凝固条件对高硅铝合金组织的影响
铝硅合金固相线
铝硅合金固相线铝硅合金是一种重要的金属材料，在航空航天、汽车制造、机械制造等领域具有广泛的应用。
铝硅合金的性能与其组织结构密切相关，而固相线则是决定合金组织结构的关键因素之一。
因此，深入研究铝硅合金的固相线对于优化合金成分、控制组织结构、提高材料性能具有重要意义。
一、铝硅合金概述铝硅合金是以铝为基体，加入一定量的硅元素而形成的合金。
硅元素的加入可以显著提高铝合金的硬度、强度和耐磨性，同时降低其密度和热膨胀系数。
因此，铝硅合金具有优异的综合性能，被广泛应用于各种工业领域。
铝硅合金的性能与其组织结构密切相关。
在铝硅合金中，硅元素以固溶体或化合物的形式存在于铝基体中。
当合金成分一定时，其组织结构主要由凝固过程中的固相线决定。
固相线是指合金在凝固过程中，固相与液相平衡共存时的温度。
在固相线以下，合金完全凝固成为固相；在固相线以上，合金开始熔化成为液相。
因此，固相线是决定合金组织结构的关键因素之一。
二、铝硅合金固相线的影响因素铝硅合金的固相线受多种因素的影响，包括合金成分、温度、压力等。
下面分别对这些因素进行详细分析。
1.合金成分合金成分是影响铝硅合金固相线的最主要因素。
一般来说，硅含量越高，铝硅合金的固相线越低。
这是因为硅元素的加入可以降低铝基体的熔点，使得合金在较低的温度下就能开始凝固。
同时，硅元素还可以与铝元素形成化合物，这些化合物在凝固过程中会优先析出，从而影响合金的固相线。
除了硅元素外，铝硅合金中还可能含有其他元素，如铜、镁、锌等。
这些元素的加入也会对合金的固相线产生影响。
例如，铜元素的加入可以提高铝硅合金的固相线，而镁元素的加入则可以降低其固相线。
因此，在制备铝硅合金时，需要根据具体的应用需求选择合适的合金成分。
2.温度温度是影响铝硅合金固相线的另一个重要因素。
一般来说，温度越高，合金的固相线越低。
这是因为高温会使得合金中的原子振动加剧，从而降低原子之间的结合力，使得合金更容易熔化。
同时，高温还会使得合金中的溶质元素更容易扩散，从而影响合金的凝固过程和固相线。
定向凝固的进展对高纯铝偏析法提纯工艺的影响_张佼
Fig .3 A schematic of Fig .4 The purifi cati on technology
ref ini ng apparatus of f ractional crystalli-
of single direction soli dif icat ion by elect ri c
图 1 冷凝法提纯 图 2 3 层液电解精
示意图
炼槽示意图
Fig .1 A schematic of Fig .2 A schem atic of t hree
condensat ion met hod
layers refining met hod
了解 。 因为相场模型(P hase-field Model)可以避免跟 踪复杂固液界面的条件下模拟微观组织 , 在模拟枝晶 生长方面 , 相场方法比确定性方法和概率方法更具有 优势 。 William J .Boet tinger 和 James A .Warren 就利 用合金相场(alloy phase-f ield method)的方法[ 2] , 对接 近快速定向凝固绝对稳定极限的 2 元合金的微观结构 及溶质的分配做了模拟 , 晶体结构形态 , 见图 5 。随着 生长速度的增加 , 胞状晶的直径逐渐变细 , 直至产生平 界面生长形态 。 这种情况在文献[ 3] 中也有报道 。
铝提纯工业始于上世纪 30 年代 , 在 60 年代全世 界纯 度 >99 .95 %纯 铝产 量已 发展 到 3 万 t/ 年 , 到 1999 年产量达 50 万 t/ 年 , 其中纯度 >5 N(99 .999 %) 的高纯铝在其中占有相当大的比例 。高纯铝之所以能 得到快速发展 , 主要是因为它比原铝具有更好的导电 性 、延展性 、光反射性和抗酸腐蚀性等优良性能 , 尤其 是抗腐蚀性可比原铝提高约 9 倍 。 随着纯度的提高 , 铝导磁性越小 , 低温导电性也越好 。
影响铝合金性能的八大金属元素
影响铝合金性能的八大金属元素0影响了铝合金性能的八大元素有：钒、钙、铅、锡、铋、锑、铍及钠等金属元素，由于根据成品铝卷材的用途不一样在加工过程中所加入的元素这些杂质元素由于熔点高低不一，结构不同与铝形成的化合物也不同，因而对于铝合金性能的影响也不一样。
1、金属元素：铜元素的影响铜是重要的合金元素，有一定的固溶强化效果，此外时效析出的CuAl2有着显着的时效强化效果。
铝板中铜含量通常在2.5%-5%，铜含量在4%~6.8%时强化效果最好，所以大部门硬铝合金的含铜量处于这范围。
2、金属元素：硅元素的影响Al-Mg2Si合金系合金平衡相图富铝部门Mg2Si在铝中的最大溶解度为1.85%，且随温度的降低而减速小，变形铝合金中，硅单独加入铝板中只限于焊接材料，硅加入铝中亦有一定的强化作用。
3、金属元素：镁元素的影响镁对铝的强化是显着的，每增加1%镁，抗拉强度大约升高瞻远34MPa。
假如加入1%以下 的锰，可能增补强化作用。
因此加锰后可降低镁含量，同时可降低热裂倾向，另外锰还可以使Mg5Al8化合物平均沉淀，改善抗蚀性和焊接机能。
4、金属元素：锰元素的影响锰在固溶体中的最大溶解度为1.82%。
合金强度随溶解度增加不断增加，锰含量为0.8%时，延伸率达最大值。
Al-Mn合金长短时效硬化合金， 即不可热处理强化。
5、金属元素：锌元素的影响Al-Zn合金系平衡相图富铝部门275时锌在铝中的溶解度为31.6%，而在125时其溶解度则下降到5.6%。
锌单独加入铝中，在变形前提下对铝合金强度的进步十分有限，同时存在应力侵蚀开裂、倾向，因而限制了它的应用。
6、金属元素：铁和硅的影响铁在Al-Cu-Mg-Ni-Fe系锻铝合金中，硅在Al-Mg-Si系锻铝中和在Al-Si系焊条及铝硅锻造合金中，均作为合金元素加的，在基它铝合金 中，硅和铁是常见的杂质元素，对合金机能有显着的影响。
它们主要以FeCl3和游离硅存在。
在硅大于铁时，形成β-FeSiAl3(或Fe2Si2Al9)相，而铁大于硅时，形成α-Fe2SiAl8(或Fe3Si2Al12)。
变质剂对高硅铝合金标准样品组织均匀性的影响
的Al-Si合金表面张力及组织的研究
毕业设计（论文）含Si3%-8%的Al-Si合金表面张力及组织的研究学生姓名王培鑫学号 08070220专业班级冶金（2）班指导教师张胜全提交日期2012-6兰州理工大学技术工程学院摘要表面张力是液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界面上的张力。
液态合金表面张力是液态金属的重要参数之一，它是晶体生长、凝固过程模拟和铸造合金品质预测的关键因素，高温熔体表面现象在冶金、化工、熔盐和材料科学等领域十分普遍。
目前测量表面张力的方法有静态法和动态法。
根据实验条件和各种方法的特点，应用静滴法原理采用封闭管式炉两端通入氮气保护和金不被氧化的办法测出铝硅合金的表面张力，结合合金相图及硬度综合分析得出：铋即能细化铝合金组织又能够降低合金表面张力。
硅对合金组织细化和表面张力降低效果不明显。
组织细化和硅含量增加使铝合金硬度增加。
关键字：表面张力，铝硅合金，组织性能IABSTRACTThe surface tension is the tension of the liquid surface layer along the surface of molecular attraction is not balanced in any of the interface. The surface tension of the liquid alloy is one of the important parameters of the liquid metal, it is crystal growth, solidification simulation and a key factor in casting alloy quality forecast, high-temperature melt surface phenomenon is very common in areas such as metallurgy, chemicals, molten salt, and materials science. Static method and dynamic method for measuring surface tension. Under the experimental conditions and the characteristics of a variety of methods, application of intravenous infusion of the principle of the closed tube furnace at both ends into the protection of nitrogen and gold is not oxidized way to measure the surface tension of Al-Si alloy, combined with the alloy phase diagram and hardness analysis obtained: bismuth can refine aluminum alloy to reduce the surface tension. Silicon alloy microstructure refinement and surface tension reducing effect is not obvious. Microstructure refinement and silicon content aluminum alloy hardness increase.KEY WORDS：Surface tension,Al-Si alloys, microstructure and properties目录摘要 (Ⅰ)ABSTRATE (Ⅱ)1文献综述 (1)1.1引言 (1)1.2表面张力概述 (1)1.3测定高温熔体常用方法 (2)1.3.1动态法 (2)1.3.2静态法 (2)1.3.2.1最大气泡法 (2)1.3.2.2拉筒法 (3)1.3.2.3滴外形法 (5)1.3.2.4毛细管上升法 (7)1.4表面张力在各领域中的重要性 (8)1.4.1表面张力在铸造中的作用 (8)1.4.2表面张力在熔盐中的体现 (8)1.4.3表面张力在高温熔体中的体现 (8)1.4.4表面张力在高表面能固体中的体现 (8)1.4.5表面张力在液态金属中的体现 (9)1.5国内外研究现状 (9)1.5.1国内动态 (9)1.5.2国外动态 (10)1.6铝合金的分类﹑性能及用途 (10)1.6.1铝合金的分类与标示 (10)1.6.2铝合金的用途 (11)1.6.3铝合金的用途 (11)1.7金属元素对合金组织性能的影响 (11)1.7.1铋对铝硅合金稳定性的影响 (11)1.7.2铋对铝硅合金耐磨性的影响 (12)1.7.3铋对铝硅合金组织的影响 (12)1.7.4铋对锌铝合金性能的影响 (12)1.8展望 (12)2实验过程 (13)2.1实验准备 (13)2.1.1实验仪器 (13)2.1.2主要设备简介 (13)2.1.3实验材料 (14)2.2实验流程 (14)2.2.1实验流程 (14)2.2.2实验装置图 (14)2.2.3实验过程介绍 (14)3实验结果及讨论 (16)3.1实验原理 (16)3.2实验照片的处理方法 (16)3.2.1绘制与铝合金熔滴外形一致的椭圆曲线 (16)3.2.2铝合金熔滴水平截面特征数值和体积的获取 (17)3.2.3电脑处理铝合金熔滴照片实况记录 (18)3.3实验结果及分析 (19)3.3.1铝合金金相分析 (19)3.3.2铝合金硬度分析 (22)3.3.3铝合金表面张力分析 (23)4结论 (25)参考文献 (26)外文文献 (28)中文翻译 (42)致谢 (57)1文献综述1.1引言表面张力就是界面张力，通常将物体表面单位长度作用的力称为表面张力，它是合金熔化、熔体处理、凝固等过程中气相和固相、气相和液相、固相和液相的重要物理性质参数之一，是液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力。
织构对铝合金性能的影响
内蒙古科技大学本科生课程论文题目：织构对铝合金性能的影响学生姓名：张治国学号：200861107112专业：金属材料工程班级：材料2008-1班指导教师：孙浩织构对铝合金性能的影响摘要铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。
铝合金阳极已经发展到三元甚至更多元合金，而且所应用的范围也越来越广。
铝合金结构在一定条件下可以是比钢结构更好的选择，其具有轻质、可模性好、耐腐蚀等优点。
热处理制度决定着材料的微观组织, 而微观组织又决定着材料的力学性能。
晶界组织与过时效态的晶界组织相似, 使合金具备了高强度、高抗应力腐蚀开裂性和高抗剥落腐蚀性。
高强度铝合金中应用量最大和应用领域最广的仍然具有广阔的应用前景。
关键词：铝合金；结构；影响；组织Structural on the properties of aluminum alloy influenceAbstractAluminium alloy is the most widely used in industry of a class of non-ferrous metal structure material, in aviation, aerospace, automotive, machinery manufacturing, shipping and the chemical industry has a large application. Aluminum alloy anode has developed to three yuan even more Multiple alloy, and the application range of the more and more widely. Aluminum alloy structure in certain conditions can be a better choice than steel structure, its has the advantages of good, can die, corrosion resistance, etc. Heat treatment system dec ides the microstructure of materials, and microstructure and determines the mechanical properties of materials. Grain boundaries organization and a ageing state grain boundaries of the organization, alloy has the similar high strength, high stress corrosio n cracking resistant and corrosion of spalling.High-strength aluminum alloy in the largest and the most widely application field of still has the broad application prospect.Key words: Aluminum alloy,structure,influence ，organization，0.引言铝合金具有轻质、美观、可模性好、耐腐蚀、易于维护等特点，最早应用于航空工业，之后又成功地应用于铁道工业、汽车工业和船舶工业等众多产业。
高温空气氧化对高硅铝合金材料组织及物理性能的影响
第１ ８卷第 ２期
、ｏ ．８ ＮＯ ２ ， １ ． １
中 国 有 色 金 属 学 报
Ｔｈ ｉ ｅ ｅＪ ｕ ｎ ｌ ｆ ｎ ｅ ｒ ｕ ｅ ａ ｓ ｅＣｈ ｎ ｓ ｏ ｒ ａ ｏ Ｎｏ ｆ ｒ ｏ ｓ Ｍ ｔ ｌ
２０ 年 ２月 ０８
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高硅铝材料介绍-2018.04(简)
张春伟 铸鼎工大副总 15045069318
邢大伟 铸鼎工大总经理 哈工大材料学院研究员 13804603138
热膨胀匹配 机械稳定性 机械强度 各向同性 低密度 导热性好 机加性能好 可电镀性 可焊接性 真空密封性
高硅铝合金综合性能最优
综上所述，高硅铝合金作为第三代组件级的封装材料， 具有最好的综合优势。
与同为第三代组件级封装材料的碳化硅/铝相比,高硅 铝合金具有易于加工成型、良好的焊接和镀涂性能。而碳 化硅/铝材料在加工具有复杂结构的型腔时，几乎是不可能 完成的。
2、梯度高硅铝合金材料坯锭与壳体件 包括 (三层梯度27-38-50Si)— 代号TD50Si （三层梯度38Si-50Si-60Si）-- 代号TD60Si (三层梯度38-55-70Si) -- 代号TD70Si
3、平面梯度盖板、梯度板型件 27/50Si
目前已成功应用于电子封装方面的产品样品
热 膨 胀 系 数：7~17´ 10-6/K（可调）
导 热 率： ≥ 120W/m.K
密
度：2.4~2.6g/cm3
气密性满足国军标GJB548B-1014要求（<1.0 ´ 10-9Pa.m3/s）
镀层质量，满足国标GB/T 5270-2005
4、三代封装材料基本性能指标对比
几种常用封装材料性能指标
制备梯度材料目的：
27Si 38Si 50Si 38Si 27Si
兼顾高硅的低膨胀性 与低硅的良好焊接性
宏观有界限， 微观无界线
双面 梯度 试样
a)
b)
c)
d)
e)
30%Si
界面
40%Si
界面
Ø 随着梯度成分变化，在金相组织中，硅相含量逐渐增加
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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。
(a)图中初晶硅比(b)图中初晶硅明显细小,且初晶硅分布更加均匀。
2.3 Na盐变质的合金组织
从图3(a)、(b)中可以看出Na盐对冷却速度是十分敏感的,图3中(a)中初晶硅细小、形状圆滑;(b)图中初晶硅颗粒较大。
但仅从圆滑度来看,两种冷却速度的条件下,初晶硅颗粒都很圆滑,看不到针状共晶硅,这充分说明了钠盐优良的变质效果。
2.4 Sb变质的合金组织
从图4中(a)、(b)图可以看出,不同冷却速度对铝硅合金的影响是显著的。
(a)图中初晶硅呈规则的四边形,而(b)图中硅的形状呈花瓣形状,有的中间有共晶硅存在,这说明了当冷却速度慢时,初晶硅在结晶的时候相邻的初晶硅发生了合并,合并过程中有共晶组织填充了部分的区域,这就是我们看到的初晶硅中间存在的共晶组织。
对于共晶硅的影响,可以看到(a)、(b)图中的共晶硅都呈现针状,冷却速度慢的更甚。
2.5 稀土变质的合金组织
从图5中(a)、(b)可以看出,稀土变质的铝硅合金中初晶硅和共晶硅大小差别不大,说明了稀土变质的铝硅合金初晶硅对冷却速度不敏感。
3 合金组织的分析
虽然最后形成的组织形态与很多条件有关系,并且目前也有很多
相关的成形机理,但是通过对组织进行透射电镜观察,发现每一种变质剂条件下的组织,在它的衍射斑点中,都存在孪晶衍射斑点,这说明了在变质处理过程中,变质的机理在一定程度上与孪晶组织有着一定的关系,因此,可以从孪晶的角度出发,解释组织的成形机理。
图6是钠盐变质的初晶硅和共晶硅的衍射斑点图,在图6中,可以明显的看到,在某些衍射斑点的1/3处的位置,存在一些弱的斑点,这就是孪晶衍射斑点的特征。
由于有孪晶衍射斑点的存在,说明了变质条件下的生长机理可以用孪晶凹谷机制进行解释。
变质剂的富集和择优吸附对共晶硅和初晶硅都是有效的,都为孪晶凹谷机制,在共晶硅生长中硅的结晶前沿呈孪晶凹谷,加入变质剂后,变质剂原子因化学作用选择吸附而富集在孪晶凹谷处,阻滞了硅原子或硅原子四面体的生长速度,使孪晶凹谷生长机制受到抑制,从而导致硅相生长形态的变化。
由于孪晶凹谷被阻塞,硅相生长被迫改变方向,沿<100>、<110>、<112>等系列方向生长,同时也促使硅相发生高度分枝。
并且,变质原子并非全部封锁整个凹谷,而是优先吸附在凹谷内的位错、层错等缺陷处,分割了原来的片状结构,这就是共晶硅的生长过程。
初晶硅由于它的生长环境与共晶硅不同,造成了初晶硅生长过程的差别:(1)初晶硅直接从液相中析出,即使变质原子在固液界面前沿富集,硅原子扩散受到的束缚也较小,因此,初晶硅可以长到很大;(2)由于多重孪晶的作用,初晶硅进行各向同性生长,因此，变质初晶硅颗粒由多面体转变为圆滑的颗粒。
凝固条件对铜磷合金、Na盐、Sb和稀土变质效果的影响是不同
的,不同的凝固条件下,铜磷合金和Na盐变质下的金相组织发生了以下几点变化:(1)初晶硅的数量明显增多,这是因为在温度较低的条件下,液体中存在较多的异质核心,促进初晶硅的生长;(2)初晶硅尺寸减少很多,一方面在凝固条件较快的条件下,熔液内部会出现大量的异质核心即硅晶胚,这些晶核的存在,促进了初晶硅和共晶硅的形核;另一方面初晶硅的生长受到强烈的抑制,因为冷却速度快,初晶硅之间来不及发生合并的现象,这两方面的原因都导致成形的初晶硅细小;(3)初晶硅发生了球化现象,硅本来是小平面生长,但是在变质剂影响的条件下,小平面生长方向受到抑制,硅晶体转变为非小平面生长,并且较快的冷却速度会促进变质剂的变质效果,最后得到球化的初晶硅。
而对于变质效果一般的Sb和稀土变质下的金相组织,凝固条件仅仅改变组织的颗粒大小,而对于形状的改变很小。
因此,良好的变质效果是由变质剂决定的,凝固条件对于形成的组织只能起到促进作用。
4 结论
(1)不同变质剂受冷却速度的影响效果是不同的,铜磷合金、Na盐对冷却速度敏感;Sb元素变质下的组织在冷却速度逐步变大的条件下,硅相组织由花瓣状变为块状;稀土合金变质下的组织对冷却速度的变化不敏感。
(2)对初晶硅和共晶硅的变质机理进行了分析,无论是初晶硅还是共晶硅,可以从孪晶凹谷机制解释它的变质机理。
参考文献
[1] 陈文松.过共晶Al-Si合金性能和细化工艺概述[J].热加工工艺,1998(6):44-46.
[2] Wang deman,Zheng ziqiao etc.effect of microstructure and performance of hypereutectic Al-Si alloy by melt-casting[J].Light alloy fabrication technology,1995,23(9):9-12.
[3] 曾斌,罗佑新,刘奇元.过共晶铝硅合金中初晶硅的变质机理探讨[J].轻金属,2008(5):48-51.
[4] S.Liao,Y.Han.A study of heat parameters during bi-directional solidification science and technology of advanced materials[J].2001,2:281-284.
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