• 3.2.1 不同状态Al-10Sr对砂型铸造ZL114A合金凝固组织的影响40-45
• 3.2.2 不同状态Al-10Sr对铁模铸造ZL114A合金凝固组织的影响45-49
• 3.2.3 不同状态Al-10Sr对铜模铸造ZL114A合金凝固组织的影响49-51
• 3.3 保温时间对不同状态Al-10Sr变质ZL114A合金组织及性能的影响51-64
• 3.3.1 保温时间对铸态Al-10Sr变质ZL114A合金凝固组织的影响51-52
• 3.3.2 保温时间对快凝Al-10Sr变质ZL114A合金组织及性能的影响52-57
• 3.3.3 保温时间对轧制Al-10Sr变质ZL114A合金组织及性能的影响57-64
• 3.4 不同状态Al-10Sr变质剂对ZL114A合金共晶硅变质的对比分析64-71
• 3.4.1 不同状态Al-10Sr中间合金的热分析64-65
• 3.4.2 不同状态Al-10Sr变质剂对共晶硅变质效果的对比分析65-69
• 3.4.3 不同状态Al-10Sr变质剂对共晶硅变质机理的探讨69-71
• 3.5 本章小结71-72
• 第4章 冷却速度对未变质及Sr变质ZL114A合金组织与性能的研究72-94
• 4.1 冷却速度对未变质ZL114A合金组织及力学性能的影响72-84
• 4.1.1 冷却速度对未变质ZL114A合金凝固组织的影响72-78
• 4.1.1.1 冷却速度对未变质ZL114A合金初生 α-Al的影响72-74
• 4.1.1.2 冷却速度对未变质ZL114A合金共晶组织的影响74-78
• 4.1.2 冷却速度对未变质ZL114A合金T6态组织的影响78-81
• 4.1.3 冷却速度对未变质ZL114A合金T6态力学性能的影响81-83
• 4.1.4 冷却速度对未变质ZL114A合金T6态断口形貌的影响83-84
• 4.2 冷却速度对Al-10Sr变质ZL114A合金组织和力学性能的影响84-91
• 4.2.1 冷却速度对Al-10Sr变质ZL114A合金凝固组织的影响85-88
• 4.2.2 冷却速度对Al-10Sr变质ZL114A合金T6态组织的影响88-90
• 4.2.3 冷却速度对Al-10Sr变质ZL114A合金T6态性能的影响90-91
• 4.3 本章小结91-94
• 第5章 结论94-96
• 参考文献96-102
• 致谢102

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本文编号：530214