低过热度浇注弱电磁搅拌制备半固态Al-30%Si合金浆料的工艺研究

论文摘要

传统铸造方法制备的过共晶Al-30％Si合金中，初生Si呈板条状生长，在循环应力条件下，板头上的应力集中极大地降低其力学性能（抗拉强度和疲劳强度）；初生Si相硬度很高，使得该合金的机械加工性能很差；Si颗粒偏聚明显，造成材料的不均匀，严重影响其使用性能。为改善传统铸造Al-30％Si合金组织和性能方面的不足，充分挖掘Al-30％Si合金的应用潜力，加快其在活塞类材料领域的应用进程，本文在自行设计制作的设备基础上，针对Al-30％Si合金，将电磁搅拌技术和传统的低过热度浇注技术相结合，制备了半固态Al-30％Si合金浆料。本文首先通过差热分析确定了Al-30％Si合金的液相线温度为838℃。先在890℃浇注了常规铸造试样，然后在低于890℃的低过热度下浇注了半固态合金坯料，并分析了不同浇注温度下试样的显微组织变化情况。为进一步改善半固态Al-30％Si合金的显微组织和性能，对较低过热度浇注的合金施加不同程度的电磁搅拌，研究了浇注温度、电磁搅拌功率和搅拌时间对半固态Al-30％Si合金的组织变化和性能改善的影响规律。Image Tool软件显微组织量化分析结果表明，通过低过热度浇注弱电磁搅拌处理后，初生Si平均晶粒尺寸由138.8μm减小至11.49μm，而且形状圆整，均匀分布于基体上。硬度、摩擦磨损、热稳定性、抗拉强度及延伸率等性能试验分析表明，与常规铸态合金相比，半固态Al-30％Si合金的布氏硬度提高了74.59％，磨损速率减小了近1个数量级，在20～300℃有效温度范围内的热膨胀系数减小了22.16％，抗拉强度增加了46.91451MPa，延伸率提高了7.86倍。实验和分析结果表明：通过低过热度浇注弱电磁搅拌的方法成功制备出了初生Si聚集程度小、平均晶粒尺寸小、形状圆整、分布均匀的半固态Al-30％Si合金，显微组织、机械性能、力学性能和流变性都得到了较为理想的改善，提高了过共晶Al-30％Si合金的使用价值，为科学研究和实际生产提供了一定的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 半固态金属的概念
• 1.2 金属半固态成形原理
• 1.3 金属半固态成形途径
• 1.4 半固态金属坯（浆）料的制备
• 1.3.1 低过热度浇注
• 1.4.1.1 低过热度浇注研究进展
• 1.4.1.2 低过热度浇注的特点
• 1.3.2 电磁搅拌
• 1.4.2.1 电磁搅拌原理
• 1.4.2.2 电磁搅拌制备半固态材料在国外的发展及应用
• 1.4.2.3 电磁搅拌制备半固态材料在国内的发展及应用
• 1.4.2.4 电磁搅拌技术制备半固态材料的展望
• 1.4.2.5 电磁搅拌制技术备半固态材料的特点
• 1.5 过共晶铝硅合金的研究进展和应用趋势
• 1.6 过共晶铝硅合金研究中存在的问题
• 1.7 本课题的研究内容及研究意义
• 1.7.1 主要研究内容
• 1.7.2 研究意义
• 第二章 课题研究的理论基础
• 2.1 过共晶铝硅合金的特点
• 2.2 半固态过共晶铝硅合金微结构与流变性的关系
• 2.2.1 半固态过共晶铝硅合金的微结构模型
• 2.2.1.1 等效固相率
• 2.2.1.2 半固态过共晶铝硅合金浆料的表观粘度
• 2.2.1.3 平均粒子数n（聚集体聚集程度）随时间的演化
• 2.2.1.4 本构方程
• 2.2.2 半固态过共晶铝硅合金微结构对流变行为的影响
• 2.2.2.1 颗粒形态对流变行为的影响
• 2.2.2.2 聚集体聚集程度（微结构参量n）对流变行为的影响
• 2.2.2.3 固体颗粒大小对流变行为的影响
• 第三章 实验方案
• 3.1 实验设备（仪器）
• 3.2 实验原料
• 3.3 半固态 Al-30％Si合金制备工艺
• 3.3.1 熔炼
• 3.3.2 合金成分分析
• 3.3.3 低过热度浇注
• 3.3.4 弱电磁搅拌
• 3.4 显微组织观察
• 3.4.1 切割试样
• 3.4.2 磨样
• 3.4.3 试样抛光
• 3.4.4 试样显微组织的显露和拍照
• 3.4.5 组织分析
• 3.5 性能检测试验
• 3.5.1 硬度试验
• 3.5.2 磨损试验
• 3.5.3 热膨胀试验
• 3.5.4 拉伸试验
• 第四章 实验结果及分析
• 4.1 过共晶Al-30％Si合金的显微组织分析
• 4.1.1 未搅拌时浇注温度对过共晶Al-30％Si合金显微组织的影响
• 4.1.2 搅拌时低过热度浇注温度对半固态Al-30％Si合金显微组织的影响
• 4.1.3 电磁搅拌功率对半固态Al-30％Si合金显微组织的影响
• 4.1.4 电磁搅拌时间对半固态过共晶Al-30％Si合金显微组织的影响
• 4.1.5 小结
• 4.2 半固态Al-30％Si合金的布氏硬度
• 4.3 半固态Al-30％Si合金的耐磨性能
• 4.4 半固态Al-30％Si合金的热稳定性
• 4.5 半固态Al-30％Si合金的抗拉强度和延伸率
• 第五章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录: 硕士研究生学习期间学术论文发表情况