铝硅合金细化处理的研究进展
铝合金细化剂的研究现状及其中共晶硅的变质研究现状
铝合金细化剂的研究现状及其中共晶硅的变质研究现状目前人们已经对铝合金有了较多的认识甚至是较深入的了解，通常人们为了提高铝合金的力学性能，通常要对铸铝中的初生硅相经行处理，晶粒细化剂是铝合金生产中常用的添加剂之一能显著提高铝合金的力学性能和机械加工性能对铝合金的生产具有十分重要的意义。
根据Hall-Petch公式可知材料的屈服强度和材料的晶粒大小成反比，细小的晶粒尺寸可以有效地提高材料的强度和韧性，同时改善合金的机械加工性能对于铝在各行业的应用均具有重要的意义。
目前，细化铝合金晶粒的方法主要包括以下4种方法：1、控制金属凝固时的冷却速度; 2、机械物理细化法包括机械振动机械搅拌等物理场细化法; 3、如电场磁场超声波处理等; 4、化学细化法,向合金中加入各种晶粒细化剂促进铝及合金的形核或抑制晶核长大。
在工业生产中细化晶粒尺寸最常用的方法是化学细化法即在熔融的铝液中加入晶粒细化剂起到异质形核的作用进而细化晶粒尺寸。
20世纪四五十年代，晶粒细化剂起源于英国的Cibula金属研究协会，这时的细化剂主要是Ti、B盐块剂。
20世纪60年代由于无芯感应炉的应用中间合金的生产及应用取得飞速发展相继出现了Al-Ti-B锭华夫锭等相关产品，20世纪70年代是铝合金晶粒细化剂Al-Ti-B丝有效提高了晶粒细化效果降低了细化剂的加入量，同时改善了TiB2在炉内的团聚现象。
在20世纪七八十年代晶粒细化剂生产工业的研究方向主要是通过改善Ti/B配比优化细化效果。
20世纪90年代细化剂的生产开始采用ISO9002为基准的技术措施大大提高了Al-Ti-B的细化效果，同时由于硼化物仍然存在一定的团聚现象，影响细化剂的使用效果，从而采用一定量的石墨代替细化剂中的B制得的Al-Ti-B中间合金不仅具有较好的细化效果同时避免了硼元素的团聚现象。
现在常用的细化剂有Al-Ti-B中间合金、Al-Ti-B-RE、Al-5Ti-1C中间合金。
目前工业生产中使用的晶粒细化剂主要为Al-Ti-B，这种细化剂制备工艺较为成熟质量日益提高具有较好的细化效果，但存在TiB2团聚等问题仍需要不断改进作为改善Al-Ti-B细化效果，作为改善Al-Ti-B细化效果的Al-Ti-C和Al-Ti-B-RE细化剂也逐渐进入铝合金生产企业的视野，但是Al-Ti-C的制备过程复杂成本较高在现有条件下并不适合大规模工业生产，而Al-Ti-B-RE中由于加入了RE 元素导致其细化机理和工艺复杂化。
Al—Si系合金铸态晶粒细化技术的研究进展
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？上大《ActaMater》搞清楚了！铝硅合金晶粒难以细化的根源
上大《ActaMater》搞清楚了！铝硅合金晶粒难以细化的根源导读：细晶强化可同时提高合金强度和塑性，铸铝行业通过添加细化剂来提高铸件的品质和性能已成为常规工序。
然而，传统Al-5Ti-B细化剂易被硅元素毒化，使铸造Al-Si合金难以被有效细化，这是铸铝行业的老难题。
本文采用多尺度（Å~mm）的表征及计算手段，详细研究了Al-10Si/Al-5Ti-B铸锭中形核质点与铝基体间的界面特征，考察了凝固过程中细化相组成的演变规律，提出了与传统认识不同的新机理，即硅毒化的根源是溶质Si向TiB2颗粒表层的偏聚，并非硅化物的析出与包覆。
这为解决Al-Si合金细化难的工程问题奠定了理论基础。
Al-Si系合金是种类最多、使用量最大的一类铸造铝合金，被广泛用于制造汽车车身薄壁件、发动机部件、传动系统部件、复杂外形的散热器、油路管道等。
然而，若不做任何处理，Al-Si合金中粗大的α-Al树枝晶及大量脆性Al-Si共晶组织会极大削弱合金的强度与塑性。
通过添加含有形核质点的细化剂合金来调控凝固过程中α-Al的形核与长大，细化凝固组织来提高材料强度和塑性，已成为铸铝工业中的常规工序。
然而，Al-Si系合金至今仍是一类较难被细化的铝合金。
当Si浓度大于5 wt.%时，传统Al-Ti-B细化剂的细晶效能被显著削弱，该现象为硅毒化效应（Si poisoning effect）。
60多年来，人们始终未能弄清硅毒化效应的发生根源和机理，极大制约了新型抗毒化铝硅合金细晶剂的开发，限制了铸造铝硅合金强度和塑性的进一步提升。
上海大学李谦教授团队与通用汽车中国研究院胡斌博士、燕山大学聂安民教授合作，采用球差透射电镜表征Al-10Si/Al-5Ti-B铸锭中形核质点（TiB2）和α-Al间界面的原子结构与元素分布，首次发现了Si原子在TiB2/α-Al界面的偏聚现象。
结合相图热力学计算（CALPHAD）、第一性原理计算，详细评估了形核界面处硅化物形成的可能性，并深入考察了Si偏聚对形核基底原子有序性及α-Al外延形核难易程度的影响。
6班-铝硅合金的细化和变质处理实验报告
1．实验目的1)熟悉铸造铝硅合金的熔炼、精炼、细化和变质处理的过程；2)掌握铸造铝硅合金精炼、细化和编制处理的基本原理及方法；3)掌握细化剂和变质剂对铸造铝硅合金的影响。
2．实验内容1)对熔融的Al-7Si合金进行细化处理；2)对熔融的Al-7Si合金进行变质处理；3)在光学显微镜下观察，评价合金的细化和变质处理效果。
3．实验原理3.1 铝硅合金晶粒细化技术及其机理铸造铝合金铸态时通常呈现三种不同的晶粒状态：等轴晶、柱状晶和枝状晶。
有目的地一直柱状晶和枝状晶生长，促进细小等轴晶形成，这种工艺过程就叫做晶粒细化处理。
晶粒细化是通过控制晶体的形核和长大来实现的。
细化处理的最基本原理是促进形核，抑制长大。
而形核质点主要有两种来源：一是包括快速凝固法、动力学方法和成分过冷法等的内生形核质点，二是向熔体中添加晶粒细化剂的外来形核质点。
目前，添加细化剂成为生产过程中最有效、最实用的方法。
对于铝硅合金，通常将细化元素Ti、B以中间合金的形式加入熔体来实现晶粒的细化。
3.2 铝硅合金变质处理技术及其机理铝硅合金中，由于Si相在自然生长条件下会长成块状或片状的脆性相，严重的割裂基体，降低合金的强度和塑性，因而必须采用变质处理工艺，使共晶硅形貌发生变化，提高合金性能。
4．实验步骤1)在两个Al2O3坩埚中分别加入1000g的铝硅合金原料，在电阻炉中升温至720℃，溶化后保温1小时以促进成分的均匀化；2)对精炼处理后的Al-7Si合金教主一组试样；3)向一个坩埚中加入0.03%的B进行晶粒细化处理；4)向另一个坩埚中加入0.03%的Sr进行变质处理；5)1-2人为一组，每个20-30分钟以组为单位浇注试样，为充分观察细化和变质处理的孕育期和衰退期，应至少浇注4组试样；6)对各组试样进行处理，在光学显微镜下观察，评价合金的变质效果，观察晶粒尺寸。
5．实验结果分析5.1 晶粒细化效果分析将实验分成三个实验组，第1组为未加细化剂处理的原料铸型，第2组为加入细化剂处理20min后的原料铸型，第3组为加入细化剂处理40min后的原料铸型。
铝硅系铸造铝合金的晶粒细化处理
( a) 细化前 ; ( b) 加 0. 2w t % 细化剂 ; ( c) 加 0 . 4w t % 细化剂
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晶粒细化后晶粒边界增大。晶界处有大量晶体 缺陷, 如位错和空位, 晶体点阵有严重畸变 , 合金中难
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第 11 期 11 月
V o l 35 N o 11
H EAT TREATMENT OF METALS
N ov e mber 2010
铝硅系铸造铝合金的晶粒细化处理
邱亚东 (中航工业贵阳航空电机有限公司 技术部 , 贵州 贵阳
纤维状 , A l晶粒数量明显增多 , 且显著细化 ; 合金力 学性能 获得显 著提 高 , 抗拉强 度
细化铸造铝合金的晶粒对提高其力学性能, 延长 铸件使用寿命十分重要。用冶金合金化方法细化晶粒 经济、 简便、 实用。往熔融合金中添加高熔点金属或非 金属及其化合物粒子能促使增加结晶凝固时 的形核 率 , 从而使晶粒细化。本项研究着重探讨添加氟硼酸 钾和氟钛酸钾细化铝合金晶粒的效果。
表 1 反应形成的硼 、 钛、 铝化合物的点阵常数 [ 2] Tab le 1 Lattice constan t of B, T i and A l compound[ 2]
析 , 铸锭试样进行金相分析、 拉伸试验。细化剂加入量 ( 质量分数, 下同 ) 分别为 0. 2 %和 0 . 4% 。图 1 所示为 细化处理前和处理后铸锭的显微组织。由图 1 可以看
铝硅合金细化处理的研究进展
图 2 喷射沉积 A-l 25S i合金铸态金相组织
图 1 Na变质正常的铸态金相组织
2 喷射成形
喷射成形法是利用高速高压的惰性气体将液态金 属雾化成不同尺寸的熔滴, 并随雾化气体高速飞出雾 化区, 随后熔滴被一基板截断, 并在基板上沉积, 凝固 成结合良好的接近完全致密的坯件, 也称为喷射沉积 技术 [ 9] 。喷射成形工艺包含两个过程, 一是将合金液 雾化成细小液滴, 小液滴在高速飞行过程中与气体发 生对流和辐射散热, 获得一定的过冷度或发生凝固; 二 是金属液滴的沉积过程。合金液滴在到达沉积端面时 大部分处于半固态并具有较大的动能, 它们会与基板 发生碰撞、扩展和快速凝固, 同时还发生了复杂的物理 和化学变化。这个过程是喷射成形技术中最关键的部 分, 直接导致沉积坯特殊的组织与近终形的优势 [ 10] 。
图 3 电磁铸造加 P+ S r变质处理的铸态金相组织
3. 2 超声波处理 超声波处理是一种新型的熔体处理方法, 通过对
熔体进行超声波处理, 液体金属受到周期性交变声场 的作用, 产生空化效应和声流效应, 两者共同作用能够 显著地改善合金的凝固组织, 细化晶粒, 提高合金化学 成 分的 均 匀 性, 同时 还 能 清 除 熔体 中 的 气 体 和 杂
3 熔体处理
用电磁搅拌和超声波处理技术的方法, 通过对合 金熔体作用, 来改变初晶 S,i 从而有效地提高铝硅合金 的性能是目前铝合金铸造方面的研究热点。
3. 1 电磁搅拌 将电磁场引入铝硅合金铸造过程, 通过特定的物
理效应, 借助静磁场对旋转金属熔体产生的电磁搅拌 作用来改善凝固组织, 控制偏析来改善铸坯质量, 实现 材料组织与性能的改善及工艺过程的优化。
V ives尝试了利用交流电流和静磁场产生的电磁 振动来细化铝硅等铝合金的凝固组织, 并提出在铝合 金的连续铸造过程中, 采用交流和直流磁场共同作用 来控制铝合金的凝固组织的设想。 Rad ja i等研究了强 磁场和交流电流产生的电磁振动对亚共晶和过共晶铝 硅合金的细化效果。文献 [ 13]报道称, 对过共晶 A -l S i 合金进行电磁搅拌后, 针状或多边形状初晶 S i变得细 小、圆整, 且分布均匀, 针状及条状第二相发生断裂, 长 度减小, 形状圆整而细小, 分布也趋于均匀, 合金的力 学性能也有很大提高。通过研究发现, 对 A -l 17. 5S i合 金来说, 电磁搅拌最佳效果是在搅拌电压为 50 V 的条 件下, 合金力学性能最好。文献 [ 14] 研究表明, 采用 620 电磁搅拌与 P + Sr变质结合的方法, 使初晶硅有 板片状变成 A -l S i共晶组织 ( 如图 3所示 )。
不同成分铝硅合金熔体混合对初生硅相细化的研究_叶春生
研究与开发收稿日期:2001-07-18收到初稿,2001-11-07收到修订稿。
作者简介:叶春生(1970-),男,江苏泰兴人,硕士,主要研究方向是注塑模具结构设计和CNC 编程。
不同成分铝硅合金熔体混合对初生硅相细化的研究叶春生1,宋俊杰2,张新平3,潘 冶4(11康佳集团股份有限公司,广东深圳518053;21洛阳自来水公司洛南水源,河南洛阳471023;31吉林大学南岭校区材料科学与工程学院,吉林长春130025;41东南大学机械工程系,江苏南京210096)摘要:研究了高温过共晶A-l Si 合金熔体和低温亚共晶A-l Si 合金熔体混合后对微观组织的影响。
结果表明:熔体混合并迅速搅拌后的初晶硅大大细化,在2min 内浇注,可以获得分布均匀且尺寸小于25L m 的初晶硅;随着熔体保持时间的延长,初晶硅的尺寸有增大的趋势。
探讨了对硅相的细化机理。
关键词:过共晶A-l Si 合金;熔体混合;硅相细化;保持时间中图分类号:T G113112 文献标识码:A 文章编号:1001-4977(2002)03-0145-03Investigation on Refining Granules of Prim ary Si Phase byMelt Mixing with Different Components of A -l Si AlloysYE Chun -sheng 1,SON G Ju n -jie 2,ZH AN G Xin -ping 3,PAN Ye 4(11Kon ka Group Co.Ltd.,Shenzhen 518053,Guangdong,China;21Luoyan g water supply compan y (Luonan fou ntain),Luoyang 471023,Henan,China;31College of Materials Science an dEngineering,Jilin U niversity (Nanling Campus),C han gchu n 130025,Jilin ,Chin a;41Departm ent of Mechanical Engineering,Southeast University,N anjin g 210096,Jiangsu,China)Abstract:Effect of melt treatment by m ixing the high tem perature hypereutectic A -l Si alloy melt and thelow tem perature hypoeutectic A -l Si alloy m elt on microstructure is investigated in this paper.It is fou ndthat primary Si granules have been greatly refin ed in the optimum m elt mixing condition.Primary Si part-icle size is reduced to 25L m poured in two min utes,the alloy microstructure has been obviously improved.With the exten ding of holding tim es,Primary Si particle size has a tendency of grain growing.The mecha -nism of refinin g gran ules of prim ary Si phase is also studied.Keywords:hypereutectic A-l Si alloy;melt mixing;refin ing of si phase;holding time 过共晶A-l Si 合金的导热性好,热膨胀系数小,尺寸稳定性和耐磨耐蚀性好,有足够的高温强度和弹性模量,是制造汽车发动机活塞的理想材料,日本已应用在载重汽车和小轿车上,有逐渐取代灰铸铁的趋势112。
过共晶铝硅合金中硅相细化的研究进展
过共晶铝硅合金中硅相细化的研究进展
董天顺;马庆亮;付彬国;李晶琨;李国禄;陆鹏炜
【期刊名称】《热加工工艺》
【年(卷),期】2024(53)3
【摘要】过共晶铝硅合金因其耐磨性能良好而受到关注,但组织中含有粗大的初晶硅和针状的共晶硅,限制了其进一步广泛使用。
本文综述了当前过共晶铝硅合金中硅相细化的一些方法,如合金化、变质处理和改进制备工艺等。
其中重点介绍了合金化对过共晶铝硅合金中组织的作用;然后对各种变质剂的细化效果进行了对比分析;并讨论了改进制备工艺对硅相尺寸和形貌的影响;最后指出未来的研究方向应集中开发出适用于广泛使用的新型复合变质剂,并通过变质和改进制备工艺相结合,获得性能更加优异的过共晶铝硅合金。
【总页数】7页(P1-6)
【作者】董天顺;马庆亮;付彬国;李晶琨;李国禄;陆鹏炜
【作者单位】河北工业大学材料科学与工程学院;河北省新型功能材料重点实验室【正文语种】中文
【中图分类】TG243;TG292
【相关文献】
1.过共晶铝硅合金中初生相细化的研究进展
2.钠盐变质铝硅合金中的共晶硅相
3.过共晶铝硅合金中初晶硅复合异质形核的研究
4.过共晶铝硅合金中铝硅共晶相取向关系
5.过共晶铝硅合金中初晶硅的变质机理探讨
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除 了存 在 Ａ—ｉ 晶组 织 之外 ， 会 形 成 粗 大 的多 边 ｌ 共 ｓ 还
形 片状 初 晶硅 。初 晶硅 的存在会 使合金 的机 械加工 性 能与力 学性能 降低 。因此 ， 何 改 变铝 硅 合金 中初 晶 如
献［ ］ １ 研究 了 Ｓ— 间合 金 对 Ａ．４ Ｓ 合 金 的变 质 ｉ Ｐ中 Ｉ ％ ｉ ２
．
铝 硅合金 具有 密 度小 、 膨 胀 系数 小 和 耐磨 性 好 热 的特 点 ， 因此 此类合 金 在 生产 耐 磨 性要 求 高 的工 件 上 得到 了广泛 的应用 。但 是 ， 在传 统 的铸 造工 艺条件 下 ， 随着 ｓ 含量 的 不 断增 加 ， 硅 合 金 在其 凝 固过 程 中， ｉ 铝
Ｎ 和 Ｓ， ａ ｒ合金 中含 ｓ 量越 大 ， ｂ的加 入量 越 大 ，ｂ加 ｉ Ｓ Ｓ 入量 过多 时 ， 出现 过变 质 组 织 ， 会 使初 晶硅 逐渐 变 粗 。 Ｋ 比 Ｎ 具 有更 强 的变质 效果 ， 是变质有 效 时间仍然 ａ 但 比较偏 短 ， 而且对 熔 炼设 备 也 有 一定 的腐 蚀作 用 。文
硅 的尺 寸形貌 ， 高合金 的性能 ， 为铝硅合 金研究 的 提 成
重点工 作 。本 文 系统介 绍 了各 种铝硅 合金 制造过 程 中
初 晶硅 细化 方法 。
１ 变 质 处 理
铝 硅合金 中的共 晶体及其 初 晶硅 的变 质机理研 究
是世 界各 国铝合金 材料 工作者 的一个 重要课 题 。变质
第 ３ 卷第 ２期 １ ２１ ０ １年 ０ Ｌ ４月
矿 冶 工 程
Ｍ Ｉ ＮＧ ＮＩ ＡＮＤ ＥＴＡＬＬＵＲＧＩ Ｍ ＣＡＬ ＥＮＧＩ ＮＥＥＲＩ ＮＧ
Ｖｏ ． １ № ２ Ｉ３ Ａｐ ｉ ２ １ ｒ ０ １ ｌ
铝 硅 合 金 细 化 处 理 的研 究 进 展①
刘 杰
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作用 。通过 变更加 料顺 序 的方 法 ， 加入 硅 之前 加 入 在
Ｓ— ｉ Ｐ中间合金使 其充分 溶解 ， 到最好 的变质 效果 ， 得 研 究发 现温度 是影 响变 质效 果 的最 重要 因素 ， 次是 添 其
加变 质剂 的量和 变质 时问 。稀 土在 铝及铝 合金 中应用 较早 的 国家 是德 国 。近年 来 ， 国内外 对 Ｒ Ｅ变 质 Ａ —ｉ ｌ Ｓ 合金 的研究 报道 较多 ， 土 的变质机 理较 为复杂 ， 稀 普遍 认 为的是稀 土元 素 的原 子 吸 附在 晶体 生 长 前沿 ， 阻碍
中 图分 类 号 ： Ｇ ４ Ｔ ２ 文献标识码 ： Ｂ 文 章 编 号 ： ２ ３— ０ ９ ２ １ ）２一Ｏ １ ０ ０５ ６ ９ （ ０ １ ０ １４— ３
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晶体 长大 。Ｓｉ Ｘ等人 研 究 了 Ｎ ｈ Ｗ ｄ对 Ａ— ％Ｓ 合 １０ ｉ ２
金 的变质处 理 ，ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ发现在熔 体 中添加 ０ ３ 的 Ｎ ．％ ｄ可 显著
（ 新疆 众 和股 份 有 限公 司 ， 疆 乌鲁 木 齐 ８ ０ １ ） 新 ３０ ３
摘
要： 系统介绍了铝硅 系合金 的细化处理方法 ， 包括变质处理法 、 喷射成形法 、 溶体处理法 、 斜板铸造技术 、 倾 大凝 固界面温度梯
度半连续铸造法等 。指出在铸造过程中加强冷却 能力 、 获得 高的凝 固界 面温度 梯度和界 面过冷 ， 以显著 细化铝硅合 金及其初 晶 可 硅尺寸 ， 从而获得 高性能铝硅合金 。 关键词 ：铝硅合金 ； 细化 ； 晶硅 初
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