毕业设计铸造方向.docx
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毕业设计铸造方向
摘要
随着社会的进步，制造业的飞速发展，材料又向着轻量化方向发展，以减轻自重、提高功率质量比，达到高速、高效、节能和减轻污染的目的。
通过研究的铸造铝硅合金，可将其视为可持续发展的材料之一。
本课题是要通过向铝硅合金溶液中添加纳米氧化铝粉体来改善铝硅合金的组织形态及其各方面性能。
本篇论文对添加氧化铝陶瓷粉体的ZL101金相组织、力学性能进行研究。
并进一步讨论了不同纳米陶瓷粉体加入量以及不同种类的氧化铝陶瓷粉体加入对ZL101的金相组织、力学性能的影响。
金相分析可知：
添加纳米氧化铝粉体后，并没有起到增加核心、缩短晶粒在液态中自由生长的时间和对晶粒的长大起到抑制作用，反而使合金的晶相组织晶粒粗化，使合金的性能发生改变。
力学性能试验可知：
ZL101中加入纳米氧化铝粉体后，与未加粉体的ZL101试样相比，抗拉强度下降，拉伸延伸率有所提高，布氏硬度有所提高。
关键词：
氧化铝瓷粉体；ZL101；金相组织；力学性能。
ABSTRACT
Alongwiththedevelopmentofthesociety,therapiddevelopmentofmanufacturingandmaterialdevelopmenttowardthelightweightdirection,inordertoreduceweight,improvepowerthanquality,achievehighspeed,highefficiency,energysavingandreducepollutionpurpose.Throughtheresearchofcastaluminumsiliconalloy,wecanregarditasoneofthesustainabledevelopmentofthematerial.Thistopicisthroughthesiliconaluminiumalloysolutiontoaddnanometeraluminapowdertoimprovealusilalloyoforganizationanditsvariousaspectsperformance.
Thepapersystemicallydiscussesthemicrostructure,mechanicalpropertyandbrinellhardnessoftheZL101whichisfixedwiththeporcelainpowderofalumina.Furtheritdiscussestheinfluencesonthezl101’smicrostructureandmechanicalpropertywhenaddedwithdifficultamountsofanddifferentkindofporcelainpowderofalumina.
Fromtheanalysisofthemicrostructurewecanknowthat:
Whenaddedthenanometeraluminapowder,ZL101’scoreincreases,andtheaddingshortensthegrainintheliquidfreedomgrowthtime,whichinturnplaystheroletocontrolthegrowthofthegrainandpromotestheorganizationrefinement,makesampleorganizationdistributionchange.
Fromtheexperimentofthemechanicalpropertieswecanknowthat:
ZL101withnanometeraluminapowder,whencomparedwiththeZL101withoutnanometeraluminapowder,dropsthetensilestrength,increasesthetensileelongationandincreasesthebrinellhardness.
Keywords:
porcelainpowderofalumina;ZL101;microstructure;mechanicalproperties
目录
第一章绪论1
1.1课题背景和研究意义1
1.2铝合金概述1
1.2.1铝合金的特性2
1.2.2铸造铝硅合金的分类2
1.2.3铝硅合金的应用3
1.2.4铝硅合金的应用前景5
1.3纳米陶瓷粉体6
1.3.1纳米陶瓷概述6
1.3.2氧化铝陶瓷粉体概述6
1.3.3纳米氧化铝陶瓷的发展与制备6
第二章试验材料与方法8
2.1试验材料8
2.2配料8
2.3熔炼工艺9
2.3.1熔炼工艺流程9
2.3.2浇注9
2.4金相试样制备10
2.5力学性能试验11
2.5.1拉伸试验11
2.5.2硬度检测12
第三章试验结果及分析13
3.1铸态ZL101金相13
3.1.1不同的变质剂对金相组织影响13
3.1.2不同种类的氧化铝粉体对铸态金相组织影响14
3.1.3不同的添加量对铸态金相组织影响15
3.1.4纳米氧化铝粉体对ZL101金相组织的影响15
3.2力学性能试验分析16
3.2.1不同粉体对力学性能影响分析16
3.2.2不同添加量对力学性能影响分析18
第四章结论21
谢辞22
参考文献23
第一章绪论
1.1课题背景和研究意义
随着高科技日新月异的飞速发展，现代制造材料的构成发生了较大变化,高密度材料使用比例下降，低密度材料使用比例上升。
轻金属材料应用范围不断扩大，向轻量化、高性能、多功能、环保、易成形、再生和省能源方向发展。
铝合金有良好力学性能、较高的比强度、比刚度和铸造性能；密度低（仅为钢的l/3），便于运输、安装和使用;热导率高,为123~170W/（m·K），是钢的4倍，可有效降低零部件冷却时间；导电性好，抗腐蚀性优良，成形性好，易回收再生；冷切削加工性能优良，切削速度是钢的5倍,，可显著缩短生产周期，提高工模具寿命，降低生产成本。
因此，铝合金广泛应用于航天航空、军工、造船、矿山冶金、汽车和机械制造等工业。
本课题是在前期理论和试验研究的基础上，将改性陶瓷粉体的强韧化技术应用于铸造铝合金中，并对不同的表面改性方法及不同种类的改性陶瓷粉体惊醒对铝合金组织及性能的影响进行分析探讨。
在铸造过程中，将不同种类的改性陶瓷粉体加入到铸造铝合金中，以期改善材料的组织形态，提高其性能，通过检测加入不同种类改性陶瓷粉体式样的金相组织和力学性能，研究改性陶瓷粉体对铸造铝合金组织及力学性能的影响。
1.2铝合金概述
铝合金是以铝为基的合金总称。
主要合金元素有铜、硅、镁、锌、锰，次要合金元素有镍、铁、钛、铬、锂等。
铝合金密度低，但比强度高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。
铝合金按加工方法可以分为变形铝合金和铸造铝合金。
变形铝合金又分为不可热处理强化型铝合金和可热处理强化型铝合金。
不可热处理强化型不能通过热处理来提高机械性能，只能通过冷加工变形来实现强化，它主要包括高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝以及防锈铝等。
可热处理强化型铝合金可以通过淬火和时效等热处理手段来提高机械性能，它可分为硬铝、锻铝、超硬铝和特殊铝合金等。
铝合金可以采用热处理获得良好的机械性能，物理性能和抗腐蚀性能。
铸造铝合金按化学成分可分为铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金和铝锌合金[1]。
铸造铝合金的力学性能不如变形铝合金，但铸造铝合金有良好的铸造性能，可以制成形状复杂的零件，不需要庞大的加工设备，并具有节约金属、降低成本、较少工时等优点，按成分中铝之外的主要元素硅、铜、镁、锌分为四大类变形铝合金有很好的力学性能，适合于变形加工。
按性能和实用特点不同，可以分为防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝四大类。
1.2.1铝合金的特性
1）密度小
铝及铝合金的密度接近2.7g／cm3,约为铁或铜的1/3。
2）强度高
铝及铝合金的强度高。
经过一定程度的冷加工可强化基体强度,部分牌号的铝合金还可以通过热处理进行强化处理。
3）导热导电性好
铝的导电导热性能仅次于银、铜和金。
4）耐蚀性好
铝的表面易自然生成一层致密牢固的Al2O3保护膜，能很好地保护基体不受腐蚀。
通过人工阳极氧化和着色，可获得良好铸造性能的铸造铝合金或加工塑性好的变形铝合金。
5）易加工
铝合金具有良好的铸造性能。
由于熔点较低（纯铝熔点为660.23℃，铝合金的浇注温度一般约在730～750℃左右），故可以提高铸件的内在质量，尺寸精度和表面光洁程度以及生产效率。
铝合金由于凝固潜热大，在重量相同条件下，铝液的凝固过程比铸钢和铸铁长得多，流动性良好，有利于铸造薄壁和结构复杂的铸件。
并且在添加一定的合金元素后，可获得良好铸造性能的铸造铝合金或加工塑性好的变形铝合金。
1.2.2铸造铝硅合金的分类
在这类合金中Si是主要合金化元素，Si改善合金的流动性，降低热裂倾向，减少疏松，提高气密性。
这类合金具有好的耐腐蚀性能和中等的机加工性能，具有中等的强度和硬度，但塑性较低。
按合金中的Si含量多少，该系合金可分为共晶铝硅合金（ZL102、YL102、ZL108、YL108和ZL109）、过共晶铝硅合金（ZL117和YL117）和亚共晶铝硅合金（其余合金）。
亚共晶铝硅合金中属Al-Si-Mg系的合金有ZL101、ZL101A、ZL104、YL104、ZL114A、ZL115和ZL116。
这类合金在成分上的主要区别是：
ZL104合金加入了Mn，ZL115合金加入了Zn，ZL116合金加入了Ti和Be，ZL101A和ZL114A合金是用高纯度的精铝作原材料，减少杂质含量。
这类合金具有良好的铸造性能，中等的力学性能和良好的抗腐蚀性能，在工业中应用广泛。
属于Al-Si-Cu系的合金有ZL105、ZL105A、ZL106、ZL110、ZL111、ZL107、YL112和YL113。
前五个合金含有Mg，后三个合金无Mg，但Cu含量偏高。
此外在ZL106和ZL111合金中还加入了少量的Mn和Ti。
ZL110合金的Cu含量高，Mg含量低。
Al-Si-Cu系合金具有良好的铸造性能，中等的力学性能，抗腐蚀性能与Al-Si-Mg系合金相比较差，YL112和YL113合金主要用作压铸合金，其他合金用于砂型铸造、金属型铸造和精密铸造等[2]。
ZL102是典型的二元共晶铝硅合金，合金中Si的质量分数为10%-13%，该合金具有优良的铸造性能，但力学性能和切削加工性能较差。
为了改善ZL102合金的室温和高温力学性能，加入一定量的Mg，Cu和Mn，成为ZL108合金，使热膨胀系数小，耐磨性能提高。
ZL109也是共晶铝硅合金，与ZL108合金相比，降低了Cu含量，提高了Mg含量，并且用Ni代替Mn，合金具有更好的耐热性。
ZL108和ZL109合金广泛地用做内燃机的活塞。
YL102和YL108主要用作压铸合金。
过共晶铝硅合金中Si的质量分数一般超过15%。
美国的390.0合金、德国的KS281合金和我国的YL117合金中Si的质量分数为18%左右；我国的ZL117合金、德国的KS280合金中Si的质量分数为21%左右；德国的KS282合金中Si的质量分数为24%左右。
这类合金随着Si含量的增加，密度减小，热膨胀系数降低，硬度、耐磨性和体积稳定性相应提高，主要用作活塞材料，其主要缺点是难于机加工，对刀具的要求严格。
1.2.3铝硅合金的应用
随着社会的进步，制造业的飞速发展，人类物质生活不断提高，出现了资源和能源逐渐枯竭，生存环境逐渐恶化的严重问题。
这要求使用可持续发展的材料。
另一方面，在节能、节材的要求下，材料又向着轻量化方向发展，以减轻自重、提高功率质量比，达到高速、高效、节能和减轻污染的目的。
通过研究的铸造铝硅合金，可将其视为可持续发展的材料之一。
其中过共晶铝硅合金的应用最为广泛。
因为从过共晶铝硅合金的性能来看：
它具有优异的低膨胀性能，有很高的耐磨性、耐蚀性、较小的比重和良好的导热性。
因此，它被广泛的应用于汽车、航天等领域。
在汽车工业方面，研究开发高性能的汽车材料成为汽车工业发展的一个重要课题，特别是关键零部件材料，如发动机活塞、转子等复杂铸件（见图1-1和图1-2）。
但是长期以来，困扰和限制过共晶铝硅合金应用的主要问题是这类合金的缺点：
脆性大，切削加工性差。
因为过共晶铝硅合金的显微组织由粗大板状多角形的初生硅和粗针状的共晶硅所组成。
粗大的初生硅作为硬质点可以提高合金耐磨性，但因其硬而脆，割裂基体严重，故使合金的力学性能降低，同时加工性能变差，加工时刀具易磨损，表面光洁度差。
经过一系列试验研究，复合变质后的过共晶铝硅合金布氏硬度明显提高，且随着含硅量的增加硬度也随着提高[3]。
而本课题则是要通过向铝硅合金溶液中添加纳米氧化铝粉体来改善铝硅合金的组织形态及其各方面性能。
图1-1铝硅合金复杂形状铸件
图1-2武器挂架
1.2.4铝硅合金的应用前景
随着中国融入全球经济环境进程的加快以及经济实力的快速崛起，中国已经成为全球最有活力的经济地区。
中国经济设施比较完善，产业发展比较成熟且劳动力成本较低，铝硅合金市场外向型发展特征明显，具有成为全球铝硅合金大国的比较优势。
同时，巨大的市场和中心地位引力将进一步吸引铝硅合金跨国公司向中国的转移。
2011年中国工业发展的内外环境好于2010年，但仍面临外需萎缩短期内难以改进的形势；投资拉动增长难以为继，政策效应趋于减弱；消费对经济增长带动性不够；产能过剩和淘汰落后问题凸显；国际竞争格局发生深刻变化，必须注重培育发展战略性新兴产业这五大困难和挑战。
作为铝硅合金行业，应当深刻认清国家经济发展的整体局势，从而对2011年及以后的发展做出明智的权衡与规划，避免在今后的道路中走更多弯路。
未来几年将是铝硅合金行业的高速震荡期，这种高速震荡带来的直接后果是导致目前铝硅合金品牌阵营中两极分化的趋势扩大。
研究报告通过对近年来铝硅合金行业价格走势分析，预计今后几年真正能够在市场上存活的铝硅合金企业没有现在这么多。
但铝硅合金行业的这种高速震荡将带来巨大的机会，震荡的结果将会使市场运作更加理性。
1.3纳米陶瓷粉体
1.3.1纳米陶瓷概述
纳米材料是指晶粒尺寸小于100nm的单晶体或多晶体，是介于宏观和微观之间的一种介观体[4]。
大约在1861年，随着胶体化学的建立，科学家提出并对直径为1~100nm的粒子进行研究；直到20世纪60年代科学家们才有意识地提出纳米粒子，并把纳米粒子作为研究对象来探索其中的奥秘。
在20世纪80年代末、90年代初掀起了纳米科技的热潮，1990年7月在美国巴尔的摩召开的全世界第一届纳米科学技术学术会议，标志着纳米热潮的到来。
纳米材料被认为是21世纪最有前途的材料[5~6]。
通过将纳米陶瓷粉体加入金属或合金溶液中以改善其组织形态，提高性能。
例如将改性纳米SiC粉体加入球墨铸铁中，能明显改善原球墨铸铁的组织，使石墨球尺寸减小，圆整度提高；铁素体含量增加，珠光体含量相对减少[7]。
1.3.2氧化铝陶瓷粉体概述
氧化铝陶瓷具有高强度、耐磨、耐腐蚀的特性，而且成本相对较低，是先进结构陶瓷材料中应用最为广泛的一种。
高纯氧化铝粉体是纯度在99.99%以上的超微细粉体，作为一种精细化工产品在国内外发展极为迅速。
高性能氧化铝粉体要求做到高纯、超细、较窄的粒径分布且无硬团聚。
1.3.3纳米氧化铝陶瓷的发展与制备
干压成型易于实现批量生产，是氧化铝陶瓷的重要成型方法之一。
干压成型要求粉体具有较好的流动性和较高堆积密度，而喷雾干燥是制备干压粉料最有效的方法[8]。
为保证浆料的流动性，传统喷雾造粒工艺的固相含量较低，因此喷雾干燥过程中颗粒尺寸收缩大，制得的粉体形状不规则，表面粗糙，而且存在空心等问题，直接影响后续的成型和烧结，进而影响陶瓷产品的性能。
另外，传统造粒工艺通常选用PVA做粘结剂，有研究表明[9]PVA在干燥过程中容易向颗粒表面偏聚形成硬壳，不利于成型，而且在烧结后容易残留碳，这也不利于致密烧结。
目前，生产高品质氧化铝透明陶瓷产品的高纯氧化铝粉体原料主要被国外公司所控制。
国内生产氧化铝粉体的单位很多但真正能批量生产高纯度且有一定市场份额的屈指可数。
近年来，国内虽在纯度及微量杂质元素的控制技术上实现了突破，但是还存在以下两个主要问题：
一是粉体批次稳定性相对较差；二是粉体粒度分布及团聚情况还没得到很好的解决。
针对以上问题开展了以下研究内容：
研究市售氧化铝粉体的处理技术，主要包括降低微量杂质的纯化技术和粒度分布调控与分散技术。
此外，尝试了采用改性处理的高纯度氧化铝粉体并结合不同的成型工艺来制备了陶瓷金卤灯用透明氧化铝管部件及透明氧化铝红外头罩材料。
取得的主要结果如下：
1）、采用氢气和氯气的混合气体，反应生成的HCl高温下能够有效降低A1203粉体中Fe、Na、K、Mg、Ca几种杂质元素的含量；2）、通过在国产高纯度氧化铝粉体中添加分散剂进行湿法研磨,能够显著改善粉体的团聚，得到具有较好的分散性能和类似球形的形貌，粒径呈单峰分布且中位粒径在1μm左右；3）、新乡氧化铝粉体添加少量氧化镁为烧结助剂，在1500℃低温烧结，得到相对密度为98%，平均抗弯强度达到545Mpa，晶粒尺寸为2-3μm的细晶高强氧化铝陶瓷；在1450℃/2h烧结，Al2O3/ZrO2复合材料的力学性能较好,抗弯强度为797MPa,其抗弯强度比此纯A12O3粉烧结的陶瓷提高了46%；4）、采用新乡粉体为原料,分别掺杂MgO、ZrO2、La2O3作为烧结助剂,都有助于降低烧结温度、提高透明氧化铝陶瓷的透过率,其中MgO、ZrO2的掺杂对晶粒的发育没有明显作用,而La2O3的掺杂有效地抑制了晶粒的异常长大，使陶瓷具有均一的显微结构。
5）、采用注浆成型工艺,经真空烧结成功制备了高光学质量的陶瓷金卤灯用一体化透明氧化铝陶瓷管和红外窗口用透明氧化铝头罩。
第二章试验材料与方法
2.1试验材料
ZL101作为主要成分，改性纳米氧化铝粉体作为添加剂。
Si的主要作用是提高铸造工艺性能和抗拉强度。
Mg的主要作用是与Si形成Mg2Si相，固溶处理是溶入α基体，实效时析出，使晶体点阵发生畸变，合金强化[10]。
实验用ZL101成分见表2-1。
表2-1ZL101主要成分
ZL101
成分
本次配比%
ρ/g.cm-3
Si
7
2.68
Mg
0.3
Al
92.7
2.2配料
试验用ZL101的的配料见表2-2。
表2-2配料表
现有材料
每千克配量/kg
本次实验/g
Al
0.747
995.413
Al-Si
含Si28%
0.25
319.75
Mg
0.003
3.837
2.3熔炼工艺
2.3.1熔炼工艺流程
（1）预热
将熔炼浇注能用到的工具放在炉子内预热，预热温度200℃，时间约半个小时。
预热的主要目的是使工具和模型干燥。
（2）扒渣与搅拌
当炉料在熔炉里充分融化，并且熔体温度达到熔炼温度时，即可扒除熔体表面漂浮的大氧化渣[11]。
扒渣是要求平稳，防止渣卷入金属液内，扒渣要彻底，因为浮渣的存在会增加金属液的含气量，并弄脏金属。
（3）加镁
扒渣后即可以向金属液中加入镁块，注意要将镁块向金属液中压进，待到镁块熔化，进行充分搅拌。
（4）加精炼剂
再加镁熔化并充分搅拌后，需要再次扒渣，然后加入精炼剂，本实验采用六氯乙烷（3.837g），用铝箔纸包住加入金属液，充分搅拌使去气完全。
精炼温度730~750℃,静置时间一到两分钟。
（5）加变质剂
ZL101属于亚共晶铝硅合金，硅含量为6.5%-7.5%,大于6%（本实验Si含量7.0%），因而在熔炼过程中需要进行变质处理。
将变质剂加入金属液内，充分搅拌，搅拌过程不宜过快。
本实验变质剂有两种一种是纯Na变质剂，一种是Na盐变质剂。
（6）加纳米氧化铝粉体
将称好的粉体用铝箔纸包裹好，加入金属液中，充分搅拌，使粉体均匀融入金属液中。
实验用粉体为经过改性的纳米氧化铝粉体，共三种，AC、AF、AZ。
其中AC经过Cu改性，AF为复合改性，AZ为Zn改性。
2.3.2浇注
浇注前需要先金属模型刷上涂料，涂料的作用主要有两方面，一是防止金属凝固是粘在模型上对模型有损伤并且取件的时候也不方便；二是起到耐高温的作用。
涂料的配制：
氧化锌粉末15g，水玻璃40g，混合以后搅拌均匀即可。
刷涂料时要从上往下刷，注意均匀度，涂料层不宜太厚，要适度。
浇注时将模具摆放好，夹紧，防止金属液漏出，浇注速度要快，使金属液冷却速度相同。
2.4金相试样制备
在用金相显微镜来检验和分析材料的显微组织时，需将所分析的材料制备成一定尺寸的试样，并经磨制、抛光与腐蚀工序，才能进行材料的组织观察和研究工作。
金相样品的制备过程包括如下步骤:
（1）磨制
为了保证磨面平整不产生塌边和弧度，磨削应遵循单方向向前推动时磨制，然后提起试样退回，在回程中不与砂纸接触。
磨制时，对试样的压力均匀适中，压力太小磨削效率低，太大则会增加磨粒与磨面间的滚动产生过深划痕。
此外，用力过大又会发热并造成试样表面变形层。
当新的磨痕盖过旧的磨痕，并且磨痕是平行的，就可以更换下一号的砂纸。
砂纸号数一般为120#、280#、01#、03#、05#、或120#、280#、02#、04#、06#号，粒度由粗到细。
更换砂纸时，不宜跳号过多，因为每号砂纸的切削能力是保证在短时间内将前面磨痕全部磨掉来分级的。
每换一次砂纸，试样应转动90°，使新磨痕方向与旧磨痕垂直，易于观察粗磨痕的逐渐消除情况，是能获得逐步磨光的正确信号。
磨好的标准是试样表面只有一个方向的轻微划痕。
注意：
磨光时应保证观察平面和底面之间尽量平行，最好不要磨出梯形或者其它不规则形状。
（2）抛光
目的是消除细磨留下的磨痕，获得光亮无痕的镜面。
方法有机械抛光、电解抛光、化学抛光和复合抛光等，最常用的是机械抛光。
试样在砂纸磨光之后，使用抛光机进行抛光，以得到类似镜面的表面。
抛光使用的抛光布表面不能太过粗糙，启动抛光机，将抛光布润湿，开始抛光。
抛光时，试样与抛光布接触的力应当适中，过重会把抛光面磨出新的划痕，但是如果太轻的话，抛光的效率会很低。
抛光方法如上，直到试样表面在低倍显微镜下观察不到划痕为止。
（3）腐蚀
经过抛光的样品，在显微镜下观察时，除非金属夹杂物、裂纹及磨痕等能看到外，只能看到光亮的磨面。
要看到组织必须进行腐蚀。
腐蚀的方法有多种，如化学腐蚀、电解腐蚀、恒电位腐蚀等，本试验是用化学腐蚀法。
侵蚀溶液：
实验所用腐蚀剂为：
0.5%氢氟酸水溶液
腐蚀试样。
首先，用酒精将试样上的污物冲洗干净，尤其是观察面，切忌用手触摸。
然后用滴管吸取0.5%氢氟酸水溶液，滴在抛光过的试样表面，腐蚀时间大概十秒，然后用水冲击试样表面（只需将溶液冲洗掉），用酒精棉擦洗观察面，然后用电吹风将观察面吹干。
将试样拿到低倍显微镜下进行观察，看试样表面组织是否清晰完整，是否
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