A390过共晶硅铝合金变质.docx
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A390过共晶硅铝合金变质
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中南大学硕士学位论文A390过共晶铝硅合金变质及热处理组织、性能研究姓名：
林家平申请学位级别：
硕士专业：
材料学指导教师：
肖于德20090619
中南人学硕上学位论文
摘要
摘要
采用铸锭冶金方法制备了添加ＡＩ一５Ｔｉ．２Ｂ、Ａ１．１０Ｓｒ、Ａ１．１０Ｌａ和Ｃｕ．１３Ｐ细化、变质处理的Ａ３９０过共晶铝硅合金，通过力学性能测试、硬度测试、热膨胀系数测试、耐磨性分析、金相分析、ＸＲＤ分析、ＳＥＭ、ＴＥＭ和ＥＤＳ等方法研究了细化、变质处理对Ａ３９０合金组织及性能变化的影响，并对其热处理制度进行了初步探讨。
研究结果表明：
（１）Ｐ、Ｐ＋Ｌａ、
Ｐ＋Ｌａ＋Ｓｒ及三联变质（Ｐ＋Ｌａ＋Ｓ什Ａ１．Ｔｉ．Ｂ）变质处理均可改
善Ａ３９０合金的铸态组织，其中，经三联变质处理后，初晶硅变得均匀细小，长针状的共晶硅变成短杆状或点蠕状，相对未变质合金，抗拉强度提高了３３．５％。
（２）经过三联变质处理的Ａ３９０合金的最优热处理工艺为５００。
Ｃ／４ｈ固溶，水
淬后１６５℃／１２ｈ时效。
（３）铸造Ａ３９０合金经细化、变质处理及热处理后，热膨胀系数减小，耐磨性得到改善，磨损率与摩擦系数都较未处理的合金要小。
经过热处理后的三联变质处理Ａ３９０合金具有优良的耐磨性能。
关键词：
Ａ３９０合金，变质处理，热处理工艺，耐磨性
ＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＤｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｏｆＭａｓｔｅｒＤｅｇｒｅｅ，ＣＳＵ
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
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ｏｆｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ
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ＳＥＭ，ＴＥＭ
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ＫＥＹ
ＷＯＲＤＳ：
Ａ３９０ａｌｌｏｙ，ｍｏｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｈｅａｔｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｗｅａｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ
原创性声明
本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。
与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。
作者签名：
丕盔盈墅
日期：
丑年』月卫日
学位论文版权使用授权书
本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：
学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。
同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并通过网络向社会公众提供信息服务。
作者签名：
』燃导师
期：
璋上月旦日
中南大学硕士学位论文
第一章文献综述
第一章文献综述
１．１引言
随着我国经济建设的飞速发展，资源和能源的高消耗问题成为人们日益关注的热点。
与此相对应，开发、应用低能耗的技术和产品也成为当今世界的发展趋势。
人们生活水平的提高和制造业的发展，对结构件及零部件材料提出了越来越高的要求。
以汽车空调压缩机的主要配件之一活塞为例，活塞是内燃机传递能量和介质的重要部件，它与活塞环、活塞销等零件组成活塞组，与气缸盖等共同组成燃烧室，承受燃气作用力并通过活塞销和连杆把动力传给曲轴，以完成内燃发动机的工作过程。
由于活塞处于一个高速、高压和高温的恶劣工作环境，又要考
虑到发动机的运行平稳及耐用，因此对活塞材料提出以下主要要求：
（１）具有高
的机械强度，尤其是应具有较高的高温强度；（２）具有小的热膨胀系数，以便使活塞和气缸间在各种工况下都能有合适的间隙，并减少机器运行的噪音；（３）吸热性要差，导热性要好，即具有良好的耐热性；（４）密度小，以减少活塞的质量及往复运动的惯性力；（５）具有良好的减摩性能与耐磨，耐蚀性能，以减少摩擦损失并延长使用寿命；（６）容易加工，成本低¨屹。
。
所以活塞材料的物理机械性能是影响活塞质量的主要因素。
早期活塞材料主要是灰铸铁。
铸铁活塞有较高的抗拉强度和耐磨性，热膨胀系数小，且价格便宜，但密度大、导热性差。
过去一段时间里，一些转速不高的柴油机上，主要考虑耐磨性和强度，并兼顾工艺性和价格，一般采用合金铸铁做
活塞材料。
铸钢与铸铁相比，钢的机械强度高、耐磨性好，但加工费事、密度大、
成本高，对缸套的磨损大，因此，很少全部用钢做活塞，而是在一些强化程度高的柴油机上，用耐热钢（如４０ＣｒＭｏ）做活塞的顶部或头部，而用铝合金做活塞裙部，构成所谓钢顶铝裙的组合式活塞。
铝合金的比重轻，比强度高，易成型，腐蚀性好等特点。
在承受同样载荷条件下采用铝合金制件，可以减轻结构的重量。
因此，铝合金作为典型的轻质金属材料已广泛应用于国外汽车工业中。
实际上就是利用铝合金的高比强以铝代钢。
但目前基本上还仅限于一些不动部件如车体汽缸散热器部件等。
对一些关键运动部件主要还是采用传统的铸铁钢以及烧结钢等铁合金，这主要是因为运动部件往往工作在高温高压高速运动滑动条件下，对材料的性能要求除了相当的强度之外，还需要有良好的耐热耐磨性及尺寸稳定性。
而以Ｓｉ为主加元素，辅助添加Ｃｕ、Ｍｇ等元素的Ａ１．Ｓｉ合金结合Ａｌ基体轻质导电导热性好以及Ｓｉ粒子热膨胀系数小、硬度高、耐磨的特点，有望满足上述要求。
因此人们长期以来对Ａ１．Ｓｉ
中南大学硕士学位论文
第一章文献综述
合金及其Ａ１．Ｓｉ系列合金进行了广泛的研究，以期以低成本获取具有轻质高强多
功能的Ａ１．ｓｉ合金，代替铁基材料制备发动机活塞的理想材料，应用前景十分广
阔‘引。
亚共晶和共晶Ａ１．Ｓｉ合金克服了Ａ１．Ｃｕ系合金热膨胀系数大、密度大的缺点，
已经广泛应用于汽车和摩托车活塞的生产上。
然而，该两类合金在实际应用中存在的致命问题是活塞尺寸稳定性差、抗咬合负载能力差，高温时产生体积的不可逆膨胀从而导致“咬缸”现象的发生，使得发动机无法正常工作。
由于上述在使用性能上不可避免的缺陷，亚共晶和共晶铝硅合金作为活塞材料的应用已经越来
越不能满足现代发动机高速轻量化的要求。
在共晶铝硅合金的基础上，提高Ｓｉ
含量得到高硅过共晶铝硅合金，合金的高温力学性能、耐磨性、尺寸稳定性和抗
咬合性能均有大幅度的提高。
因此，加强过共晶铝硅合金的研制对于提高活塞的
使用性能、满足不断提高的发动机性能的要求具有十分重要的学术和现实意义
［４－８】
１．２国内外研究现状及发展趋势
Ａ１．Ｓｉ系合金中Ｓｉ是主要合金化元素，Ｓｉ的熔点为１４１４℃，密度２．３４９／ｃｍ３，比铝轻，Ａ１．Ｓｉ合金在５７７℃发生共晶反应，生成含硅量为１２．６％的Ａ１．Ｓｉ共晶体。
在铝合金中加ｓｉ，能显著改善合金的流动性，降低合金的热膨胀系数，减少热裂
倾向，减轻合金比重，提高耐磨性、高温强度、刚度和疲劳强度，并且减少疏松，提高气密性。
按合金中Ｓｉ含量的多少，该系合金可分为三类：
亚共晶（Ｓｉ，８．１０％），共晶合金（Ｓｉ，１１．１３％）和过共晶合金（Ｓｉ，１４．２６％）铝硅合金。
共晶和亚共晶型铝硅合金具有较好的力学性能、铸造性能和切削性能，是
中小型内燃机活塞的首选材料，国内常用的该类合金以ＺＬｌ０８和ＺＬｌ０９为典型
代表。
目前该两类合金的制备工艺已趋十成熟，在实际生产中得到了广泛应用。
过共晶铝硅合金含硅高达１６．２６％，因而合金的比重更小、线膨胀系数更低、耐磨性和体积稳定性更高，是理想的活塞材料。
活塞是内燃机传递能量的重要条件。
活塞在高温、高压及高应力状态下在气缸内做往复运动。
活塞与气缸间应有良好的气密性，配缸间隙要小。
因此，要求活塞材料密度小、重量轻、导热性好、热膨胀系数低，尺寸稳定性及耐磨、耐蚀性好，有足够的高温强度和弹性模量。
现在，国外倾向于选用过共晶铝硅合金为活塞材料。
马自达汽车公司利用喷射沉积Ａ１．Ｓｉ．Ｆｅ—Ｃｕ－Ｍｇ合金制造的新型发动机转子蹭１，使发动机效率大幅度提高，
节油２０％。
１９９３年他们将这种发动机安装在ＥＮＵＯＳ８００和ＸＥＤＯＳ９新型轿车上投放口本、欧洲及北美市场。
雅马哈汽车制造公司生产的快速凝固高硅铝合金活塞投入市场，这种活塞与普通铸铁相比，重量减轻２０％，寿命提高３０％，而且
２
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第一章文献综述
显著的降低噪音，减少污染ｎ
０ｌ。
我国目前大部分活塞材料仍是共晶铝硅合金。
不过已有部分企业将过共晶铝
硅合金投入应用。
例如：
重庆建设机床厂熔炼的ＺＡＳ２３过共晶铝硅合金，生产ＪＳ５０
和ＣＹ８０摩托车活塞。
１９９４年该厂还用石墨型试制成功车用空调器压缩机过共
晶铝硅活塞：
成都内燃机配件厂的Ｇ８７．１过共晶铝硅合金变质有效时间长达３
小时，已批量生产６１２５ＺＱ镶圈活塞、中１２０依法活塞、４ＮＶＤ１２．５风冷机活塞、ＣＪ一５０及ＩＥ６４ＦＭ摩托车活塞，经装机运行取得良好效果；福建冶金工业研究所的ＦＹＺＬ．０３过共晶铝硅合金浇注的５１９５柴油机活塞，与ＺＬｌ０８活塞相比较，排
气温度降低了１０．２０℃，当负载大于２５％时燃油消耗率降低了１．９．６．８９／ｋＷ?
ｈｎ¨。
过共晶铝硅合金按含硅量多少大致可分为三组：
第一组含硅１４．１９％：
第二组
含硅２０．２３％；第三组含硅２４．２６％。
前两组合金有较好的使用性能，铸造性能尚可。
这两类合金目前应用较多，常见的有美国的Ａ３９０，３９３，日本的ＡＣ９Ｂ，俄国的ＡＫ２１，国产的Ａ１．１７Ｓｉ，Ａ１．１８Ｓｉ，７６—１和ＺＬｌ１７等等，合金的代号和成分如表１．１所示ｎ２’１３１表１．１国内外有代表性的过共晶Ａ１．Ｓｉ合金化学成分
第三组含硅２４．２６％的过共晶合金由于含硅量更高，合金的线膨胀系数更低、
耐磨性和耐蚀性更好，使用性能优于前两组合金，因而被用于高速发动机活塞。
但是，由于硅的加入导致合金的脆性变大、结晶温度范围宽、铸造性能差和难以
切削加工，这些不利因素限制了过共晶铝硅合金在更加广泛范围内的应用。
３
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第一章文献综述
上述过共晶铝硅合金由于硅的大量加入而产生的性能缺陷，是因为随着铝硅合金中硅含量的增加在超过硅的共晶点以后，组织中出现粗大的不规则块状初晶硅和长针状共晶硅。
这些硬且脆的硅相不仅严重割裂合金基体，在硅相尖端和棱角部位引起应力集中，明显降低合金的力学性能，尤其是合金塑性和耐磨性能；并且由于组织中的大块硅相作为硬质点存在于合金中，导致合金的切削性能恶
劣，不仅难以切削加工，还会引起刀具的大量磨损。
因此，探寻最大限度细化以至最终达到团球化合金中的初晶Ｓｉ相和Ａ１．Ｓｉ共晶相组织的工艺，是解决过共晶铝硅合金良好的使用性能和较差的加工性能之间矛后的必经途径，也是过共晶铝硅合金能够获得广泛的实际应用所必须解决的问题，这个问题也是当今世界各国研究者的研究热点。
１．３铝硅合金的组织和性能
１．３．１铝硅合金的组织Ａｌ—Ｓｉ二元合金相图（图１．２）表明，室温下仅形成Ⅱ和Ｂ两种相。
Ｑ相是Ｓｉ溶于Ａｌ中的固溶体，性能和纯铝相似。
在共晶温度５７７。
Ｃ时，Ｓｉ的最大溶解度是１．６５％，室温时只有Ｏ．０５％；１３是Ａ１溶于Ｓｉ的固溶体，其溶解度很小，可将Ｂ相看作纯Ｓｉ。
图１．２灿．Ｓｉ二元合金相图
二元亚共晶Ａｌ—Ｓｉ合金中，随含硅量的增加，合金的结晶温度范围不断变小，
４
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第一章文献综述
组织中共晶体的数量逐渐增加，合金流动性显著提高；硅相的增加提高了合金的抗拉强度。
但硅相在变质处理以前，一般呈片状分布，严重地割裂了基体，由于应力集中的结果，延伸率显著降低；二元过共晶砧一Ｓｉ合金中，当硅量在１３．１４％时，延伸率只有１％以下，抗拉强度也只有１００ＭＰａ。
变质处理后，抗拉强度可提高到１６０．１９０ＭＰａ，延伸率可达６．１２％。
含硅量大于１４％时，合金基体中有大量大块状的初晶硅析出，抗拉强度和延伸率都急剧下降，必须对初晶硅进行细化。
１．３．１．１五瓣星形状生长机制在过共晶Ａ１．Ｓｉ合金中，初晶硅可表现出不同的形态。
常见的有板状，五瓣
星形状和规则多面体ｎ４ｌ。
Ｋｏｂａｙａｓｈｉ和Ｈｅｌｌａｗｅｌｌ等分别研究了板状初晶硅的形
核过程。
五瓣星状初晶硅常出现在高硅过共晶Ａ１．Ｓｉ合金中，Ｋｏｂａｙａｓｈｉ等对这种初晶硅的结构分析表明，五瓣之间存在五重孪晶关系，分析提出它是由预存在于熔体中的四面体结合成十面体后发展而形成的。
在一般液态温度条件下，过共晶Ａ１．Ｓｉ合金熔体中存在Ｓｉ的富集区（或称Ｓｉ原子集团），是一种非均质的熔体，熔体中预存在的Ｓｉ原子集团势必对初晶硅的形核起作用。
微观非均匀的砧．Ｓｉ过共晶合金熔体中存在Ｓｉ原子集团，在接近析出点温度时，总体上说这些原子
集团是不会消失的。
因为在热力学上存在析出硅相的趋势。
它们的平均尺寸能进
一步增大，大的原子集团也可以认为是一种原子团族。
由于原子团族非常细小，表面能将对其存在形态起控制作用。
硅晶体具有小平面结构特征，不同晶面表面能不同，因此这些原子团族应是由能量最低的晶面组成，即｛１１１）晶面组成，对
于面心立方金刚石型硅晶｛１１１）晶面具有最简单的两种形态：
四面体和八面体。
实验表明，５００℃的液淬试样中存在八面体初晶硅，而这种形态不能由四面体发展形成，说明熔体中也能预存在八面体原子团族。
由于这些原子团族具有大的表面能，如果原子团族浓度较高，将会产生相互结合而降低能量的趋势，五瓣星状初晶硅就是由这些原子团族凝聚并形核而生长成的一种特殊形态的初晶硅。
１．３．１．２板片状生长机制Ａ．Ｊ．ＭｃＬＥＯＤ等认为硅晶体中多重孪晶的形成是由熔体中预存的四面体团聚
而产生的。
在此基础上，Ｋ．ＥＫｏｂａｙａｓｈｉ等初步探讨了板片状初晶硅的形成机理。
如图１．６（ａ）所示，两个四面体结合成八面体，中间的阴影表示为孪晶面。
在熔体中，初晶硅的晶胚是由两个四面体组成的。
如果熔体中的单个硅原子依附于初晶硅的晶胚表面并使其达到临界晶胚尺寸，形成具有最低能量的而晶面。
这样两个四面体的结合面便形成为孪晶面。
在接近熔体的液相线温度时，如果熔体中存在大量的初晶硅晶胚，那么这些晶胚也可以依附于外来衬底（如ＡｌＰ
Ｓ
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第一章文献综述
晶粒）或型壁形核并达到临界晶胚尺寸。
这种双四面体（八面体）体的外表面积并非
最小，如果八面体的上下两个顶部被削平（如图ｌ－６ｂ所示）变成密排的｛１１１）晶面，
则其外形更接近于球形而且其外表面积与体积的比率也将降低，同时这种晶胚也具有最低的表面能，见图１－６所示。
ｔｂ＇
ｆａ】
图ｌ－６初生硅的板片状生长机制‘吲
熔体中的其它四面体将吸附于其上下两个表面，形成新的孪晶面，这些新的
孪晶面平行原有的孪晶面（如图１．７所示）。
如果两个或更多孪晶面以这种方式，形成则为初生硅以ＴＰＩ还生长机制生长创造了条件。
晶体沿＜２１ｌ＞晶向的生长速度要快于沿（“１｝密排面的生长速度。
这种生长方式的结果将导致板片状初生硅的形成‘棚。
哩
ｓｅｃ跏
掣
图１．７多重孪晶的金刚石晶体的择优生长方式ｎ５３
１．３．２铝硅合金的性能
为了提高性能，还须加入Ｍｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、ＲＥ等元素。
铜和镍在于提高
耐热性，镁可改善合金室温与高温性能，锰能提高铝固溶体稳定性。
铝硅合金属
于小平面一非小平面合金，具有高熔化熵的Ｓｉ相生成小平面体，低熔化熵的Ａｌ
相生成非小平面体。
在常规铸造工艺下，过共晶铝硅合金凝固组织由初晶硅和（ＣＩ＋Ｓｉ）共晶体组成。
其中Ｑ．Ａ１呈树枝状，初晶硅为多角形块状和板状，共晶硅
６
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第一章文献综述
呈针状或片状ｕ６’悖１。
初晶硅与铝基体无任何共格界面，它的尺寸、形貌和分布对合金的性能影响很大，是关键的显微组织。
粗大的Ｓｉ相严重地割裂了基体，在硅相的尖端和棱角处引起应力集中，容易沿晶粒边界处或板状硅本身歼裂而形成
裂纹，使合金变脆，力学性能特别使伸长率显著降低，切削加工性能也变差。
硅
相显微硬度为ＨＶｌ０００～１４００，而铝的显微硬度为ＨＶ６０－－一１００，故是合金的软基
体上分布着很多硬质点，因此，过共晶铝硅合金是一种理想的耐磨材料啪’２¨。
１．３．２．１铸造性能陇１铝硅合金的枝晶不发达，结晶温度间隔较小，在凝固过程开始后的一段时间内合金液仍可流动，并且在固相线附近的温度下有较高的强度，因而其铸造性能良好。
过共晶铝硅合金析出初晶硅时放出大量结晶潜热，因而具有良好的流动性。
据测定，含硅量１７＂－－，２０％的铝硅合金的线收缩率在０．８，－－－１．２％之间。
随着硅含量的增加，结晶温度范围变大，合金的疏松倾向加大，合金的气密性降低，合金铸造工艺性能下降。
１．３．２．２机械性能过共晶铝硅合金中，含硅量愈高，初晶硅愈难细化，随着硅含量增加，初晶
硅晶粒数增加，这就使冲击值、抗拉强度、屈服强度和塑性都降低，同时抗拉强
度和冲击值又随晶粒直径的增大而降低。
合金经过合适的变质处理，可以获得满意的机械性能。
试验证明，在成分选择合适并经过变质处理的条件下，过共晶铝硅合金的高温强度可以超过共晶合金。
１．３．２．３物理性能在已知的铝合金中，过共晶铝硅合金具有最低的热膨胀系数，且热膨胀系数随硅量的增加而减小，随温度的升高而增大。
过共晶铝硅合金导热系数较高，约为灰铸铁的２～３倍。
对过共晶铝硅合金和共晶合金的物理性能进行了对比试验，和共晶合金相比，过共晶合金具有较高的弹性模量和较好的体积稳定性。
美国Ａ３９０过共晶铝硅合金的物理性能见表１．１。
７
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第一章文献综述
弹性模量ＫＮ／ｍｍ导热系数Ｗ／ｍｍ．Ｋ热膨胀系数１０－６Ｋ－Ｉ布氏硬度ＨＢ密度ｇ／ｃｍ３
跎
７ｌ
埘
钾
ｍ
９７１１．７７８～８５
２．７７２Ｏ
ｍ
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呲４０
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１．３．２．４耐磨性能
过共晶铝硅合金具有很好的耐磨性，而通过细化、变质处理及热处理后，合金的耐磨性进一步得到改善。
研究表明对耐磨性起主要作用的是硅元素，关于硅含量对耐磨性的影响是随着含硅量的增加合金的耐磨性提高，此外硅粒子的形状也会影响材料的耐磨性。
定量评价铝硅合金的耐磨性是很困难的，因为它除了与自身成分、组织有关外，还与对偶材料、滑行速度等磨损条件有关系。
为了既保持铝硅合金的固有优点，又使力学性能有大幅度的提高，近几十年来，各国铸造工作者研究并采用了不少行之有效的措施。
包括：
铝硅合金的细化、变质处理；减少铝硅合金中的有害杂质：
合金化；热处理工艺等。
其中细化、变质处理是提高铝硅合金综合性能的非常有效途径，合适的热处理工艺对改善和提高活塞性能也具有重要的作用。
１．４铝硅合金的熔炼工艺
铝硅合金的生产主要有电热还原法、电解法、熔配法三种方法：
Ｉ．４．１电热还原法
电热还原法生产铝硅合金是用合适的含铝矿物加还原剂，经配料、造球，在电热炉中还原获得粗铝硅合金，最后经精炼和成分调配，获得所需的铝硅合金。
该工艺俄罗斯一直处于领先地位。
我国从上世纪６０年代对该工艺进行试验研究，断断续续，到目前仍未过关，只能稳定生产含铝４０％左右的粗合金，可以用作炼钢脱氧剂，但提取铸造合金则因提取率太低而很不经济，目前仍不能成为我国铝
硅系合金生产的主体瞳引。
１．４．２电解法
中南大学硕士学位论文
第一章文献综述
电解法生产铝硅合金是利用铝矿中含有的硅和钛，除去铝土矿中铁等有害杂
质，经磨矿、锻烧、成分调配等，获得一种理化性能符合电解合金要求的硅钛氧
化铝的原料。
然后硅钦氧
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