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1、 研究与应用 Research & Application 实用新型材料专题 原名机械工人 变质及热处理对过共晶铝硅合金 组织与滑动磨损性能的影响 吉林大学材料科学与工程学院汽车材料教育部重点实验室（长春 130025） 许长林 方建儒 杨亚峰 王慧远 姜启川 【摘要】 采用新型含 TiC-RE-P的 JHSM复合变质剂在 850 对过共晶 Al-20%Si合金进行变质处理。研究结果揭示， 经过变质处理后，初生硅的平均尺寸和形状由变质处理前 100 250m 的不规则形状转变为变质处理后 15 30 m的 块状；变质处理后过共晶铝硅合金的硬度和耐磨性明显提高。 一、概述 工后零部件的表面粗糙度
2、也很高，无法满足实际生产的需 要，而经过变质处理的过共晶铝硅合金中的初生硅则明显 细化，这些均匀分布在合金基体中的细小块状初生硅明显 改善了合金的力学性能、磨损性能和机械加工性能。 目前，国内外常用的过共晶铝硅合金细化变质剂 多为赤磷、含磷的化合物或稀土等。单独采用赤磷、含 磷的化合物或稀土作为变质剂来细化初生硅，其变质效 果并不能完全发挥出来。因此，对过共晶铝硅合金经常 采用复合变质处理，如磷和硫、磷和稀土、磷和 钡及 Ce和 Sr等，使初生硅得到细化。常用的细化变质剂都或 多或少地存在一些不足，如变质效果不稳定、操作工艺 繁琐、易造成环境污染等。为了更好地细化初生硅，简 化操作工艺及降低变
3、质过程对环境的污染，研究开发了 一种新型复合变质剂，并研究了该新型变质剂对过共晶 铝硅合金中初生硅的影响。 铝合金中的过共晶铝硅合金具有轻质、高强、高 耐磨、高耐热性及较低的热膨胀性，是一种理想的轻质 耐磨材料。近年来过共晶铝硅合金在汽车、摩托车、军 工等领域得到了广泛应用，如坦克车、摩托车、汽车发 动机的活塞、缸套及缸体等耐磨零件 。研究表明，采用 喷射沉积成形的高硅铝合金汽车缸套与铸铁缸套相比， 大幅度减轻重量，热导率高，因而可以通过最佳的点火 时间控制，提高发动机效率；运转和摩擦表面的可设计 性，由此可减少活塞的磨损，润滑油的消耗减少 30%， 摩擦损失减少 5%；有合理的热膨胀性能，可
4、降低活塞 间隙，从而降低发动机噪声，增加发动机功率；改善金 属之间的束缚性和相容性，可降低汽缸的扭曲变形，通 过增加连杆和曲轴的刚性，减小发动机的敲击振动，提 高发动机功率；材料容易再生循环，与环境有良好的相 容性。 关于过共晶铝硅合金滑动磨损行为的研 究开展的 比较早。但是，关于变质及热处理对过共晶铝硅合金滑 动磨损行为的研究则报道的很少。因此，本文初步探讨 了复合变质及热处理对过共晶铝硅合金的组织和滑动磨 损行为的影响规律。 由于在铸造过共晶铝硅合金的铸态组织中，通常 存在较粗大的不规则初生硅，这些分布在合金基体中的 较粗大初生硅，严重地割裂了合金基体，在外力作用 下，合金中的硅相尖端和棱
5、角部位易引起局部应力集 中，从而明显降低了合金的力学性能，尤其是影响其塑 性、强度及耐磨性的提高。此外，采用过共晶铝硅合金 制造的各种零部件在机械加工过程中，合金中硬 而脆的 粗大初生硅还会加快机加工刀具的磨损，同时，机加 二、试验方法 1. 试验合金成分 试验合金的化学成分如表 1所示。 23 热处理 /锻压 /铸造 2009年 第 15期 热加工 研究与应用 Research & Application 实用新型材料专题 原名机械工人 织。从图中可见初生硅均变为细小的块状 (15 30 m) ， 并且在基体中均匀分布。这主要是由于复合变质剂的加 入，细化了初生硅。从图 2中，也可以看到热
6、处理对初 生硅的影响不大。 表 1 试验过共晶铝硅合金的化学成分（质量分数）（ %） 材料 Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti 杂质 Al Al-20%Si 合金 20.4 0.65 4.78 0.28 0.760.32 0.15 0.01 其余 2. 试验过程 试验合金在石墨坩埚中熔炼，采用电阻坩埚炉 加热。在 850 时，把含 T iC-RE-P的 JHSM复合变质 剂加入到过共晶铝硅合金熔体内，并在此温度下搅拌 5min。变质处理后的过共晶铝硅合金熔体在金属模中 浇注，金属模的预热温度为 200 。将变质前和变质 后的过共晶铝硅合金分别进行 T6热处理（ 5008h 1756h ）
7、 . （ a）未变质的组织 将变质前和变质后及热处理前和热处理后的过共 晶铝硅合金试样用 0.5% NaOH溶液腐蚀，并在扫描电镜 (SEM)下观察初生硅及共晶硅的形貌。测量布氏硬度值 时：若硬度 130HBW时，所施加的载荷为 9800N，压 头直径为 10mm；若硬度 130HBW时，所施加的载荷 为 7350N，压头直径为 5mm；保压时间均为 30s。 采用滑动磨损试验机进行滑动磨损试验，施加载 荷分别为 20N、 25N、 30N、 35N、 40N、 45N；对磨面 （选取汽车用刹车材料制作）的转速为 4m/s；磨损试样 的直径为 6mm，高 10mm；磨损距离为 380m。图 1
8、为磨 损试样与对磨面的示意。 （ b）变质后的组织 （ c）未变质及热处理后的组织 图 1 磨损试样与对磨面的示意 三、 试验结果及分析 （ d）变质及热处理后的组织 1. 复合变质对过共晶铝硅合金中初生硅的 影响 图 2 过共晶 Al-20%Si合金变质及热处理前后的微观组织 图 2a、 2c分别是未进行变质处理的过共晶 A l- 复合变质剂中的 P可与 Al形成 AlP（ AlL + PL AlPS）， AlP与硅的晶型均为金刚石型点阵，晶格常数 相近。因此， AlP在初生硅形核过程中可成为初生硅的 非均质核心，从而可以细化初生硅。 Lpez等人研究了 TiC在亚共晶铝硅合金（ Al-7%
9、Si）中的稳定性，认为 20%Si合金热处理前后的典型微观组织，初生硅大多 数表现为大块状、粗大的板条状和其他不规则状形状 （ 100 250m ）。图 2b、 2d分别是经过复合变质处 理的过共晶 Al-20%Si合金热处理前后的的典型微观组 24 2009年 第 15期 热处理 /锻压 /铸造 热加工 研究与应用 Research & Application 实用新型材料专题 原名机械工人 TiC在 850 时完全分解，并形成 Al4C3和复杂的针状 Ti- Al-Si金属间化合物（ TiAl2.16Si0.37）。 Knuutinen等人通 过研究元素钇对 Al-7%Si-Mg合金中共
10、晶硅的影响时， 发现钇可以变质共晶硅，其变质效果随着加入量的增加 而明显提高。但是，当元素钇的加入量（质量分数）增 加到 0.07% 0.52%时，其变质效果提高 并不明显。在 本次试验中发现，复合变质剂中的元素钇也能够抑制过 共晶铝硅合金中初生硅的长大。 初生硅与基体的结合处萌生并沿着结合面扩展，从而降 低了粗大初生硅与基体的结合强度，导致了初生硅从基 体上剥落，最终使合金的耐磨性下降。而在变质后的过 共晶铝硅合金中，细小的初生硅则牢固地镶嵌在基体 中，从而有效地抑制了裂纹在细小初生硅与基体之间的 萌生和扩展，提高了合金的耐磨性；另一方面，在未热 处理的过共晶铝硅合金中，针状共晶硅的尖角处易
11、于产 生应力集中，因此易于形成新的裂纹源，在滑动磨损过 程中使磨损率增加。相 反，在热处理的过共晶铝硅合金 中，球化的共晶硅有效地抑制了裂纹的形成。同时，热 处理使 Al2Cu相弥散析出，因此有效地提高了基体的强 度，降低了磨损率。 热处理后，在变质与未变质过共晶铝硅合金中的 共晶硅大多数都已被球化，长针状的共晶硅基本消失， 表明热处理对共晶硅的影响很大。图 3是变质过共晶铝 硅合金热处理后的共晶硅形态。 在同样的磨损条件下，采用 HT250试样进行试验， 发现在 20N时， HT250试样的磨损率相对较高；在 40N 时， HT250试样的磨损率较低，变质处理热处理后的 过共晶 Al-20%
12、Si合金的磨损率与 HT250试样相近。 图 3 变质过共晶铝硅合金热处理后的共晶硅形态 2. 滑动磨损性能 过共晶铝硅合金中初生硅的尺寸、分布和合金的 硬度对该合金的滑动磨损性能有很大的影响。表 2表明 变质处理和热处理有利于提高过共晶铝硅合金的硬度。 这主要归功于变质使初生硅细化与弥散分布、热处理使 共晶硅球化与 Al2Cu的弥散析出。 图 4 变质处理及热处理前后过共晶 Al-20%Si 合金和 HT250试样的滑动磨损曲线 表 2 不同处理的 Al-20%Si合金中初生硅的尺寸及合金布氏硬度 初生硅平均尺寸 /m 硬度 HBW 不同处理的 Al-20%Si合金 未变质的 Al-20%S
13、i合金 四、结语 150 127 （ 1）采用新型含 TiC-RE-P的 JHSM复合变质剂对 过共晶 Al-20%Si合金进行变质处理，初生硅的平均尺寸 和形状由变质处理前 100 250m 的不规则形状转变为 变质处理后的 15 30m 块状；变质处理过共晶铝硅合 金的硬度和耐磨性明显提高。 未变质及热处理的 Al-20%Si合金 变质的 Al-20%Si合金 150 22 164 145 187 变质及热处理的 Al-20%Si合金 22 由图 4变 质处理和热处理前后过共晶 Al-20%Si合 金的滑动磨损曲线表明，在采用不同处理的过共晶 Al- 20%Si合金的滑动磨损过程中，变质处理热处理后的 过共晶 Al-20%Si合金的磨损率相对于未变质铸态、未变 质热处理、变质铸态的磨损率要低。一方面，这主要 是由于在未变质的过共晶铝硅合金中，裂纹易于在粗大 （ 2）发现在同样的磨损条件下，在载荷为 20N 时， HT250试样的磨损率比变质和未变质过共晶铝硅 合金的要高；在载荷为 40N时， HT250试样的磨损率最 小，变质处理热处理后的过共晶 Al-20%Si合金 的磨损 率与 HT250试样相近。 （ 20090713） 25 热处理 /锻压 /铸造 2009年 第 15期 热加工