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本文以高硅铝合金Al-20Si为基体合金,以Al-Si-Fe为反应体系,采用熔体原位反应法,制备了耐热耐磨Al-Si-Fe/Al-20Si复合材料。利用金相显微镜、金相分析软件、扫描电镜、X射线衍射仪等多种现代分析手段,研究了三种不同变质剂(Mn、Sr、Y)及热处理对复合材料的微观组织,内生增强颗粒的大小、形貌和分布的影响,测试了复合材料的室温和高温力学性能、室温干滑动摩擦磨损性能,并进行了分析。
实验结果表明:反应温度为840℃,保温时间为20min时,反应基本完成,所制备的原位复合材料中包含两种颗粒增强相:Si、Al-Si-Fe金属间化合物(富铁相)。通常情况下富铁相倾向于以细针状生成。
不同变质剂作用下Al-Si-Fe系反应制备的复合材料组织分析表明:三种变质剂Mn、Sr、Y对增强颗粒富铁相均有良好的改善作用,其中Y变质效果最好。热处理前经过Y变质后的富铁相由细针状变为鱼骨状,尺寸为10μm左右。热处理后经过Y变质后的复台材料中富铁相得到进一步细化,由鱼骨状转变为短棒状或颗粒状,尺寸在5μm左右。
室温拉伸性能试验表明,复合材料中Y变质后的复合材料力学性能最好;其铸念下抗拉强度σb为166.7MPa,与基体相比提高了19.2%;热处理后其抗拉强度σb达到最大值为180MPa,与基体相比提高12.5%,其断裂方式是韧窝断裂加小部分准解理断裂,韧窝断裂特征较明显。Al-Si-Fe/Al-20Si复合材料的强化机制为:位错强化和弥散强化。
室温干滑动摩擦试验表明,热处理前未变质的复合材料耐磨性低于基体铝硅合金,经过变质后复合材料的耐磨性高于基体,其中Sr变质后复合材料的耐磨性能最高。热处理后基体铝硅合金和复合材料的耐磨性进一步提高,其中Y变质后复合材料的耐磨性最高(,)磨损面、亚表面和磨屑分析表明:室温干滑动摩擦条件下,复合材料的磨损行为受到富铁相和硅相的大小、形貌的影响;当富铁相的针状形貌转变为块状或颗粒状时,复合材料的磨损形式为微粘着磨损+磨粒磨损。
高温拉伸性能试验表明,热处理后基体和Y变质后复合材料的抗拉强度随温度的升高而降低,伸长率随温度的升高而增大;在同一温度下,复合材料的抗拉强度高于基体。当温度升高到300℃时,富铁相从基体中拔出,复合材料的断口出现明显的孔洞。高温下复合材料的强化机制依然为弥散强化、位错强化。