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      過共晶Al-Si合金的變質(zhì)處理試驗(yàn)

      2018-09-04 09:52:44于勇衡
      山東冶金 2018年4期
      關(guān)鍵詞:五瓣星狀共晶

      于勇衡,李 健

      (山東鋁業(yè)職業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系,山東 文登266440)

      1 前言

      由于過共晶Al-Si合金具有鑄造及焊接性能好、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性能高等特點(diǎn),在鑄造鋁合金中被廣泛應(yīng)用。但過共晶Al-Si合金中的針狀共晶Si以及粗大的塊狀初生Si嚴(yán)重割裂基體,降低合金的力學(xué)性能[1],實(shí)踐也證明過共晶Al-Si合金的性能受到合金中硅晶體的形狀和分布的影響。因此無論是共晶體中的Si,還是初生晶的Si晶體,如果在基體中既細(xì)小又圓滑且分布均勻,則合金就會(huì)既有高的塑性,又有高的強(qiáng)度。反之則沖擊韌性與疲勞強(qiáng)度會(huì)大大降低,在母體變形后往往從硅晶體處開始斷裂。

      目前對(duì)初生Si細(xì)化處理的方法有:添加變質(zhì)劑法,超聲波振動(dòng)法,激冷法,低溫鑄造法,加壓鑄造法,電磁攪拌,高低溫熔體相混和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用等。其中研究較多的方法是添加變質(zhì)劑法。而添加變質(zhì)劑法中主要以P變質(zhì)為主,P變質(zhì)主要是以赤P、P鹽或Al-P中間合金[2-3]等形式加入。但是赤P的燃點(diǎn)低(240℃),運(yùn)送、保存和使用過程都不安全;變質(zhì)時(shí)反應(yīng)劇烈,放出大量P2O5有毒氣體;P的吸收率低,且難以控制。P鹽自身有毒或在使用中也放出大量的P2O5有毒氣體;產(chǎn)生大量反應(yīng)渣,腐蝕爐襯;貯存保管有困難,成本較高;變質(zhì)效果不穩(wěn)定。為此,國內(nèi)外研究者進(jìn)行了長(zhǎng)期的探索研究,近年來山東大學(xué)研究了一系列專用于Al-Si合金初晶Si變質(zhì)處理的變質(zhì)劑[4]。

      本研究用Al-Sr(10%)合金、Al-P(3.5%)合金和C還原磷酸鈉(赤P∶Na3PO4∶石墨C=1∶5.3∶2.5)分別對(duì)Si12%、Si15%、Si 18%的過共晶Al-Si合金進(jìn)行變質(zhì)、細(xì)化處理,比較3種變質(zhì)劑的變質(zhì)效果,了解各變質(zhì)劑的添加量、變質(zhì)溫度、變質(zhì)時(shí)間等。

      2 試驗(yàn)過程和方法

      試驗(yàn)原料:工業(yè)純鋁、工業(yè)硅553#、Al-Sr(10%)合金、Al-P(3.5%)合金、P+Na3PO4+C(1∶5.3∶2.5)。按含Si12%、15%、18%分別配制Al-Si過共晶合金,在坩堝爐內(nèi)熔化。分別用Al-Sr(10%)合金、Al-P(3.5%)合金、P+Na3PO4+C進(jìn)行變質(zhì)處理,變質(zhì)時(shí)間15 min,靜置時(shí)間30 min;除Al-Sr合金變質(zhì)不再精煉外,其余變質(zhì)方式再用C2Cl6精煉3~5 min;Al-12%Si及Al-15%Si合金澆鑄溫度730℃,Al-18%Si合金澆鑄溫度780℃。變質(zhì)工藝見表1。用斯派克光電光譜儀測(cè)定變質(zhì)前后過共晶Al-Si合金化學(xué)成分及均勻性。用金相顯微鏡觀察變質(zhì)前后合金的金相組織,根據(jù)初生Si在變質(zhì)前后大小的變化,找出變質(zhì)效果最好的變質(zhì)劑。

      表1 Al-Si過共晶合金變質(zhì)工藝

      3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

      3.1 Sr變質(zhì)處理

      Sr在a-Al和硅相中的溶解度非常小,在凝固過程中都被排擠到液相中,Al-Si合金凝固過程中共晶過冷度隨著合金中Sr量的增加而增大。這說明共晶Si形態(tài)的變化與共晶過冷度密切相關(guān)。Sr在硅相的前沿富集,毒化固有的生長(zhǎng)臺(tái)階[5],導(dǎo)致共晶過冷度增大;同時(shí),由于Sr原子的吸附引起硅相孿晶邊界能降低[6]。當(dāng)Sr達(dá)到0.05%時(shí),共晶過冷度增大,同時(shí)孿晶邊界能降低,因而孿晶的概率增大,孿晶行為更易發(fā)生,共晶硅相在更多方向上生長(zhǎng),使共晶硅相產(chǎn)生彎折、分叉,共晶硅相形態(tài)不斷向纖維化轉(zhuǎn)變。最終變質(zhì)后獲得纖維化的共晶組織。Al-Si合金變質(zhì)處理前后組織對(duì)比見圖1。

      圖1 Al-Si合金Sr變質(zhì)前后顯微組織 100×

      圖2 Al-18%Si合金碳還原磷酸鈉變質(zhì)前后顯微組織 100×

      而Al-Si合金中的a-Al相,由于Sr加入后對(duì)Al晶格結(jié)構(gòu)的改變,促進(jìn)了Si在Al中的溶解度以及Sr的變質(zhì)作用,使a-Al相向薔薇花朵狀轉(zhuǎn)變。但是Sr的變質(zhì)作用對(duì)基體中的初生Si基本上無作用。在Al-12%Si合金中(其靠近Al-Si合金的共晶點(diǎn)),由于Sr促進(jìn)了Si在Al中的溶解度,過冷度因Sr的加入而增大,凝固曲線左移,使變質(zhì)后的組織形態(tài)向共晶組織和亞共晶組織轉(zhuǎn)變(見圖1d)。在Al-15%Si合金和Al-18%Si合金中,Sr沒能抑制五瓣星狀初晶Si的形核,無法阻止五瓣星狀初晶Si的各向異相生長(zhǎng),Sr對(duì)初生Si的變質(zhì)無明顯效果(見圖1e、圖1f)。對(duì)比變質(zhì)前后的組織(圖1c、圖1f),也會(huì)發(fā)現(xiàn)初生Si的顆粒大小變化不明顯。

      3.2 碳還原磷酸鈉變質(zhì)處理

      在高溫條件下,Na3PO4首先分解為溶于鋁液的Na或Na的金屬化合物[如(NaAl)Si2]及P的氧化物,P的氧化物在熾熱C的作用下還原為元素P,并在P過剩的情況下(即Na∶P<2.2時(shí))生成AlP。AlP在還原性氣體CO的攪拌作用下迅速擴(kuò)散均勻分布于整個(gè)合金液,大量的AlP成為硅結(jié)晶的異質(zhì)核心。從而達(dá)到均勻、細(xì)化、球化Si晶粒的變質(zhì)作用。Al-18%Si合金變質(zhì)前后顯微組織見圖2。

      通過對(duì)比變質(zhì)前后的金相組織形態(tài)可以發(fā)現(xiàn):1)用碳還原磷酸鈉變質(zhì)處理雖然使初生Si相的顆粒有所減小,但也沒能抑制了五瓣星狀初晶Si的形核,沒有阻止五瓣星狀初晶Si的各向異相生長(zhǎng)。2)變質(zhì)效果不穩(wěn)定,個(gè)別初生Si顆粒仍較大,在基體上初生Si相沒有達(dá)到彌散均勻分布的效果。

      3.3 Al-P合金變質(zhì)處理

      國內(nèi)外的研究者認(rèn)為,對(duì)初晶Si有變質(zhì)作用的元素主要是P。P的變質(zhì)作用機(jī)理是P在合金中與Al形成高熔點(diǎn)(約1 000℃)的AlP,AlP與Si都是金剛石點(diǎn)陣結(jié)構(gòu),晶格常數(shù)接近。根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)相似,晶格常數(shù)相近的原理,AlP可以作為Al-Si合金初晶Si結(jié)晶的異質(zhì)核心。

      Al-P中間合金的組織特點(diǎn)是在鋁基體上分布有大量細(xì)小的AlP晶核,由于AlP顆粒在Al-P中間合金中已預(yù)先生成,從而在變質(zhì)過程中有著大量的初生Si結(jié)晶的異質(zhì)核心,使初生Si的初生晶核增多且均勻彌散分布,故初生Si在大量初生晶核上生長(zhǎng),結(jié)晶后能均勻、細(xì)小的彌散分布在基體組織上,同時(shí)也強(qiáng)有力地抑制了五瓣星狀初晶Si的形核,阻止了五瓣星狀初晶Si的各向異相生長(zhǎng),使初生Si的組織形態(tài)向球形轉(zhuǎn)變,減少了初生Si對(duì)基體的割裂作用,從而達(dá)到了高效變質(zhì)效果。因此,認(rèn)為采用Al-P(3.5%)合金變質(zhì)效果最佳。

      3.3.1 Al-P合金變質(zhì)時(shí)間的影響

      Al-18%Si合金Al-P合金變質(zhì)時(shí)間對(duì)顯微組織的影響見圖3。用Al-P合金變質(zhì)處理過共晶Al-Si合金,在變質(zhì)15 min時(shí),已經(jīng)有效果,20 min后變質(zhì)效果也沒有減弱。雖然相關(guān)資料介紹Al-P合金變質(zhì)效果可保持30 h以上,但結(jié)合工業(yè)化生產(chǎn)實(shí)際,變質(zhì)20 min就可以達(dá)到很好的變質(zhì)效果。

      圖3 Al-18%Si合金Al-P合金變質(zhì)前后顯微組織 100×

      3.3.2 Al-P合金變質(zhì)溫度的影響

      Al-P合金變質(zhì)溫度對(duì)Al-15%Si合金顯微組織的影響見圖4。對(duì)比圖4發(fā)現(xiàn),在780~810℃溫度區(qū)間變質(zhì)后顯微組織中的初生Si相比760~780℃溫度區(qū)間變質(zhì)后的顯微組織的初生Si相球化傾向增大,對(duì)基體的割裂作用減弱,初生Si相的彌散性更好。因此在780~810℃溫度區(qū)間進(jìn)行變質(zhì)變質(zhì)效果較好。

      圖4 Al-15%Si合金不同溫度Al-P合金變質(zhì)前后顯微組織 100×

      3.3.3 Al-P合金加入量的影響

      Al-P合金加入量對(duì)Al-18%Si合金顯微組織的影響見圖5。對(duì)比圖5發(fā)現(xiàn),Al-P合金加入總量的1.2%變質(zhì),變質(zhì)效果相對(duì)于加入總量的0.8%和1.0%Al-P合金變質(zhì)效果要好。加入總量1.2%Al-P合金變質(zhì)后,初生Si相的彌散性更好,顆粒分布更加細(xì)密均勻,這樣的組織更有利于提高Al-Si合金的機(jī)械性能。

      圖5 Al-P合金加入量對(duì)Al-18%Si合金顯微組織的影響

      4 結(jié)論

      4.1 對(duì)于過共晶Al-Si合金,Sr變質(zhì)處理只能使共晶Si由粗大的片狀向細(xì)小的纖維狀轉(zhuǎn)變,但對(duì)初生Si的變質(zhì)影響不大;用碳還原磷酸鈉變質(zhì),雖然使初生Si相的顆粒有所減小,但沒能抑制五瓣星狀初晶Si的形核,不能阻止五瓣星狀初晶Si的各向異相生長(zhǎng),而且變質(zhì)的效果不穩(wěn)定,個(gè)別初生Si顆粒還比較大,在基體上初生Si相沒有達(dá)到彌散均勻分布的效果;Al-P合金變質(zhì),使初生Si數(shù)量增多且均勻彌散分布,基本無五瓣星狀初晶Si的形核,且初生Si的組織形態(tài)向球形轉(zhuǎn)變,達(dá)到了高效變質(zhì)效果。

      4.2 用Al-P合金變質(zhì),最佳加入量在總量的1.1%~1.2%之間,最佳變質(zhì)時(shí)間為20 min左右,最穩(wěn)定的變質(zhì)溫度應(yīng)控制在780~810℃溫度區(qū)間。

      4.3 用Al-P合金變質(zhì)的過共晶Al-Si合金,初生Si相在基體上的分布彌散且均勻,部分初生Si相已經(jīng)近似球化,變質(zhì)效果明顯。

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