结题报告——铝硅合金的晶粒细化与组织变质处理-

铝硅合金的晶粒细化与组织变质处理结题报告

项目成员：朱荣升，黄泽华，黄文强

院（系）：材料科学与工程学院

【摘要】：晶粒细化是通过控制晶粒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。铝硅合金的变质处理使共晶硅由粗大的片状变成细小纤维状或层片状，从而改善合金性能。

【关键词】：铝硅合金、细化、硬度、金相图、锶、硼、钛。

引言：

铝硅合金具有优良的铸造性能，是铸造铝合金中品种最多、用量最大的合金。一般地，铸造铝硅合金中有α（Al）、共晶硅及初晶硅，其中α（Al）呈树枝状，共晶硅呈片状，初晶硅呈多角形状和板状。经过细化变质处理后的Al-Si合金具有良好的机械性能和切削加工性能，近年来，世界各国研究者就Al-Si合金基体细化元素，初晶硅和共晶硅的变质元素及其细化、变质机理方面的进行了深入研究，并对双重变质、复合变质进行了探索和研究。随着金屑型铸造和压铸工艺的发展，铝硅合金得到广泛应用。近年来，在铸造领域应用的铝合金，除了铝硅系列合金之外，还有铝锅系列、铝镁系列、铝锌系列和其他系列的铝合金。在这些系列的合金中，除了少数的二元合金外，大多数都是添加多种合金元素的多元合金。本项目主要内容为铝硅合金的晶粒细化处理。晶粒细化是通过控制晶粒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。

一、实验原理

本项目主要内容为铝硅合金的晶粒细化与组织变质处理。晶粒细化是通过控制晶粒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。铝硅合金的变质处理使共晶硅由粗大的片状变成细小纤维状或层片状，从而改善合金性能。

二、试验方法

2.1 试验合金的制备

第一步：试验合金在箱式电阻炉内用石墨坩埚进行熔制。原料为Al-7Si合金，设置一组对照组和三组实验组，实验组分别加入微量元素锶、硼、钛，所加微量元素的质量均为原料的百分之一，用不同的温度对其熔制并保温（见表1）

表1 微量元素含量及合金熔制时间、保温时间：

微量元素Sr B Ti

质量/g 0.1994 0.1769 0.1800

温度700℃-720℃700℃-720℃8500℃-900℃保温时间/h 2 2 3

第二步：将熔制好的试样用金相实验切割机进行切割处理；第三步：用不同型号的砂纸对切割好的试样进行初步抛光；第四步：用布氏硬度计测量其硬度，为了使实验结果更加准确，因此在每块试样上取两点测量其硬度，最后取平均值，记录数据（见表2）

表2 加入不同微量元素测得合金硬度：

合金成分Al-Si合金Al-Si合金+Sr Al-Si合金+B Al-Si合金+Ti

布氏硬度/HBW 33.8 39.75 33.0 33.7 未加入微量元素时，测得Al-Si合金的布氏硬度为33.8HBW；加入微量元素B后，布氏硬度变为33.0HBW，与对照组相比有少量下降；加入微量元素Sr后，硬度变为39.75HBW，相比对照组硬度有较大的增强；加入微量元素Ti后，布氏硬度变为33.7HBW，与对照组基本相同。得出结论，加入微量元素Sr有助于提高Ai-Si合金的硬度，改善合金的力学性能。

第五步：用金相实验镶嵌机将试样镶嵌成图1所示

图1 镶嵌好的试样

2.2 组织观察

第一步：将镶嵌好的试样用抛光机进行抛光处理；第二步：用含量为12%氢氧化钠溶液对试样进行腐蚀处理，腐蚀时间约为8-10s；第三步：将腐蚀好的试样用金相显微镜观察，得到金相图（如图2所示）

图2a Al-7Si合金金相图

图2b Al-7Si合金+B金相图

图2c Al-7Si合金+Sr金相图图2d Al-7Si合金+Ti金相图

与对照组相比较，加入微量元素B观察到的金相图其晶粒在一些区域出现集中现象，并且晶粒排列不均匀；加入微量元素Sr后，观察到的金相图其晶粒变小，境界增多，并且排列不均匀；加入微量元素Ti后，观察到的金相图其晶粒变小，而排列基本不变。所有试样的打磨方式均相同，是用不同型号的砂纸进行横纵呈90度角打磨，在金相图中观察到有不少划痕，可能是打磨次数不够，试样表面不够光滑所引起的。

三、分析总结

3.1硬度分析

由表3可知，对照组的布氏硬度为33.8HBW；加入B元素后布氏硬度为33.0HBW；加入Sr元素后布氏硬度为39.75HBW；加入Ti后布氏硬度为33.7HBW。

铝硅合金加入B、Ti后，合金的硬度变化较小，铝硅合金加入Sr后，材料可获得较高的硬度。得知，当在铝硅合金中加入不同的微量元素后，其硬度会发生不同的变化，说明添加加入微量元素提高了铝硅合金的力学性能。

3．2细化效果

铝硅合金的细化处理使共晶硅由粗大的片状变成细小层片状，合金的硬度、性能也发生了一定的改变，达到了预期效果。在Al-Si合金中加Sr不仅改变了共晶硅的形貌进而改善合金的强度；还使合金晶粒细化，增加合金的强度和塑性，锶变质效果好，用量小，且具有长效性，变质温度范围广，对冷却速度不敏感，不腐蚀工具，不污染环境。铝硅合金的晶粒细化会显著提高合金的强韧性、耐腐蚀性和加工工艺性等。

参考文献

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