挤压温度对高硅铝合金材料组织与性能的影响_杨伏良

200mm 的高压水流中 , 冷却后 , Al-Si 粉末浆料流经
筛网 , 过滤掉杂物 , 流入高速旋转的甩干机中进行脱
水处理 , 经烘干 、过筛制得各种试验所需粉末 , 其粉
末制备工艺参数如表 1 。
表 1 制粉工艺参数
熔炼温度 /℃ 1000
喷嘴孔径 / mm 3.5
雾化气体 空气
气体压力 / MPa 0.6
的 Si 颗粒大部分消失 , 颗粒形状发生钝 化 。 另外 , 由于热挤压是一种变形与再结晶同时进行的工艺 , 它可以促进原子间的互相扩散与结合 , 从而也促使 初晶硅有所增大 。
(a)370 ℃;(b)430 ℃;(c)490 ℃;(d)550 ℃ 图 2 I 号试样在不同温度下热挤压后室温金相照 片
快速凝固高硅铝合金粉末热挤压成形时 , 由于 粉末含有大量的初晶硅相 , 材料的塑性较差 , 同时由
＊国防科学技术工业委员会资助项目(M K PT -03-151) ＊＊杨伏良(1962 .6 -), 女 , 副教授 , 博士研究生 , 主要从事铝合金及信息功能材料的研究 。 E-mail :yflcsu @163.com 收稿日期 :2004 -04 -14
1 前言
采用快速凝固技术与粉末冶金技术相结合(RS -PM)制备的高硅铝合金材料由于具有低密度 、高 热导 、低膨胀 、高比强等优异特点 , 在汽车 、电子 、航 空工业领域有很大的发展潜力[ 1] 。而由于 A l 活性 很高 , 在快速凝固制粉时不可避免地会形成一层氧
化膜 , 导致在致密化过程中合金元素的相互扩散受 到阻碍 , 难以形成冶金粘结 。因此 , 需要采用一些特 殊的致密化工艺 。 对于快速凝固高硅铝合金粉末而 言 , 应用最广泛的致密化技术是粉末热挤压[ 2] 。
第 23 2 00 5
卷第 6期 年 12 月
粉末冶金技术
Powder Metallurgy Technology
VoDl.e2c.32, 0N0o5.6
挤压温度对高硅铝合金材料组织与性能的影响 ＊
杨伏良＊＊ 易丹青 甘卫平 陈招科
(中南大学材料科学与工程学院 , 长沙 410083)
但就总体而言 , 经热挤压后的高硅铝合金其硅
相尺寸并没有因为加热保温而使得初晶硅相尺寸显
著地增大 , 这主要是因为在热 挤压过程中 , Si 相在 强大的三向压应力所产生的高度的界面剪切力的作
用下发生了破碎 , 从而在一定程度上抵消了部分 Si 相的长大 。
3.2 温度对材料抗拉强度的影响
快速凝固真空包套热挤压高硅铝合金材料的室 温抗拉强度测试结果见表 3 。
温金相组织 。 总体上 , 经快速凝固制粉再热挤压后 的高硅铝合金材料其组织比普通铸造材料的组织要 细小得多 , 在挤压温度为 370 ℃时 , 其硅晶粒尺寸大 致为 2 ～ 10μm , 且分布均匀弥散 。 硅相的形状是等 轴的块状或颗粒状 , 没有常规铸态组织中的长条状 或板片状 , 也没有五花瓣状 。由此可见 , 与铸轧态相 比 , 快速凝固经热挤压后的高硅铝合金材料其硅相 的尺寸 、形貌 、分布都要比铸轧态的好 。其主要原因 在于与常规铸造相比 , 快速凝固技术使合金熔体具 有更高的冷却速度和更大的过冷度 , 合金熔体在凝 固过程中可以萌生出更多的晶核 , 且生长时间很短 , 从而使合金的微观组织得到显著细化 。
第 23 卷第 6 期 杨伏良等 :挤压温度对高硅铝合金材料组织与性能的影响
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α(Al)相中 Si 相的析出 。 材料内部细小的 Si 颗粒或 颗粒表面曲率大的部位具有饱 和溶解度而优 先在 Al 相中溶解 , 同时 Al 相中部分过饱和的 Si 原子在 大颗粒的表面或具有负曲率的部位析出 。故当挤压 温度升高时 , 材料内部的颗粒尺寸增大 , 原有的细小
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表 2 高硅铝合金粉末
编号
I II III IV
化学成分(质量分数)/ %
Si 26.60
O 0.48
Al 余量
26.60
0.50
余量
36.44 36.44
0.51 0.54
余量 余量
粉末粒度 / μm ≤75 ≤150 ≤75 ≤150
2.2 真空包套热挤压
各种编号的合金粉末经均匀混合后 , 初装 、振实 装入特制的 纯铝 包套内 , 其 密度可 达理 论密 度的 70 %, 经真空除气后 , 封闭焊合包套 。 挤压前对样品 设计了四种不同的温度加热保温 , 其加热温度分别 为 370 ℃、430 ℃、490 ℃、550 ℃, 保温时间为 1h 。 热 挤压试验 在 300t 油压机上 进行 , 模具加热 温度为 250 ℃, 各种挤压模具首先置入井式炉中充分预热保 温 。在热挤压的过程中用润滑油润滑 , 挤压比为 16 (纯铝包套和挤压棒直径分别为 40mm 和 10m m), 挤压锥角为 90°。 2.3 性能检测
图 2 (a)、(b)、(c)、(d)分 别 为 I 号 试 样 经 370 ℃、430 ℃、490 ℃、550 ℃热挤压后 , 在室温下的金 相微观组织 。 从图中可明显看出 , 随着挤压温度的 升高 , 其初生硅相 都有不同程度的长大 , 经 370 ℃、 430 ℃、490 ℃三个不同温度挤压后 , 硅相粒子尺寸相 差不大, 即长大并不十分明显 , 但当挤压温度为 550 ℃时 , 其硅相晶粒的长大十分明显 。 由此可见 , 材料的硅相粒子大小与挤压温度有关 , 且随着热挤 压温度的升高 , 初晶硅逐渐增大 。 这主要是因为提 高挤压温度会有助于促进 Si 相向 α(Al)相中溶解及
gradually from tough fracture mode to a mix ture of tough and brittle ones with the increase of ex trusio n t em peratu re. Key words:rapid solidification;vacuum canning ;ho t-ex trusion;Al-Si alloy.
Effect of extrusion temperature on microstructure and properties of high-silicon aluminum alloy
Yang Fuliang, Yi Danqing, Gan Weiping, Chen Zhaoke (School of M aterial Science and Engineering , Central South U niversity , Changsha 410083 , China)
表 3 高硅铝合金材料抗拉强度
编号
I II III IV
370 ℃ 239 210 196 176
抗拉强度/ M Pa
430 ℃
4 32
粉末冶金技术 2005 年 12 月
于 Si 相颗粒硬度高 , 加剧了模具的磨损 , 故一般采 用塑性较好的材料(如纯铝)做包套封装[ 3 , 4] 。
目前 , 国内外已有人利用喷射沉积粉末冶金技 术制备出了 Si 的质量分数 <30 %的过共晶高硅铝 合金的二元或多元合金 , 且主要集中在 Al-Si-Cu-Mg 多元耐磨合金或高强耐磨合金的研究上[ 5 ～ 7] , 但至 今未见更高 Si 含量的二元高硅铝合金制备技术的 报道 。 本试验采用快速凝固/ 粉末冶金工艺制备了 Si 的质量分数分别为 30 %和 40 %的过共晶高硅铝 合金材料 , 并分析比较了在不同热挤压温度下合金 材料的组织形貌 、力学性能及拉伸试样的断裂行为 。
Abstract :High-silicon aluminum alloy is a widely applied material possessing low density , low thermal expansio n coefficient , and high thermal conductivity.In this study , Al-30Si and Al-40Si hypereutectic high-silicon aluminum alloy were fabricated with a metho d in which air-atomization w as follo wed by vacuum canning hot-ex trusion process. Effect of ex trusion temperature on microstructure and proper ties w as discussed by means o f optical microscopy , SEM fracture surface analy sis , and tensile strength testing.Experimental results indicate that , silicon cry stal is fine and evenly distributed in the matrix , its par ticle size increases with the increase of ex trusio n temperature-grain g row th is no t obvious in 370℃ ～ 490 ℃ temperature range. T ensile streng th decreases with the increase of ex trusio n temperature, silicon content and particle size of starting powder. T he fracture mo de o f the ma terial changes
2 试验
材料制备工艺流程如图 1 所示 。
雾化制粉 ※ 过筛 ※ 真空包套 ※ 热挤压 ※ 制样 ※ 性能测试 图 1 高硅铝合金材料制备工艺
2.1 粉末制备
Al-Si 合金经配料后 , 在感应炉内加热熔化 、精
炼和脱气 , 金属液流经漏嘴流入喷雾装置中 , 被高压
气体雾化后 的金属液 滴直接喷 入距离喷嘴 约
将热挤压后的挤压棒车去铝包套并机加工成各 种规格的检测样品 。 采用 EOPHAT 金相显微镜对 材料进行显微组织观察 ;用电子万能拉伸试验机对 材料进行抗拉强度检测 ;在 KYKY-2800 型扫描电 镜上对拉伸试样断口进行扫描 。
3 结果分析及讨论
3.1 温度对材料微观组织的影响 图 2 为同一成分的材料经不同温度挤压后的室
摘 要 : 针对应用广泛的低密度 、低膨胀 、高热导 、高比强的高硅 铝合金 , 采用空气雾化水冷与真空包套热挤 压工艺相结合的方法 , 制备了 Al-30Si 与 Al-40Si 过共晶高硅铝合金材料 , 并通过金相 微观组织分析 、力学性能 检测及拉伸试样断口扫描 , 研究了不同热挤压温度对合金 的组织形 貌与性能的 影响 。 结果表 明 :所制 备的高 硅铝合金材料组织十分细小且 Si 相均匀弥散分布 , 随着挤压温度的 升高 , 硅相晶粒增大 , 挤压温度在 370℃～ 490℃范围内 , 硅晶粒长大不十分明显 , 但超过此温度区间有一 个明显长大 的过程 ;抗拉强度 随挤压温 度的升 高 、合金中 Si 含量的增加及原始粉末粒度的增大而下 降 ;随 着挤压 温度的 升高 , 合金材 料的断 裂方式 由韧性 断裂方式过渡到韧性与脆性共存的混合断裂方 式 。 关键词 :快速凝固 ;真空包套 ;热挤压 ;Al-Si 合金
喷腔类型 环缝式
试验按要求配制了 Si 的质量分数分别为 30 %
和 40 %的两种合金(化学成分如表 2 所示)。 利用
空气雾化 -水冷法 , 将其制备成粉末 , 并对两种成分
的合金粉末分别进行 ≤150μm 和 ≤75μm 的筛分处
理 , 得到四种不同类型的粉末 , 其具体编号及组成见
表 2。