锶、锰对改善铸造铝硅合金中铁相有害作用的研究

论文摘要

铸造铝硅合金是一种广泛应用于航空航天、汽车等工业领域的合金材料。铁是铸造铝硅合金中最主要的杂质元素,硬而脆的针状Fe相会大幅降低合金的力学性能。目前,为了消除其有害影响,工业上采取了一些除铁净化措施,但其效果却不甚理想,因此改变Fe相形貌成为降低其危害性的重要技术途径。本文采用添加中和元素Mn和变质元素Sr的方法来改善铝硅合金中的Fe相形态。利用XRD、金相显微镜、EPMA和INSTRON5882材料试验机等测试手段系统研究了Sr、Mn及其复合加入对铸造铝硅合金试样的微观组织和力学性能的影响,分析了Sr、Mn对合金中Fe相形貌的改善作用机制,探讨了合金中Fe相析出及其形态的影响因素,以及针状β-Fe相和Sr化合物对气孔形成的影响。试验研究发现,添加Sr不能将针状β-Fe相转变为汉字状α-Fe相,但能使粗大的针状Fe相产生弯曲、断裂与分解。添加Mn能将β-Fe相转变成α-Fe相,并使Fe相总的体积含量增加;随着Mn加入量的提高,汉字状Fe相的数量不断增加,而针状Fe相的数量则不断减少。复合添加Sr和Mn时,Mn对针状Fe相形态的改善作用要比Sr的大,而且Mn元素还可能抑制了Sr对针状Fe相的碎裂与溶解作用。Fe元素含量对Al-12Si合金力学性能的影响最大,Mn次之,Sr最小。同时添加Sr、Mn元素,能中和Fe带来的不利影响,提高合金的力学性能。最适宜的加入量为:ω（Mn）/ω（Fe）=1.1～1.3,ω（Sr）=0.12%。在铝硅合金中,Fe相析出形态主要有:粗大针状、细小针状、粗大汉字状、细小汉字状和鱼骨状等。粗大、细小针状β-Fe相分别经Al-β共晶反应、Al-Si-β共晶反应生成;后三种Fe相都属于α-Fe相,经Al-α共晶反应或Al-α-β共晶反应生成。添加Mn形成的α-Fe相实际上是AlSiFeMn四元金属间化合物,由Mn原子固溶到针状β-Fe相之中并依附在其上生长而成。观察合金的微观组织,发现块状Al2Si2Sr化合物常常与针状β-Al5FeSi相接触。大多数的气孔分布在针状β-Fe相的聚集区,而在汉字状α-Fe相附近几乎没有气孔,表明β-Fe相晶粒是气孔形成的潜在地点,与合金成分无关。同时在气孔的周围和内部存在含Sr化合物,对气孔的形成有一定作用,这也可能是Sr变质铝硅合金中气孔广泛分布的原因。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 前言
• 1.1 问题的提出
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 铁相晶体结构和微观形貌
• 1.2.2 抵消铝硅合金中铁相有害作用的措施
• 1.2.3 Mn对铝硅合金中Fe相的影响
• 1.2.4 Sr对铝硅合金中Fe相的影响
• 1.3 本论文的研究目的及主要内容
• 第2章 试验材料及方法
• 2.1 试验原材料及制备
• 2.1.1 试验原材料
• 2.1.2 合金的熔炼
• 2.2 试样的微观组织分析
• 2.2.1 金相组织观察
• 2.2.2 X射线衍射分析
• 2.2.3 电子探针分析
• 2.3 试样的力学性能测试
• 第3章 试验结果及分析
• 3.1 Sr对高Fe铝硅合金组织和力学性能的影响
• 3.1.1 试样的XRD结果及分析
• 3.1.2 试样的金相显微组织
• 3.1.3 试样的力学性能
• 3.1.4 小结
• 3.2 Sr变质对不同Fe含量的铝硅合金的影响
• 3.2.1 试样的XRD结果及分析
• 3.2.2 试样的金相显微组织
• 3.2.3 典型试样的EPMA测试结果
• 3.2.4 Fe含量对Sr变质Al-Si合金力学性能的影响
• 3.2.5 小结
• 3.3 Mn对高Fe铝硅合金组织和力学性能的影响
• 3.3.1 试样的XRD结果及分析
• 3.3.2 Mn加入量对合金显微组织的影响
• 3.3.3 Mn对合金力学性能的影响
• 3.3.4 小结
• 3.4 复合添加Sr、Mn对铝硅合金组织和力学性能的影响
• 3.4.1 正交试验设计
• 3.4.2 试样的XRD结果及分析
• 3.4.3 复合添加Sr、Mn对合金金相显微组织的影响
• 3.4.4 正交试验结果的直观分析
• 3.4.5 复合添加Mn、Sr对合金力学性能的影响
• 3.4.6 小结
• 第4章 讨论
• 4.1 铝硅合金中Fe相的析出及其形态
• 4.2 粗大针状β-Fe相的形核
• 4.3 β-Fe相和含Sr化合物对气孔形成的影响
• 第5章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录