论文部分内容阅读
富铁共晶铝硅合金是一种用再生铝制备的铝合金,具有铸造性能好、热膨胀系数小、耐磨性高等系列优点,已被广泛应用于铝合金压铸零部件生产。在传统铸造条件下,共晶铝硅合金的铁含量一旦超过0.9 wt.%,组织中就会出现粗大的针状铁相,降低合金的综合力学性能。再生铝中的铁元素含量偏高（>0.9 wt.%）,常常通过稀释或者除铁使铁含量达标,但同时增加了生产成本。铝合金中铁相变质技术可实现组织中粗大针状铁相形貌的改变,而不增加制造成本,成为了本研究领域的热点。本课题以Al-Si-Cu-Fe合金为研究对象,在不降低Fe含量的前提下,通过添加Ti、Sr、La、Mn微量元素,改善铝合金中富铁相的形态。采用光学显微镜、扫描电镜（SEM/EDS）、X射线衍射和热分析方法等测试手段,研究各微量元素对再生铝第二相组织结构的形貌影响进行了定量化分析。同时,通过变质方法控制铁相形态,研究了熔炼工艺对铝熔体中不同形态的Fe相静置沉降行为的影响。全文研究得到了如下主要结论:1、加入Al-Ti-C中间合金能有效细化Al-Si-Cu-Fe合金中的富铁相。添加量达到0.6wt.%时Fe相细化效果达到最佳,此时抗拉强度较基础合金提高了92%,延伸率提高了343%。综合力学性能的提升是由于Al-Ti-C中间合金加入后可在熔体中生成Al4C3粒子,并作为富铁相形核核心从而产生细化作用,同时铝合金中α-Al晶粒也得到明显细化。但是,当Al-Ti-C中间合金过量添加,富铁相再次以针状形式析出,细化效果衰退。2、基于最佳Al-Ti-C中间合金加入量,复合微添加量元素Sr和La,在合金中可形成Fe9LaSi4和SrSi2相,并进一步细化共晶Si、α-Al晶粒和β-Fe相。设定Sr和La元素的添加总量不超过0.12 wt.%,研究其按比例复合添加的组织效果,发现La加入量较高时,共晶Si变质效果更显著,而Sr加入量较高时,β-Fe相变质效果更显著。当Sr/La添加比增加,合金的二次枝晶臂间距（SDAS）降低,Sr/La=1:5时,SDAS平均值最小,由21.9μm下降到9.7μm,当Sr/La比为1:1时,针状β-Fe相的平均长度降低效果显著。3、在Ti、Sr、La复合添加基础上,进一步复合有助于Fe相变质的元素Mn。基于正交实验,系统地研究了四种元素对合金晶粒度、富铁相形貌和加权力学性能指标的影响。当以晶粒度为指标进行衡量,各元素对其影响的顺序为Sr>Ti>La>Mn,较佳的添加量为0.03 wt.%Ti、0.02 wt.%Sr、0.02 wt.%La和1.0 wt.%Mn。当以Fe相面积分数为指标进行衡量,各元素对其影响的顺序为Sr>La>Ti>Mn。较佳的添加量为0.03 wt.%Ti、0.10 wt.%Sr、0.02 wt.%La和1.0 wt.%Mn。当以力学性能加权综合评价为指标进行衡量时,各元素的影响顺序为Sr>Ti>La>Mn,较佳的添加量添加量为0.03 wt.%Ti、1.0 wt.%Sr、0.06 wt.%La和0.02 wt.%Mn。4、当复合添加Ti、Sr、La、Mn元素时,在铝熔体内部第二相的形成存在相互竞争效应,各主要合金元素会与特定微量添加元素形成合金相。其中,Sr元素与Si元素反应,形成SrSi2、Sr3Al2Si2化合物;La元素与Si和Fe元素反应,形成LaFe9Si4化合物,Ti元素则与Si和Fe元素反应形成FeSiTi化合物,Mn元素与Si和Fe元素反应形成Al9Fe0.84Mn2.16Si化合物。5、Sr元素的加入会使富铁相弥散化分布,同时能够改变材料共晶熔化的温度点,当Sr加入量为0.020.06 wt.%,Al-Si-Cu-Fe合金的共晶温度和α-Al的形核温度皆下降,其共晶反应时放出的热量也降低。过量Sr的加入则会提高初始α-Al的形核温度,共晶凝固过程放出的热量也增加,并直接导致合金固液相线间温度差增加,从而延长了铝熔体的凝固过程。6、变质对铁相沉降行为影响的研究表明,变质可以有效地提升铁相沉降速度,提高除铁效率。针状富铁相在铝熔体中仅依靠重力作用不易堆积于熔体底部,骨骼状和花瓣状的富铁相比小圆块富铁相在熔体底部堆积的更为致密。当富铁相为花瓣状、反应温度为700℃、静置时间为60 min时,富铁相在底部堆积较为致密。沉降后试样底部块状、汉字状或骨骼状富铁相平均长度较试样上部富铁相平均长度大很多,而试样上部各截面富铁相平均长度变化不大,证明块状、汉字状或骨骼状在铝熔体中的沉降符合stocks沉降规律。富铁相是否向下沉降取决于第二相特定的临界尺寸。本课题通过单独和复合添加多种微量元素细化了再生铝的组织（铝晶粒、共晶Si和粗大针状铁相）,并最终提高了该合金的综合力学性能,开发了多种改变合金微观形态的复合添加剂。此外,基于微观形貌变质控制,研究了铁相形态及熔炼工艺对铝熔体静置沉降行为影响的交互作用规律,提出了一种将改变富铁相形态和静置除铁过程同时进行的工艺方案,简化了铝工业的加工流程,为再生铝生产成本的降低提供了有价值的研究方案,对再生铝合金合金高效率除铁研究具有重要的理论借鉴意义。