合金元素对铝合金铸件组织和性能的影响.pdf

第6 2 卷第2 期 2010 年5 月 有色金属 N o n f e I T O U 8M e t a l s V 0 1 ．6 2 ．N 0 ．2 M a v20l0 合金元素对铝合金铸件组织和性能的影响 黄玉凤 常州纺织服装职业技术学院，江苏常州2 1 3 1 6 4 摘要在A 1 ．M g 合金中，分别加入不同含量的钪、锆和硅元素，严格控制铸造工艺过程，对试样进行力学拉伸试验，采用正 交实验方法分析抗拉强度，分析出相对较好的合金成分设计方案。并采用金相显微镜观察合金铸态组织结构，研究合金元素的影 响作用。 关键词金属材料；铸造铝合金；正交实验；力学性能；合金元素；金相组织 中图分类号T G l 4 6 ．2 1 ；T G l l 3 ．2 5文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 1 0 0 2 0 0 1 7 0 3 铸造铝合金为传统的金属材料，由于其密度小、 比强度高等特点，广泛地应用于航空、航天、汽车、机 械等各行业。随着现代工业及铸造新技术的发展， 对铸造铝合金需求量越来越大。以汽车工业为例， 由于要降低能耗，汽车需要减重，各国广泛地采用铝 等有色铸件代替钢铁铸件。到2 0 0 1 年，小汽车总重 量将降低为8 0 0 k g ，其中钢铁零部件为2 0 0 k g ，铝合 金零部件为2 7 5 k g ，镁合金将增为4 0 k g o ，而汽车零 部件7 0 ％为铸件。随着汽车性能、安全及排放要求 的提高，汽车铸件生产向着轻量化强韧化、精密化、 复合化方向发展。轻量化的重要途径是采用密度小 的有色金属，主要是铝合金或镁合金，特别是轿车采 用的铝铸件更多旧1 。由此可以看出，铸造铝合金的 研究及应用将继续得到发展。合金化是目前获得高 性能铸造铝合金材料的主要途径之一。为进一步提 高合金强度，各国学者一直致力于研究新的合金强 化元素。合金元素s c 析出的A 1 3 S c 相有很好的时 效强化作用。许多研究者认为该元素将成为新的铝 合金强化元素p 。加入钪的同时加入锆，一方面可 提高铝合金的有益性能，另一方面还可以减少昂贵 的钪的加入量。同时为了保证合金的铸造性能，在 合金中加人了硅。 1 ．实验方法 在查阅有关文献‘“7 1 和预研工作的基础上，试 验用合金的成分设计是保持镁和锰含量不变，向合 收稿日期2 0 0 8 一0 1 一0 8 作者简介黄玉风 1 9 8 0 一 ，女，内蒙古赤峰市人，助教．硕士，主要 从事材料加工工程等方面的研究。 金中分别加入不同含量的S c ，z r 和S i 。其中铝和镁 以纯铝和纯镁的形式加入，S c ，Z r ，S i 和M n 以A l S c ，A l Z r ，A 1 ．S i ，A L ．M n 中间合金的形式加入。采用 铁模铸造，用3 0 k W 的电阻炉熔炼合金，用石墨坩埚 熔化铝及中间合金，加入覆盖剂光卤石，在7 1 0 ℃一 7 2 0 ℃时，加入纯镁并将镁块压入液面下熔化 为了 防止镁的烧损以及与空气中的气体发生反应 ，用 六氯乙烷 0 ．8 ％质量分数 精炼除气，在7 0 0 ℃时浇 铸。试验过程中，保证每组试验的精炼温度、精炼时 间一致，模具的预热温度相同。保证浇铸时的温度 都相同。浇铸完后的试样，经过机械加工成标准试 样，用微机控制电子万能试验机拉伸试样，对其抗拉 强度进行分析。由公式 F ／A 0 计算出试样的抗 拉强度。 对合金取样、磨试样，抛光后用混合酸腐蚀。待 试样腐蚀好后，采用Z E I S S ．I m a g e r ．A 1m 金相显微镜 对合金在铸态下的显微组织进行了观察分析并照 相。主要观察分析了合金铸态组织的枝晶形貌和晶 粒大小。 2 试验结果及分析 试验中钪、锆、硅的含量都要变化，为了科学准 确的进行试验，采用表1 所示的正交实验设计法。 这种方法的优点是，能通过代表性很强的少次数试 验，摸清各个因素对试验指标的影响情况，确定因素 的主次顺序，找出较好的生产条件或最优参数组合。 在这里对抗拉强度试验结果采用极差分析法进行分 析，找出各因素对性能的影响。 万方数据 1 8 有色金属 第6 2 卷 表1因素水平表 T a b l elL e v e lo ff a e t o r 2 ．1 抗拉强度的极差分析 表2 抗拉强度试验结果的极差分析，由表2 可 做如下分析。 1 分析各因素对指标的影响。根据表2 中极 差尺的值可知s c 列R 最大为1 5 4 ，Z r 列尺最小只有 2 8 ，硅列R 则为3 6 。这说明钪含量对抗拉强度的影 响最大，硅其次，锆最小。排出因素的主次顺序是 S c S i Z r o 2 选取各因素的最佳水平。选取因素的水平 与试验指标有关，指标以大为好者，就取I 、Ⅱ、Ⅲ中 最大的那个水平。在试验中S c 取0 ．4 ％，Z r 取0 ％， S i 去0 ．1 5 ％。 3 确定较好的搭配方案。根据正交表均匀可 比性的结论可知，I 、Ⅱ、Ⅲ数值的大小，只与本列因 素的水平有关，实际上不受其他因素水平变化的影 响。所以把各因素的最好水平搭配起来就是要求的 较好的搭配方案S c 0 ．4 ％一Z r O ％一S i 0 ．1 5 ％。 表2 抗拉强度试验结果及分析 极差分析法 T a b l e2 E x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n da n a l y s i s o ft e n s i l es t r e n g t h 编号 A ／％ 0 O 0 强度／ M P a 0 ．1 0 ．2 7 8 l 7 7 4 7 5 3 2 8 2 ．2 合金铸态下金相组织观察 部分试验合金的金相组织如图l 所示。观察图 l a 和图1 b ，图1 b 合金中加入0 ．2 ％的S c ，在 一定程度上消除了合金的枝晶组织，晶粒尺寸也有 一定的减小。从性能上看，抗拉强度提高了 1 1 ．4 ％。观察图1 b 和图l C ，图1 C 合金中加 入了0 ．1 ％的z r ，虽然s i 的含量也增加了，但合金的 晶粒组织得到进一步的细化。观察图1 C 和图l d ，图l d 合金中加入了0 ．4 ％的S c 组织细化明 显，出现细小的等轴晶，其晶粒尺寸仅有5 3 5 p , m ， 但组织并不均匀仍有粗大的组织，可能是因为硅含 量较高产生的影响。 a A I - 5 M g - O ．8 S i ．．O ．4 M n ； b A I - 5 M g - O ．2 S C ．o ．5 S i _ 0 ．4 M n ； c A I - 5 M g - 0 ．2 S c - 0 ．1 Z r - O ．8 S i _ 0 ．4 M n ； d 一A 1 - 5 M g - O ．4 S c - 0 ．8 S i - 0 ．4 M n 图1部分合金铸态金相组织 F i g ．1 M i e r o s t r u e t u r eo fs o m ec a s ta l l o y s 3结论 试验结果表明，提高抗拉强度的最佳合金配比 为S c 0 ．4 ％一Z r 0 ％．S i 0 ．1 5 ％。钪加人到铸造铝合 金中，其力学性能有显著提高，加入0 ．4 ％的钪，抗 拉强度达到3 0 3 M P a 。铸造铝合金中加入锆，对强度 没有明显影响，硅含量的增加将降低抗拉强度。S c 和z r 有复合作用，当复合添加0 ．2 ％S c 和0 ．1 ％z r 时，产生了显著的晶粒细化作用。在合金中添加S c 元素，当s c 含量为0 ．2 ％时，能够有效的消除枝晶， S c 含量增加到0 ．4 ％时晶粒细化明显。 参考文献 [ 1 ] 铃木宗和．j 尢三／铸物用崩坏性铸性[ J ] ．J A C TN e w s ，1 9 9 2 ， 4 2 2 3 9 4 2 ． [ 2 ] 贾利晓，兰晔峰，朱正锋．铸造有色合金的发展趋势[ J ] ．铸造设备研究，2 0 0 4 ， 5 4 5 - 4 7 ． 9 3 3 5 8 l 7 3 9M””M”M勰∞” ％一埒5 8 5 8 2 8。5 B 7 8 6塑洲吣瞄㈨∽洲粥御佛弘 堕坠。呲o呲o 2 2 2 4 4 4 5 4 9 4 m 仉m m m m “ 他跖2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 IⅡⅢR 万方数据 第2 期黄玉凤合金元素对铝合金铸件组织和性能的影响 1 9 [ 3 ] 罗兵辉，范云强，谢绍俊，等．s c 对A 1 一M g 合金组织和性能的影响[ J ] ．合金与热处理，2 0 0 2 ，2 2 5 l 一5 ． [ 4 ] R o y s e tJ ，R y u m ．S c a n d i u mi na l u m i n i u ma l l o y s [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lM a t e r i a l sR e v i e w s ，2 0 0 5 ，5 0 1 3 7 ． [ 5 ] L a t h a b a iS ，L l o y dPG ．T h ee f f e c to fs c a n d i u mo nt h em i c r o s t r u c t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dw e l d a b i l i t yo fa e a s tA I M ga l l o y [ J ] ．A c t aM a t e r i a l i a ，2 0 0 2 ，5 0 1 7 4 2 7 5 4 2 9 2 ． [ 6 ] H eYD ，Z h a n gXM ，Y o uJH ．E f f e c to fm i n o rS ca n dZ ro nm i e r o s t m e t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fA I Z n M g C ua l l o y [ J ] ． T r a n sN n o n f e e r o u sM e tS o cC h i n a ，2 0 0 6 ，1 6 5 1 2 2 8 1 2 3 5 ． [ 7 ] 潘青林．A 1 一M g 一和A 1 一M g S c 一合金的性能与组织结构研究[ D ] ．长沙中南大学，2 0 0 0 1 0 2 5 ． I n f l u e n c eo fA l l o y i n gE l e m e n t so nM i c r o s t r u c t u r ea n dP r o p e r t i e so fA l u m i n u mA l l o yC a s t s H U A N c C h a n g z h o uT e x t i l eG a r m e n tI n s t i t u t e ， 玩舌愕 C h a n g z h o u2 1 3 1 6 4 ，J i a n g s u ，C h i n a A b s t r a c t S c a n d i u m ，Z i r c o n i u ma n dS i l i c o n a r ea d d e di n t o A 1 一M ga l l o yw i t hd i f f e r e n td o s a g ei n t h ee x p e r i m e n t s ， r e s p e c t i v e l y ．T h ec a s t i n gp r o c e s si ss t r i c t l yc o n t r o l l e d ，a n dt h es t r e t c h i n ge x p e r i m e n t sa r ec o n d u c t e dw i t ht h ea l l o y s a m p l e s ．T e n s i l es t r e n g t hi sa n a l y z e db yo r t h o g o n a le x p e r i m e n tm e t h o d ．T h eo p t i m a lc o m p o s i t i o no ft h ea l l o yw i t h e x c e l l e n tp r o p e r t i e si sa c h i e v e d ．A n dt h em i c r o s t r u c t u r ea n dc o m p o s i t i o no ft h ea s c a s ta l l o y sa r eo b s e r v e db yu s i n g o p t i c a lm i c r o s c o p y ．T h ei n f l u e n c eo fa l l o y i n ge l e m e n t si sr e s e a r c h e d ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；c a s ta l u m i n u ma l l o y s ；o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；a l l o y i n g e l e m e n t s ；m i c r o s t r u c t u r e 万方数据