冷却速度对过共晶铝硅合金凝固组织和耐磨性能的影响
凝固条件对高硅铝合金组织的影响
凝固条件对高硅铝合金组织的影响摘要:过共晶铝硅合金中的硅相晶粒粗大并且有尖锐的棱角,严重的削弱了合金的机械性能,通常采用变质处理工艺来改善这一现象。
目前,很多研究表明硅相变质的机理主要是孪晶凹谷机制,但是变质效果实际上是与凝固条件有关系的,通过改善凝固条件,可以促进变质效果。
本文研究对象为高硅铝硅合金,在加入不同变质剂条件下,研究了不同凝固条件下的组织形态,并使用透射电镜对组织进行了分析。
关键词:过共晶合金孪晶凹谷机制变质凝固条件经过变质处理后的过共晶铝硅合金具有良好的机械性能。
它具有低的热膨胀率和高的耐磨性,广泛的应用于工业。
初晶硅、共晶硅和共晶铝是它的主要组织。
其中硅相对合金的机械性能具有重要的影响,如何改善硅相的形状和细化晶粒是一个重要的研究方向,通常采用变质工艺[1～3]提高合金的机械性能。
但是变质工艺的效果受到凝固条件的影响,深入研究凝固条件对铸造合金组织的影响[4～5]具有重要的意义。
本文分别采用不同的变质剂,研究不同凝固条件对变质效果的影响。
1 实验1.1 变质试验把4个坩埚放入电阻炉中,升温到一定温度,加入高硅铝硅合金,熔化后分别加入变质剂(铜磷合金、Na盐、Sb、稀土合金),保温一段时间。
为了研究凝固条件对组织的影响,控制浇注容器温度从而达到改变合金的凝固条件,采用的金属型腔的温度分别为20 ℃和200 ℃。
将不同变质剂变质下的金属液浇注到金属型腔中,取样进行观察。
2 凝固条件对合金组织的影响2.1 未变质的合金组织由图1可知,图1的(a)中,颗粒细小并且较圆滑,(b)中颗粒粗大并且棱角锋利,在不加入任何变质剂的条件下,冷却速度可以明显的影响到合金的组织形态,加大冷却速度可以细化初晶硅和共晶硅,并且对初晶硅的形态还能够起到局部圆滑的作用。
2.2 铜磷变质的合金组织从图2可知,铜磷合金变质不论冷却速度快慢,初晶硅都比未变质铝硅合金细小且分布均匀,这说明了铜磷合金良好的变质效果。
对比图2中(a)、(b)图我们可以发现,冷却速度对初晶硅的影响是显著的。
过共晶Al-Si合金熔体中初生硅生长特性
第14卷第2期Vol.14No.2中国有色金属学报The Chinese Journal of Nonferrous Metals2004年2月文章编号:10040609(2004)02026205过共晶A-l Si合金熔体中初生硅生长特性¹张蓉1,黄太文2,刘林2(1.西北工业大学应用物理系,西安710072; 2.西北工业大学凝固技术国家重点实验室,西安710072)摘要:利用等温液淬的方法,研究了A-l18%Si过共晶合金熔体中初生硅的生长行为及机制。
结果表明:重熔过程中熔体中未溶解的硅相粒子,在凝固过程中可成为初生硅生长核心,并且未熔颗粒与初生硅形状之间存在明显对应关系;初生硅的生长机制不是惟一的,既可以以孪晶凹角(T PR E)机制生长,还可以以层状机制生长,初生硅最终形状还要取决于溶质传输等动力学环境;随着熔体过热温度的升高,凝固组织中初生硅形状由多边形向星形及树枝状转变。
关键词:初生硅;晶体生长;铝硅合金中图分类号:T G146.2文献标识码:AGrowth behavior of primary silicon inhypereutectic A-l Si alloyZHANG Rong1,HUANG Ta-i w en2,LIU Lin2(1.Department of Applied Physics,Northw estern Polytechnical University,Xi c an710072,China;2.State Key Laboratory of Solidification Processing,Northwestern Polytechnical U niversity,Xi c an710072,China)Abstract:T he process and mechanism of primary silicon g rowth in the A-l Si hyper eutectic melt w er e studied by quench interrupting.T he r esults show that the undissolved silicon particles in the melt become the cor es of primary silicon precip-i tated in solidification and there i s a close relationship between the shape of primary silicon and undissolv ed silicon particles.T he grow th of silicon follo ws not only the twin plane re-entr ant edg e(T PRE)mechanism,but also layer mechanism as w ell.M eanw hile,the shape of pr imar y silicon also relies on kinet ic surroundings,such as the transmitting of solute.A t hig her overheating temperatur e,the shape of primary silicon becomes the star-shape and tree-shape.Key words:pr imar y silicon;crystal growt h;A-l Si alloy过共晶A-l Si合金是一种重要的铸造合金,广泛应用于航空、航天及汽车制造等领域[1]。
Mg-Sn共晶合金的凝固组织演化及晶体生长机理
Mg-Sn共晶合金的凝固组织演化及晶体生长机理唐 玲*, 刘文义, 王永善（陕西理工大学 材料科学与工程学院，陕西 汉中 723003）摘要：采用金相显微镜（OM）、X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS），研究自由凝固下Mg-Sn共晶合金在不同凝固阶段的组织、相的生长形态及相组成等。
探讨Mg-Sn共晶合金的晶体生长机制以及冷却速度对合金显微组织的影响。
结果表明：Mg-Sn亚共晶合金中的凝固组织为六角蔷薇花状的初生α-Mg相和共晶Mg/Mg2Sn层片组织的混合结构；Mg-Sn过共晶合金中的凝固组织为棱角分明的初生Mg2Sn金属间化合物相和共晶Mg/Mg2Sn层片组织的混合结构；在亚共晶成分范围内，随着Sn含量的增加，初生α-Mg相含量减少，共晶相含量增多；随着冷却速率的提高，合金组织得到了明显的细化；初生α-Mg相为非小平面相，初生Mg2Sn金属间化合物相为小平面相。
关键词：亚共晶；共晶自生复合材料；非小平面相；小平面相doi：10.11868/j.issn.1005-5053.2022.000149中图分类号：TG146.22 文献标识码：A 文章编号：1005-5053(2023)05-0050-08Solidification structure evolution and crystal growth mechanismof Mg-Sn eutectic alloyTANG Ling*, LIU Wenyi, WANG Yongshan（School of Materials Science and Engineering, Shaanxi University of Technology, Hanzhong723003, Shaanxi，China）Abstract: Optical microscope, X-ray diffractometer, scanning electron microscope and energy dispersive spectrometer were used to study the microstructure, phase growth morphology and phase composition of free solidified Mg-Sn eutectic in-situ composites at different solidification stages.The crystal growth mechanism of Mg-Sn eutectic in-situ composite and the effect of cooling rate on the microstructure of the alloy were investigated.The results show that the solidification structure of Mg-Sn hypoeutectic alloy is hexagonal rose-like primary α-Mg phase and eutectic Mg/Mg2Sn lamellar mixed structure. The solidification structure of Mg-Sn hypereutectic alloy is a mixed structure of angular primary Mg2Sn intermetallic compound phase and eutectic Mg/Mg2Sn lamellar structure.With the increase of Sn content, the quantity of primary α-Mg phase decreased and the content of eutectic phase increased. With the increase of cooling rate, the microstructure of the alloy is obviously refined.The α-Mg primary phase is a non-faceted phase, and the primary Mg2Sn intermetallic compound phase is a faceted phase.Key words: hypoeutectic alloy；eutectic in-situ composites；faceted phase；non-faceted phase镁合金由于轻质高强、阻尼特性好等优良特性，成为极具应用潜能的结构材料。
过共晶Al-18Si合金摩擦磨损机理研究
过共晶Al-18Si合金摩擦磨损机理研究张建壮;王业懿;毛宇新;水丽【摘要】采用熔体过热处理工艺制备Al-18 Si合金试样.通过OM、SEM观察和摩擦磨损性能测试,研究微观组织形貌对Al-18 Si合金摩擦磨损性能的影响.借助于Matlab软件,对摩擦试样表面的磨痕形貌分形维数编写相应的Matlab计算程序.结果显示,随着熔体过热处理温度的升高,过共晶Al-18 Si合金中初晶硅形态和尺寸发生变化;熔体处理温度从800℃、850℃、900℃、950℃逐步升高,摩擦试样表面磨痕形貌的分形维数1.7384、1.6491、1.5934、1.5786逐步下降,Al-18Si合金的摩擦系数随熔体处理温度的升高从0.65下降至0.41;磨痕形貌分形维数变化与Al-18Si合金的摩擦磨损机理密切相关.【期刊名称】《沈阳理工大学学报》【年(卷),期】2019(038)004【总页数】4页(P62-65)【关键词】Al-18Si合金;分形维数;摩擦磨损;【作者】张建壮;王业懿;毛宇新;水丽【作者单位】沈阳理工大学机械工程学院,沈阳110159;沈阳理工大学机械工程学院,沈阳110159;沈阳理工大学机械工程学院,沈阳110159;沈阳理工大学机械工程学院,沈阳110159【正文语种】中文【中图分类】TG146.2过共晶铝硅合金因其导热性好、尺寸稳定性高、耐腐蚀性能好及其较高的高温强度等特点，被广泛地应用于航空航天、船舶制造及汽车发动机等工业制造领域[1-2]，此外，由于其具有良好的铸造性能和低热膨胀系数等特点，使其成为缸体、箱体、壳体及框架的用材[3]，其中铝硅合金在发动机活塞方面应用最为多见。
活塞由于长期在高温环境工作，服役条件恶劣，缸套中的环摩擦副的摩擦损失会很大程度上消耗能量，因此对活塞合金的耐磨损性能的研究具有实际应用价值[4]。
罗惠馨等[5]测试了过共晶铝硅合金的抗拉强度，并对其进行摩擦磨损性能试验，来评估其耐磨损性能，发现合金中初晶硅颗粒的形态和轮廓尺寸是影响其性能的关键因素。
冷却速度对过共晶Al_Si合金的初晶Si微细化的影响
冷却速度对过共晶Al-Si 合金的初晶Si 微细化的影响吴树森,涂小林,吴广忠(华中科技大学材料学院,湖北武汉430074)摘 要:通过检测过共晶Al-20%Si-1%Cu-0.5%Mg-0.5%Mn 合金在不同变质处理下的组织变化,研究了冷却速度对初晶Si 微细化的影响.结果表明:在5100 /s 的不同冷却速度下,未变质合金的初晶Si 粗大,为50120 m,冷却速度对初晶Si 尺寸的影响较显著;磷变质或双重变质条件下,冷却速度的变化对初晶Si 细化的影响较小.双重变质剂具有同时细化共晶Si 及初晶Si 的作用,使初晶Si 比磷变质更细小,可使初晶Si 小于20 m.关键词:Al-Si 合金;初晶硅;细化;冷却速度中图分类号:TG113.1 文献标识码:A 文章编号:1005 0299(2001)02 0141 05Effect of cooling rate on refining of primarysilicon of hypereutectic Al -Si alloyWU Shu sen,TU Xiao lin,WU Guang zhong(College of Materials Science and Engineering,Huazhong University of Science and T echnology,Wuhan 430074,China)Abstract:In this study the cooling ra tes of different sa mples have been measured,and the microstructure variations have been investigated with an Al-20%Si-1%Cu-0.5%Mg-0.5%Mn alloy under different refining treat ments.The results show that,under different cooling rates in the range of 5 /s to 100 /s,the un modified al loy has very big primary silic on particles in the range of 50 m to 120 m,and the effect of cooling rate on primary silic on size is relatively remarkable.The variation of cooling rate has a rela tively small effect on the refining of pri mary silic on with a phosphorous modification or a dual modifier.The dual modifier can modify eutectic silicon and primary silicon at the sa me time,and makes the primary silicon smaller than phosphorous modification.The primary silic on size can be reduced to less than 20 m with the dual modifier.Key words:Al-Si alloy;primary silicon;refine;cooling rate含Si 量大于或等于16%~26%的过共晶Al-Si 合金,实质上是一种复合良好的自生Si 颗粒增强铝基复合材料,在汽车等行业中具有广泛的用途.但是,用铸造法生产过共晶Al-Si 合金铸件时,容易生成粗大的初晶Si,从而使这种材料的强度很低(金属型铸造时 b 150MPa),而且硬质点的粗大初晶Si 使切削加工性能很差,加工件的表面粗糙度大.收稿日期:2000-12-19.作者简介:吴树森(1961-),男,博士,教授,博士生导师.目前,最常用的初晶Si 细化方法是熔体变质法(如P 等)[1],最新方法是快速凝固法[2,3].浇注前在熔体中加入磷(P)进行变质处理,金属型铸造时初晶Si 的尺寸也在3060 m,一般难以做到小于30 m [1],更难以小于20 m.快速凝固法原理是使Al-Si 合金液滴在104109 /s 的高速冷却下凝固,初晶Si 可细化到2 m 左右,材料强度高达400MPa [3].但这种方法需要急冷凝固设备,且工艺复杂、成本高.因此,研究常规冷却条件下初晶Si 的变化规律对提高材料的性能具有重要意义.综合文献可以发现[47],在常规铸造条件(小于第9卷 第2期 材 料 科 学 与 工 艺 Vol.9 No.22001年6月MATERI AL SCIENCE &TEC HNOLOGY J un. 2001100 /s)下,冷却速度对初晶Si 细化的研究方面存在以下不足:(1)对常规条件下冷却速度对初晶Si 细化的影响缺乏定量的研究.理论上认为冷却速度大时晶粒细小,但常规条件下冷却速度的变化对初晶Si 的大小是否有显著的影响,缺乏试验数据的说明;(2)现有文献对初晶Si 的大小说法不一,难以互相比较.对过共晶Al-Si 合金的研究中,大多不知道试样的大小,即具体的冷却速度,也难以知道对初晶Si 尺寸的具体测量方法;(3)对冷却速度对变质剂的变质效果的影响缺乏研究.因此,本文将对常规条件下冷却速度对初晶Si 细化的影响进行定量研究,并探讨不同变质剂的作用效果.1 试验材料及方法浇注的金属型试样如图1所示,直径5、10、15、20mm 的试样在同一个金属型上, 40mm 的试样为另一个壁厚6mm 的金属型.各试样的中心放一对镍铬-镍硅热电偶,用一个6通道温度记录仪记录温度变化,记录仪的精度为 0.1 .试样冷却后剖开,观察热电偶附近的金相组织.图1 金属型试样示意图Fig.1 Schematic presen tation of metallic sample moldAl-Si 合金的熔炼及配制在功率为5kW 的电阻坩埚炉内进行,采用10#石墨坩埚,每次熔化2~3kg 炉料.配制合金的目标成分(w (B))为Al-20%Si-1%Cu-0.5%Mg-0.5%Mn,原材料为纯铝锭、结晶硅及纯镁锭,Al -50%Cu 及Al-10%Mn 中间合金锭.熔炼温度为850 ,炉料熔化后在加入变质剂前通氩气进行除气处理,变质处理后静置1020min 后浇注,浇注温度为820.对上述同一化学成分的材料采用三种不同的处理工艺:(1)未变质工艺;(2)加入1%的Cu-13%P 变质剂;(3)加入1%的自制HW 型双重变质剂.初晶Si 尺寸的测量方法是在金相显微镜下,放大200倍,分别选取三个不同的视场,每个视场中测量三个最大的Si 颗粒的尺寸,取其平均值为初晶Si 的尺寸.2 试验结果及分析2.1 冷却速度与过冷度冷却速度的测定结果如图2所示.利用测得的冷却曲线,取0时间点至共晶凝固开始点为止这一段冷却曲线计算实际冷却速度.直径分别为5、10、15、20、40mm,试样的冷却速度分别为87、56、33、22、5.3 /s.结果表明,常规冷却速度都在100 /s 以下.本文中 5mm 的试样与压铸或金属型薄壁铸件的冷却速度相当,而 40m m 试样的冷却与较小壁厚的砂型铸造的冷却速度相当.图2 各试样的冷却曲线Fig.2 Cooling curves of various samples通常,冷却速度越快,过冷度越大,从而使晶体的生长速度越快.根据图2所示的冷却曲线及温度变化,可计算出直径5、10、15、20mm 及40mm 试样的共晶过冷度( T )分别为53、41、34、17.7、11 .试样越小,过冷度越大,共晶凝固温度越低.除 40mm 及 20mm 试样的冷却曲线上可见到初晶凝固的拐点(650 左右)外,其它试样因冷却速度快,曲线上未见到初晶凝固的拐点.试样越小,凝固时间越短. 10mm 试样总凝142 材 料 科 学 与 工 艺 第9卷固时间只有5s, 20mm 试样为13s,而 40mm 则延长为80s.利用A356合金的研究表明[8],试样的凝固时间t 与过冷度 T 成反比:t =A ( T)-n ,(1)式中A 与n 为常数.本文的结果也表明过冷度越大,凝固时间越短.2.2 冷却速度对初晶Si 微细化的影响图3为未变质处理的Al-20%Si-1%Cu-0.5%Mg-0.5%Mn 合金的显微组织形貌.由图可知,冷却速度较慢的 40mm 试样(图3(a))、 20mm 试样(图3(b))的初晶Si 都很粗大,在80100 m 左右,而 15mm 、 10mm 、 5mm 试样的初晶Si 明显减小,即冷却速度对未变质的过共晶Al -Si 合金的初晶Si 细化有影响.但在较高冷却速度( 5mm 试样)下初晶Si 仍大于50m.图3 未变质处理的过共晶Al-Si 合金的显微组织(a) 40mm (b) 20mm (c) 10mm (d) 5mm Fig.3 Un modified microstructures of hypereutectic Al-Si alloy图4为P 变质(磷铜变质)的相同成分合金的显微组织形貌.虽然冷却速度不同,但初晶Si 的大小相差不大,即初晶Si 的细化受冷却速度的影响较小.与未经变质处理的图3相比,P 变质使初晶Si 显著细化,初晶Si 的大小在35~45 m 左右. 图5为使用自制HW 型双重变质剂时的合金的显微组织形貌.初晶Si 也被显著细化,且比P变质的初晶Si 的尺寸更小.但是,冷却速度变化时,对初晶Si 细化的影响也较小.除 40m m 试样的初晶Si 稍大一点外,其余都在20~30 m 左右,特别是 5mm 试样的初晶Si 细小均匀,尺寸为18 m 左右.图4 P 变质处理的过共晶Al-Si 合金的显微组织(a) 40mm (b) 20m m (c) 10mm (d) 5mm Fig.4 Microstructures of hypereutectic Al-Si alloy with P modification143 第2期 吴树森,等:冷却速度对过共晶Al-Si 合金的初晶Si 微细化的影响图5 双重变质剂处理的过共晶Al-Si 合金的显微组织(a) 40mm (b) 20mm (c) 10mm (d) 5mm Fig.5 Microstructures of hypereutectic Al-Si alloy wi th dual modifier modification将该合金经三种不同处理工艺后的初晶Si 尺寸随冷却速度变化的数据整理成图6所示的曲线 由图6可以看出,在变质处理时初晶Si 细化不受冷却速度影响的主要原因是:P 变质或双重变质剂主要是通过在熔液中生成AlP 或其它化合物作为异质核心而使初晶Si 细化的[1],冷却速度的变化并不能增加异质核心的数量,而本文条件下的冷却速度并未大到可以抑制初晶Si 长大的程度,因此并未对初晶Si 细化产生显著影响.但是,在未变质的情况下(图3),由于慢速冷却时(图3(a))初晶Si 非常大,在提高冷却速度的条件,周围晶体的生长可以抑制初晶Si 的进一步长大,从而使初晶Si 细化,但Si 颗粒仍然较大.图6 不同处理时的初晶Si 尺寸(d)随冷却速度(v)的变化Fig.6 Variation of size of primary Si with cooling rate underdifferent treatmen ts2.3 冷却速度对共晶Si 变质的影响比较图3和图4可以发现,未变质合金与P变质合金的共晶Si 的大小相当,共晶Si 呈未变质状态,即P 变质虽然可以细化初晶Si,但对共晶Si 没有变质作用.随着冷却速度的增大(即试样减小),共晶Si 变小,在 5mm 试样中部分共晶Si 已很细小,但部分共晶Si 仍较粗大.观察图5可以发现,在HW 型双重变质剂的作用下,共晶Si 都比较细小,呈变质状态,仅 40mm 试样的稍大,即该变质剂具有同时细化初晶Si 及共晶Si 的双重作用.Al-Si 合金的共晶凝固组织中Si 的相间距(枝晶间距) (mm)与凝固速度R (mm/h)的关系可用下式表示[9]:Al -Si 5.9R =1.5 10-9,(2) Al -Si-Sr 1.6R =1.3 10-2.(3)式(2)为未变质的Al-Si 合金,式(3)为Sr 变质的Al-Si 合金.上式表明凝固速度越大,共晶Si 的相间距越小,即组织越细.通常,冷却速度越大,凝固速度越大,共晶Si 越细小.本文的结果与此相符合.此外,比较式(2)和式(3)可以发现,在相同的凝固速度(冷却速度)下,变质处理的Si 的相间距要比未变质时小很多,即有变质作用时共晶Si 细小.2.4 不同变质剂作用的比较(1)比较图4(b)和图5(b)可以发现,在相同的冷却速度下,P 变质的初晶Si 在35 m 左右,而HW 型变质剂的初晶Si 尺寸约为2025 m,前者比后者大,即HW 型变质剂的变质效果好.HW 型双重变质剂对冷却速度的敏感性也比P 变质剂小,即前者变质更稳定,受断面厚度的影响小.(2)双重变质剂不仅能细化初晶Si,而且能细化共晶Si,而P 变质时共晶Si 仍然比较粗大.144 材 料 科 学 与 工 艺 第9卷145第2期 吴树森,等:冷却速度对过共晶Al-Si合金的初晶Si微细化的影响。
冷却速度对过共晶铝硅合金凝固组织和耐磨性能的影响
[文章编号]1004-0609(2001)05-0827-07冷却速度对过共晶铝硅合金凝固组织和耐磨性能的影响①赵爱民1,毛卫民1,甄子胜1,姜春梅2,钟雪友1(1.北京科技大学铸造研究所,北京100083;2.北京联合大学应用技术学院,北京100101)[摘 要]试验研究了在不同的冷却速度下凝固的Al220%Si和Al230%Si(质量分数,下同)合金的组织和耐磨性。
实验结果表明,冷却速度对过共晶铝硅合金的凝固组织和耐磨性能有显著的影响。
随着冷却速度的增加,Al2 20%Si和Al230%Si合金的凝固组织组成、初生硅的形貌和尺寸都发生明显的变化:冷却速度小于0.1K/s的炉冷试样和冷却速度小于1K/s耐火砖型铸造试样的凝固组织由(α+Si)共晶和初生Si相组成,初生Si相呈粗大的片状,共晶Si呈针状;冷却速度约10K/s的金属型铸造试样的凝固组织由(α+Si)共晶、枝晶状α相和初生Si相组成,初生Si相为块状或长条状,共晶Si呈细小的针状,并且凝固组织中出现的枝晶状α相;凝固速度为(103～105)K/s的过喷粉末的凝固组织也是由(α+Si)共晶、枝晶状α相和初生Si相组成,初生Si相为块状。
而喷射沉积快速凝固Al220%Si和Al230%Si合金的沉积态组织都是由Si相和α相组成,细小的Si相均匀分布在α基体中。
随着冷却速度的增加,Al220%Si和Al230%Si合金的凝固组织中初生硅的尺寸明显减小,磨损机制发生变化,合金的耐磨性显著增加。
[关键词]过共晶铝硅合金;冷却速度;凝固组织;耐磨性[中图分类号]TG164.2 [文献标识码]A 过共晶铝硅合金是一种优良的耐磨材料,它具有密度小、热膨胀系数小、热稳定性好、耐磨性高等优点,而且随着合金中硅量的增加,合金的耐磨性提高,密度降低、线膨胀系数减小、热稳定性增加、耐蚀性提高[1]。
在普通铸造条件下,由于冷却速度慢,析出粗大的初生硅,破坏了基体的连续性,显著降低合金的强度、韧性[2]。
冷却条件对金属的影响
冷却条件对金属的影响一、冷却条件的基本概念冷却条件是指金属在加工过程中，从高温状态迅速或不迅速地冷却到室温的条件。
冷却条件对金属的晶体结构、机械性能、塑性、韧性、耐磨性等性能指标产生重要影响。
二、冷却条件对金属晶体结构的影响1.晶粒大小：冷却速度越快，晶粒越细小；冷却速度越慢，晶粒越大。
晶粒大小对金属的机械性能产生重要影响，晶粒越细，金属的强度和硬度越高，但韧性降低。
2.相变：冷却条件会影响金属的相变过程，如马氏体转变、贝氏体转变等。
冷却速度不同，相变产物也不同，从而影响金属的机械性能。
三、冷却条件对金属机械性能的影响1.强度和硬度：冷却速度越快，金属的强度和硬度越高。
这是因为快速冷却使晶粒细小，晶界增多，阻碍了位错的运动，从而提高了强度和硬度。
2.韧性：冷却速度越慢，金属的韧性越好。
慢冷使晶粒长大，晶界减少，位错运动容易，从而提高了韧性。
3.塑性：冷却条件对金属的塑性影响较小，但一般来说，慢冷有利于提高金属的塑性。
四、冷却条件对金属耐磨性的影响冷却条件对金属的耐磨性也有很大影响。
一般来说，快速冷却得到的细晶金属具有更好的耐磨性，因为细晶金属的晶界更多，阻碍了磨损颗粒的侵入。
五、冷却条件的控制与改善1.控制冷却速度：通过控制冷却速度，可以得到不同性能指标的金属材料。
例如，高速冷却可以得到高强度、高硬度的金属材料；慢速冷却被用于提高金属的韧性和塑性。
2.热处理：通过热处理工艺，如退火、正火、淬火等，可以改变金属的冷却条件，从而改善金属的性能。
3.材料选择：选择合适的材料，根据其本身的性能特点，可以更好地适应不同的冷却条件。
综上所述，冷却条件对金属的晶体结构、机械性能、塑性、韧性、耐磨性等性能指标产生重要影响。
了解和掌握冷却条件对金属性能的影响，对于金属材料的加工和应用具有重要意义。
习题及方法：1.习题：冷却速度对晶粒大小有何影响？方法：冷却速度越快，晶粒越细小；冷却速度越慢，晶粒越大。
这是因为快速冷却使晶粒生长时间不足，导致晶粒细小；慢冷使晶粒有足够时间生长，因此晶粒较大。
共晶铝硅组织结构特点
共晶铝硅组织结构特点1.引言1.1 概述概述：共晶铝硅是一种重要的金属材料，具有特殊的组织结构特点。
其组织结构由铝基体和硅颗粒组成，两者以共晶方式相互固溶，形成一种特殊的共晶结构。
共晶铝硅具有良好的力学性能和导热性能，因此广泛应用于各个领域。
本文将从共晶铝硅的组成和形成机制两方面进行探讨。
首先，将介绍共晶铝硅的基本构成，主要包括铝基体和硅颗粒的特点和成分。
其次，将详细阐述共晶铝硅的形成机制，包括共晶过程中的相变规律和结晶行为。
通过对共晶铝硅的组成和形成机制的深入研究，可以更好地理解共晶铝硅的结构特点及其相关性能。
最后，对共晶铝硅的结构特点进行总结，并展望其在未来的应用前景。
共晶铝硅由于其特殊的结构和性能，在各个领域具有广阔的应用前景，如航空航天、汽车制造、电子设备等。
随着科学技术的不断发展和进步，共晶铝硅材料的应用前景将更加广阔，为各行各业的发展带来更多机遇和挑战。
通过本文的研究，可以更全面地了解共晶铝硅的组织结构特点，为相关领域的研究和应用提供参考，并为其进一步的研究和开发提供指导。
共晶铝硅材料的研究不仅具有学术上的重要价值，同时也对工业生产和技术创新起到积极推动作用。
1.2 文章结构文章结构部分的内容如下：文章的结构如下所示：第一部分为引言，主要包括概述、文章结构和目的。
第二部分为正文，主要包括共晶铝硅的组成和共晶铝硅的形成机制。
第三部分为结论，主要包括对共晶铝硅的结构特点总结和对共晶铝硅的应用前景展望。
通过以上结构的安排，本文将全面介绍共晶铝硅的组织结构特点，从共晶铝硅的组成和形成机制的角度进行分析和探讨。
最后，通过总结共晶铝硅的结构特点和展望共晶铝硅的应用前景，为读者提供一个综合了解共晶铝硅的全面视角。
1.3 目的本文旨在深入研究共晶铝硅的组织结构特点，探讨其形成机制，并对其在实际应用中的潜力进行展望。
首先，我们将通过对共晶铝硅的组成进行分析，了解其由铝和硅两种元素组成的特点，以及不同比例下的组成变化。
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[文章编号]1004-0609(2001)05-0827-07冷却速度对过共晶铝硅合金凝固组织和耐磨性能的影响①赵爱民1,毛卫民1,甄子胜1,姜春梅2,钟雪友1(1.北京科技大学铸造研究所,北京100083;2.北京联合大学应用技术学院,北京100101)[摘 要]试验研究了在不同的冷却速度下凝固的Al220%Si和Al230%Si(质量分数,下同)合金的组织和耐磨性。
实验结果表明,冷却速度对过共晶铝硅合金的凝固组织和耐磨性能有显著的影响。
随着冷却速度的增加,Al2 20%Si和Al230%Si合金的凝固组织组成、初生硅的形貌和尺寸都发生明显的变化:冷却速度小于0.1K/s的炉冷试样和冷却速度小于1K/s耐火砖型铸造试样的凝固组织由(α+Si)共晶和初生Si相组成,初生Si相呈粗大的片状,共晶Si呈针状;冷却速度约10K/s的金属型铸造试样的凝固组织由(α+Si)共晶、枝晶状α相和初生Si相组成,初生Si相为块状或长条状,共晶Si呈细小的针状,并且凝固组织中出现的枝晶状α相;凝固速度为(103～105)K/s的过喷粉末的凝固组织也是由(α+Si)共晶、枝晶状α相和初生Si相组成,初生Si相为块状。
而喷射沉积快速凝固Al220%Si和Al230%Si合金的沉积态组织都是由Si相和α相组成,细小的Si相均匀分布在α基体中。
随着冷却速度的增加,Al220%Si和Al230%Si合金的凝固组织中初生硅的尺寸明显减小,磨损机制发生变化,合金的耐磨性显著增加。
[关键词]过共晶铝硅合金;冷却速度;凝固组织;耐磨性[中图分类号]TG164.2 [文献标识码]A 过共晶铝硅合金是一种优良的耐磨材料,它具有密度小、热膨胀系数小、热稳定性好、耐磨性高等优点,而且随着合金中硅量的增加,合金的耐磨性提高,密度降低、线膨胀系数减小、热稳定性增加、耐蚀性提高[1]。
在普通铸造条件下,由于冷却速度慢,析出粗大的初生硅,破坏了基体的连续性,显著降低合金的强度、韧性[2]。
变质处理可以改善初生硅的形貌、细化初生硅[3～5],但当硅相超过14%时,变质处理方法也无法根本消除硅相的不利影响。
采用快速凝固技术可以显著细化初生硅相[6～10]。
作者研究冷却速度对Al220%Si和Al2 30%Si的凝固组织和耐磨性能的影响情况,观察不同的冷却速度下凝固的Al220%Si和Al230%Si合金的微观组织,测量不同硅相尺寸的过共晶铝硅合金的耐磨性能,分析其磨损机制。
1 实验采用工业纯铝和结晶硅在坩埚炉熔炼Al220% Si和Al230%Si合金,以不同冷却速度凝固,观察不同的冷却条件下的凝固组织:1)炉冷条件下凝固,冷却速度小于0.1K/s;2)耐火砖型铸造,合金凝固时冷却速度在小于1K/s;3)金属型铸造,冷却速度约10K/s;4)喷射沉积的过喷粉末,冷却速度在(104～106)K/s范围[11];5)喷射沉积的沉积坯的凝固,冷却速度约103K/s[11]。
用Laborlox 12M E型光学显微镜和SEM-IPS图像分析系统,对不同冷却速度凝固的过共晶铝硅合金的微观组织进行观察或定量分析。
磨损实验在ML210型销-盘式磨损实验机上进行,设备如图1所示。
磨损方式为干磨,磨损性能衡量标准为失重法。
对摩材料采用45#钢的金属盘,其硬度为HB244,尺寸为d126mm×8mm,金属盘5安装底座上,与底座一起作旋转运动,磨损试样4的尺寸为d6mm×22 mm,安装在试样夹2中,与金属盘对摩,实验时试样保持不动,金属盘作旋转运动,磨损试样和金属盘之间产生相对摩擦运动,磨损实验转盘的转速为60r/min,对应的相对摩擦线速度为0.5m/s,载荷为14.7N,每个试样预磨20min,磨损时间为30 min。
用D T100型光电天平称重,测量磨损失重。
用S2570型扫描电镜观察磨面特征,分析磨损机理,为了观察磨损亚表层的形态和组织,进行磨面斜切面的光学显微观察,用钼丝线切割方法从磨损试样上截取小块试样,切割面与磨面成45 ,并用电木粉第11卷第5期Vol.11No.5 中国有色金属学报The Chinese Journal of N onferrous Metals2001年10月Oct. 2001①[基金项目]国家自然科学基金资助项目(59771011) [收稿日期]2000-07-03;[修订日期]2001-04-17[作者简介]赵爱民(1962-),男,副教授,博士.镶样制成金相试样进行观察。
图1 磨损实验机示意图Fig.1 Schematic of wear tester1—Controller ;2—Load ;3—Holder ;4—Specimen ;5—Disk ;6—Revolver2 实验结果2.1 冷却速度对过共晶铝硅合金凝固组织的影响实验结果表明冷却速度对过共晶铝硅合金凝固组织有显著的影响,在不同的冷却速度下凝固的试样的微观组织的相组成、初生硅的形貌和尺寸大小都有明显的差别,接近于平衡凝固的炉冷试样,凝固时的冷却速度小于0.1K/s ,其微观组织由(α+Si )共晶体和初生硅Si 相组成,初生硅大多为长条状且十分粗大,Al 220%Si 合金中初生硅的长度约1000μm ;Al 230%Si 合金中初生硅的长度1500～4000μm ,共晶硅为针状,其长度为50～200μm ,如图2(a )所示。
凝固时冷却速度小于0.1K/s 的耐火砖型铸造试样与炉冷试样的微观组织的相组成相同,也是由(α+Si )共晶体和初生硅Si 相组成,初生硅仍为长条状,共晶硅亦呈针状,初生硅和共晶硅相的尺寸比炉冷试样都有所减小,Al 230%Si 合金中初生硅长度为400～1500μm ,见图2(b )所示。
当冷却速度约为10K/s 的金属型铸造Al 220%Si 合金和Al 230Si 合金试样的凝固组织由(α+Si )共晶体、初生硅Si 相和枝晶状α相组成,其凝固组织中除初生硅相和(α+Si )共晶体外,还出现一定数量的枝晶状α相,如图2(c ),(d )所示。
分析认为这种枝晶状α相是一种非平衡凝固的初生相[12],这样在其凝固组织中同时出现初生α和初生硅相,这是由于Al 2Si 合金的共晶共生区明显偏向硅一侧,过冷的共晶液体在快冷条件下进入共晶共生区下方的α单相区形核,并在共晶液体中自由生长成枝晶状,这也说明在冷却速度较快时,过共晶Al 2Si 合金中易出现非平衡枝晶状初生α相。
金属型铸造Al 220%Si 合金凝固组织中初生硅为多角形的块状,见图2(c )。
图像分析结果表明初生硅的平均等面积圆直径 d a 为111.5μm ;金属型铸造的Al 230%Si 合金中初生硅相大多数为长条状,其长度200～500μm ,见图2(d )。
实验还观察了厚度为0.3mm Al 230%Si 合金金属型铸造试样的飞边的凝固组织,结果表明其相组成与金属型铸造试棒相同,凝固组织中初生硅相呈多角形块状,未观察到长条状的初生硅,枝晶状α相数量有所增加;图像分析表明,其初生硅的平均等面积圆直径 d a 为16.185μm 。
过喷粉末的凝固组织与金属型铸造试样的飞边的微观组织相近,由(α+Si )共晶体、初生硅和枝晶状α相组成,初生硅为的块状,如图2(e ),初生硅平均尺寸与过喷粉末的粒径有关,图像分析表明粒径约20μm 和100μm 的Al 230%Si 合金的过喷粉末中初生硅的平均尺寸分别为2.294μm 和4.770μm [13]。
喷射沉积作为一种新型的快速凝固工艺,熔体的冷却有两个明显不同的阶段:飞行阶段快冷,冷却速度可以达到(104～106)K/s ,沉积固结阶段慢冷,冷却速度小于10K/s [13,14],这必然给熔体的凝固过程产生重要的影响,从而影响喷射沉积合金快速凝固组织。
实验观察表明过共晶铝硅合金沉积态凝固组织由硅相和α相组成,没有常规组织中(α+Si )共晶体,如图2(f )所示,硅相比较均匀地分布在α(A1)基体中,硅相的形状基本是块状或颗粒状,并没有观察到铸态组织中长条状初生硅相,硅相尺寸比常规组织中的要细小得多,图像分析结果表明,喷射沉积Al 220%合金的凝固组织中硅相的尺寸在1～6μm ,而Al 230%合金的硅相的尺寸为4～10μm ,比金属型铸造成分相同的过共晶铝硅合金的初生硅尺寸低2个数量级。
这是由于在喷射沉积雾滴飞行阶段的快速冷却条件下,合金液滴发生部分凝固,形成大量的初生硅核心,沉积体表面半固态层的剩余液相在沉积阶段慢速冷却条件下,发生了离异共晶,从而形成这样的凝固组织[15,16]。
由此可见冷却速度对过共晶铝硅合金凝固组织的相组成、尺寸大小和形貌都有影响。
当冷却速度小于1K/s 时,过共晶铝硅合金的凝固组织由初生硅相和(α+Si )共晶体组成,与平衡态组织的相组成相同;当冷却速度增大到10K/s ,其凝固组织由初生硅相、(α+Si )共晶体和枝晶状α相组成,凝固组织中出现枝晶状α相,这种枝晶状α相是冷却速度较快的条件下出现的一种非平衡凝固组织。
随着冷却速度的增加,过共晶铝硅合金凝固组织中・828・中国有色金属学报 2001年10月图2 过共晶铝硅合金凝固组织Fig.2 Solidification microstructures of hypereutectic Al2Si alloys (a)—Al230%Si alloy solidified in the furnace;(b)—Al230%Si solidified in refractory mould;(c)—Al220%Si alloy solidified in metal mould;(d)—Al230%Si alloy solidified in metal mould;(e)—Al230%Si over2spray powder;(f)—Al230%Si spray formed billet初生硅和共晶硅的尺寸减小,在慢速冷却条件下凝固,初生硅呈长条状,共晶硅呈针状,在快速冷却条件下,初生硅的形状有由长条状转变为多角状变化的趋势。
2.2 磨损实验结果及分析磨损实验结果见表1,实验测量不同试样的磨损失重W,按ε=1/W式计算出试样的耐磨性ε,并且分别计算出相对于Al230%Si合金炉冷试样F30试样和金属型铸造试样M30的相对耐磨性。
从表1的实验结果可以看出:1)对于同种成分的合金,随着凝固时冷却速度加快,凝固组织中初生硅・928・第11卷第5期 赵爱民,等:冷却速度对过共晶铝硅合金凝固组织和耐磨性能的影响表1 过共晶铝硅合金磨损实验测量结果T able 1 Test results of wear resistance of hypereutectic Al 2Si alloysNo.K ind of alloyMass and mass loss of specimen/g Before test After test Mass loss Wear resistance/g -1Relative wear resistance to F30Relative wear resistance to M30F30Al 230%Si ,cooled in furnace 1.26994 1.219750.0501919.92429 1.000.18R30Al 230%Si ,refractory mould 1.38528 1.351710.0335729.7885 1.500.27M20Al 220%Si ,metal mould 1.67110 1.663380.00772129.5336 6.73 1.20M30Al 230%Si ,metal mould 1.45631 1.447340.00897111.4827 5.60 1.00S30Al 230%Si ,spray formed 1.20962 1.208430.00119840.336142.187.54S20Al 220%Si ,spray formed1.147261.145180.00208480.769224.134.31或硅相尺寸减小,合金的耐磨性显著增加,喷射沉积Al 230%Si 合金的耐磨性是金属型铸造试样的7倍多,是耐火砖型铸造试样的28倍多,是近平衡凝固试样的42倍多;2)金属型铸造Al 220%Si 合金的耐磨性是金属型Al 230%Si 合金的1.2倍,说明在本实验条件下随硅含量的增加,金属型铸造高硅铝合金耐磨性下降;3)喷射沉积Al 230%Si 合金的耐磨性是喷射沉积Al 220%Si 合金的1.75倍,这说明在相同喷射沉积条件下,随着硅含量的提高,高硅铝合金的耐磨性提高。