固液混合铸造铝合金和高铬铸铁的研究

论文摘要

固液混合铸造是一种新型的材料制备技术,其主要工艺过程是在过热的合金熔体中加入大量的同种合金粉末或润湿好的异种合金粉末,经强烈均匀搅拌后进行铸造或各种热加工。本文自行设计制造了固液混合铸造的实验设备,初步确定了固液混合铸造制备高合金含量的铝合金及高铬铸铁的基本工艺规律,采用固液混合铸造技术制备了合金成分较高的铝合金和高铬铸铁合金。通过DSC分析、力学性能测试及OM、XRD、SEM形貌分析等手段对固液混合铸造Al-Mn合金、Al-Cr合金、Al-Cu合金以及高铬铸铁的组织、性能及其后续重熔处理和挤压成形性能进行了研究,并初步探索了固液混合铸造工艺的细晶机理,研究结果如下: （1）采用固液混合铸造技术有效地改善了合金的组织:固液混合铸造制备的Al-20Mn合金的初生相尺寸可控制在10μm以内,且形貌以球形或等轴状为主。固液混合铸造Al-20Cu合金的初生α-Al为蔷薇状或近球状,其大小可以达到70μm（加入200μm～96μm粉末）或50μm（加入74μm～43μm粉末）,明显小于半固态加工的120μm。固液混合铸造Al-40Cu合金初生θ相更为圆整。长度方向的平均尺寸由普通铸造500μm减至100μm（加入200μm～96μm粉末）,或80μm（加入74μm～43μm粉末）;径向的平均尺寸由普通铸造80μm减为40μm（加入200μm～96μm粉末）,或30μm（加入74μm～43μm粉末）,长径比由普通铸造的6减至2.5。固液混合铸造制备的Cr15高铬铸铁合金的共晶碳化物组织更加细小,板片长度最大为50μm,碳化物有明显的球化现象;奥氏体枝晶的树枝状形貌消除,形成更加细小的等轴晶粒;合金组织的共晶团尺寸变小,共晶团直径在20μm～50μm之间,合金的偏析得以改善。（2）固液混合铸造有效地提高了合金的抗拉强度:固液混合铸造的Al-20Mn合金的抗拉强度由传统铸造的30MPa,半固态铸造的60 MPa提高到固液混合铸造的100MPa左右,延伸率也有所提高。固液混合铸造Al-10Mn合金的抗拉强度大幅提高到130MPa,其后续加工性能得以改善。固液混合铸造Al-10Mn合金坯料经过热挤压加工后其抗拉强度提高到181MP,其中坯料最佳加热温度为600℃。固液混合铸造Al-10Cr合金的研究中发现,当粉料比为0.4,或当粉料比为0.2且粉末粒度为38μm～74μm时,合金的组织明显细化,综合力学性能较好,室温拉伸性能为:σb=119.3MPa,σ0.2=89.5MPa。在固液混合铸造工艺条件下,Al-20Cu合金的室温力学性能为:σb=165MPa,

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 金属凝固过程中的晶粒细化方法
• 1.2.1 控制熔体温度法
• 1.2.1.1 熔体低温浇注法
• 1.2.1.2 熔体过热处理
• 1.2.2 化学孕育法
• 1.2.2.1 化学孕育法细化晶粒的机理
• 1.2.2.2 影响细化效果的因素
• 1.2.2.3 稀土对晶粒细化的影响
• 1.2.2.4 加入含有合金熔液固有元素的纳米晶促变形核法
• 1.2.3 振动法
• 1.2.4 悬浮铸造法
• 1.3 金属半凝固状态的晶粒细化方法和半固态加工技术
• 1.3.1 搅拌细晶法
• 1.3.1.1 机械搅拌法
• 1.3.1.2 电磁搅拌法
• 1.3.1.3 超声波处理法
• 1.3.2 非搅拌细晶技术
• 1.3.2.1 应力诱发熔化激活（SIMA）技术
• 1.3.2.2 半固态等温热处理
• 1.3.2.3 粉末压制法
• 1.3.3 喷射沉积技术
• 1.3.4 金属的半固态加工
• 1.4 金属在固态加工过程中的细晶方法
• 1.5 固液混合铸造
• 1.5.1 固液混合铸造技术的概述
• 1.5.2 固液混合铸造的特点
• 1.6 本论文研究目的和意义
• 1.7 本论文的主要研究内容
• 第2章 实验装置及研究方案
• 2.1 引言
• 2.2 实验设备的研制
• 2.3 材料体系的选择及粉末的制备
• 2.3.1 高Mn、Cr 和高Cu 铝合金
• 2.3.2 高铬铸铁
• 2.3.3 试验用金属粉末的制备
• 2.4 实验方案设计
• 2.4.1 固液混合铸造Al-Cu 合金的实验方案及过程
• 2.4.2 固液混合铸造高铬铸铁的实验方案及过程
• 2.5 主要工艺的确定
• 2.5.1 加粉方式
• 2.5.2 合金熔体过热度
• 2.5.3 搅拌速度
• 2.5.4 半固态合金浆料转移温度
• 2.5.5 压铸模温度
• 2.6 检测与分析
• 2.6.1 金相观察
• 2.6.2 力学性能检测
• 2.6.3 扫描电镜观察（SEM）
• 2.6.4 X 射线衍射分析（XRD）
• 2.6.5 差热分析（DTA）
• 2.6.6 耐磨性能检测
• 2.7 小结
• 第3章 固液混合铸造铝合金的组织和性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 固液混合铸造AL-MN 合金的组织和性能
• 3.2.1 普通铸造Al-Mn 合金显微组织和性能
• 3.2.2 固液混合铸造Al-Mn 合金的显微组织和力学性能
• 3.2.3 固液混合铸造Al-Mn 合金的挤压研究
• 3.2.3.1 挤压试棒的显微组织和力学性能
• 3.2.3.2 坯料加热温度对挤压试验的影响
• 3.2.4 固液混合铸造工艺参数对Al-Mn 合金显微组织的影响
• 3.2.4.1 粉末粒度对固液混合铸造Al-Mn 合金显微组织的影响
• 3.2.4.2 粉料比对固液混合铸造Al－Mn 合金显微组织的影响
• 3.3 固液混合铸造AL-CR 合金的组织和性能
• 3.3.1 固液混合铸造工艺参数对Al-Cr 合金组织和性能的影响
• 3.3.2 固液混合铸造Al-Cr 合金的室温摩擦性能
• 3.3.3 固液混合铸造Al-Cr 合金的高温摩擦性能
• 3.3.4 固液混合铸造Al-Cr 合金的腐蚀性能
• 3.4 固液混合铸造AL-20CU 合金的显微组织
• 3.4.1 普通铸造Al-20Cu 合金的显微组织
• 3.4.2 挤压铸造和半固态铸造Al-20Cu 合金的显微组织
• 3.4.3 固液混合铸造Al-20Cu 合金的显微组织
• 3.4.4 固液混合铸造工艺对Al-20Cu 合金的显微组织的影响
• 3.5 固液混合铸造AL-40CU 合金的显微组织
• 3.5.1 普通铸造Al-40Cu 合金的显微组织
• 3.5.2 挤压铸造和半固态铸造Al-40Cu 合金的显微组织
• 3.5.3 固液混合铸造Al-40Cu 合金的显微组织
• 3.5.4 固液混合铸造工艺对Al-40Cu 合金组织的影响
• 3.6 固液混合铸造AL-CU 合金的力学性能
• 3.6.1 Al-20Cu 合金的力学性能
• 3.6.2 Al-40Cu 合金的力学性能
• 3.6.3 分析与讨论
• 3.7 固液混合铸造AL-CU 合金拉伸断口分析
• 3.7.1 Al-20Cu 拉伸断口
• 3.7.2 Al-40Cu 拉伸断口
• 3.7.3 分析与讨论
• 3.8 固液混合铸造AL-CU 合金硬度
• 3.9 固液混合铸造AL-40CU 合金的耐磨性能
• 3.9.1 试样的磨损表面
• 3.9.2 试样的磨损性能
• 3.10 小结
• 第4章 固液混合铸造高铬铸铁的研究
• 4.1 引言
• 4.2 高铬铸铁的物相分析
• 4.2.1 能谱分析
• 4.2.2 X 射线分析
• 4.3 固液混合铸造工艺对合金组织的影响
• 4.3.1 固液混合铸造工艺对合金共晶碳化物显微组织的影响
• 4.3.2 固液混合铸造工艺对合金奥氏体显微组织的影响
• 4.3.3 固液混合铸造工艺对合金共晶团显微组织的影响
• 4.3.4 分析与讨论
• 4.4 固液混合铸造高铬铸铁的性能
• 4.4.1 固液混合铸造高铬铸铁的硬度
• 4.4.2 固液混合铸造高铬铸铁的拉伸性能
• 4.4.3 固液混合铸造高铬铸铁的拉伸断口
• 4.4.4 固液混合铸造高铬铸铁的冲击性能
• 4.4.5 固液混合铸造高铬铸铁的热压性能
• 4.4.6 分析与讨论
• 4.5 固液混合铸造高铬铸铁合金耐磨性能
• 4.5.1 试验方案和研究结果
• 4.5.2 摩擦磨损表面分析
• 4.5.3 分析与讨论
• 4.6 小结
• 第5章 固液混合铸造机理的研究
• 5.1 引言
• 5.2 搅拌对熔体形核的影响
• 5.3 粉末与合金熔体的相互影响
• 5.3.1 粉末在熔体中的传热研究
• 5.3.2 粉末粒子与固-液界面的作用
• 5.3.3 粉末与合金熔体的界面润湿问题
• 5.4 粉末特性对固液混合铸造合金组织的影响
• 5.4.1 同组元成分粉末的固液混合铸造合金组织
• 5.4.2 同组元不同成分粉末的固液混合铸造组织
• 5.4.3 粉末粒度对固液混合铸造合金组织的影响
• 5.5 小结
• 第6章 固液混合铸造坯料的重熔处理
• 6.1 引言
• 6.2 固液混合铸造AL-MN 合金坯料的重熔处理
• 6.2.1 Al-Mn 合金坯料重熔处理工艺
• 6.2.2 Al-Mn 合金坯料重熔处理后的组织和性能
• 6.3 固液混合铸造高铬铸铁坯料的重熔处理
• 6.3.1 高铬铸铁重熔温度的确定
• 6.3.2 不同温度重熔处理合金坯料的显微组织
• 6.3.3 半固态重熔处理对合金坯料组织的改善作用
• 6.4 分析与讨论
• 6.5 小结
• 结论
• 参考文献
• 附录: 攻读博士期间所发表的论文目录
• 致谢