高能超声波处理高硅铝硅合金的组织和力学性能.pdf

有色金属 冶炼部分2 0 1 1 年7 期 3 5 D O I 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 - 7 5 4 5 ．2 0 11 ．0 7 ．0 0 8 高能超声波处理高硅铝硅合金的组织和力学性能 程兆虎，程和法，黄笑梅，杨俊，于浩 合肥工业大学材料科学与工程学院，合肥2 3 0 0 0 9 摘要采用高能超声波对A l 一2 0 ％s i 合金进行熔体处理。研究超声波处理对A l 一2 0 ％S i 合金微观组织形 貌及其力学性能的影响。结果表明，在6 6 0 ℃温度下，对A I - 2 0 ％S i 合金熔体进行高能超声波处理，可以 使铝硅合金的初晶硅形貌由粗大的板片状逐渐变成细小的球状颗粒，圆整度高，分布均匀，并且使其抗 拉强度和延伸率提高。通过对合金拉伸断口形貌的观察，发现在经过超声处理的A 1 - 2 0 ％S i 合金断口上 有较多的撕裂带和韧窝，表现为脆性断裂和韧性断裂的混合型断口。 关键词金属材料；A I - 2 0 ％S i 合金；超声波处理；微观组织；力学性能；断裂机制 中图分类号T G 2 9 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 7 - 7 5 4 5 2 0 1 1 0 7 - 0 0 3 5 0 4 M i c r o s t r u c t u r ea n dM e c h a n i c a lP r o p e r t i e so fH y p e r e u t e c t i c A l S iA l l o yT r e a t e db yU l t r a s o n i c C H E N GZ h a o h u ，C H E N GH e - f a ，H U A N GX i a o m e i ，Y A N GJ u n ，Y UH a o S c h o o lo fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g 。H e f e iU n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ．H e f e i2 3 0 0 0 9 ，C h i n a A b s t r a c t T h ee f f e c t so fh i g h i n t e n s i t yu l t r a s o n i ct r e a t m e n to nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o fA 1 2 0 ％S ia r ei n v e s t i g a t e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt r e a t e dw i t hh i g h i n t e n s i t yu l t r a s o n i ca t6 6 0 ℃，t h e c o a r s ep l a n kp r i m a r yS ii sr e f i n e da n df o r m si n t ot h es p h e r i c a lg r a n u l e s ．T h ep r i m a r yS ip h a s ei nt h ea l l o y i sw e l l d i s t r i b u t e d ．T h et e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o no ft h ea l l o ya r e i m p r o v e d ．F r o mt h ef r a c t u r e s u r f a c eo ft h eA 1 2 0 ％S ia l l o yt r e a t e dw i t hu l t r a s o n i cs o u n d ，m a n yt e a r i n gs l i t sa n dd i m p l e scanb es e e n ． T h ec h a r a c t e r i s t i co fb r i t t l ef r a c t u r ei nc o m b i n a t i o nw i t ht o u g h n e s sf r a c t u r ei so b s e r v e d ． K e yw o r d s m e t a lm a t e r i a l ；A 1 2 0 ％S ia l l o y ；u l t r a s o n i ct r e a t m e n t ；m 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 s ； f r ac t u r em e c h a n is m 过共晶铝硅合金以其低热膨胀性、良好的耐磨 性和流动性，广泛应用于航空、航天及汽车制造等领 域【l 。2 ] 。当S i ≥1 8 ％时 质量分数 ，过共晶铝硅合金 中硅相明显粗化，初晶硅的硬度高，很脆，使合金的 切削加工性能变坏，这是推广应用过共晶铝硅合金 的主要障碍L 3 ] 。因此，促进初晶硅的细化和均匀分 布对过共晶铝硅合金的应用具有重要的意义。目 前，所采用对过共晶铝硅合金中初晶硅细化的方法 主要是用磷和稀土元素等进行变质处理H ] 。同时， 还有通过快速凝固[ 5 ] 和电磁搅拌技术【6 。o 方法改变 初晶硅的生长条件和生长方式，达到细化且分布均 匀的初晶硅，从而有效地提高过共晶铝硅合金的性 能，使此类材料具有更优良的性能。 超声波处理是一种新型的熔体处理方法和技 术，通过向熔体导入超声波处理，液体金属受到周期 性交变声场的作用，产生空化效应和声流效应，两者 基金项目安徽省自然科学基金资助项目 0 9 0 4 1 4 1 9 7 作者简介程兆虎 1 9 8 7 - ，男。安徽怀宁县人，硕士，主要从事高硅铝硅合金制备t j 组织和性能等方面的研究。 联系人程和法 1 9 6 2 一 ，男，安徽安庆市人，教授，蹲上，主要从事铸造合金成分组织和性能等方面的研究。 万方数据 3 6 打乜金属 冶炼部分 2 0 1 1 年7 期 拈I q 作用能够硅苷地救阵音量蔫} 同自【纵 雏i 化品粒． 挺岛台盒化学J 】 i 分的均匀什_ l t 还能清除熔体中 的。L 体和杂质“1 “A l 妯彳㈠音金为对象．研究 超声波对其凝嗣组织和力 性能帕影响。 l 试验方法 所川合盘材料址l ’, l kA I2 0 蹦S i 台金。将 J 2 0 ％s 台盘放 到订譬H 『瞒- { z ．柱坩埚电阡【炉内加 热到坝定的温度井雠泓Ir _ I IL i n ．将预热到6 0 0 ℃的 超声波廿 朴j 画人刮々脯蝌体诫州阻F2 0m m 的 付赶进行趣声波址胜。 超声波处娜牲竹址} I l 衄声渡发’器、超声波换 能器、变幅什腱坤 扦g 【成．扎最凡输出功率为 15 0 0 WH 为琏续f4 l 武．颧率为2 0k H z 。分剐在 H 『d 功毕 3 0 0 ，| I _ _ 1 川】2 0 0W F 对熔体进行高 能超声处理4 0s 熔怍处理泓垭为6 6 0 ℃．熔体经过 赶卢处理后讧即浇征人拉忡试棒金墉模，p ．获得抗 拉试棒武样饵纰浇浊个* I 同的醋样。 时微燧纰纵脱韶的仓制试样』瞳九托断的抗扣试 棒．经过蘑半．抛光．然开丌j I 佯微分数为o5 ％的氯 氟酸水溶液樯蚀．存盘扪拉微髓下啦察和分析水同 条件下获得试样的微观g i 毁．山学性能试聆在 C M T 5 1 0 5 儿能材料“骑L 进行测褂斌样的抗拉 强度和延伸牢．取个试样的学均仉 为试样的抗 拉强度。杜仲断I I 川IJ X A 2 8 1 0 A 删扣描电镜观察 断I I 形貌计分析断特征 2 试验结果和分析 2 1 超声波处理后台金的微观组织 面常情况r 址”- ％斟肚合盘的。＆镦纽织由副 品硅和兆．日体H l 成网1 皿证心幔浇汴条件r 的未 羟超声处删的A l2 0 ■s i 微观维织。I Ⅱ见．绝太部 分扔品硅呈* l 太们板块收阿2 如牛输出功率越 声波处理F 凝州所褂A I2 I “S i 弁宅帕微脱绁粤} 。 当赳声波输出聃牢h ∽ow 时，如吲2 fa 所玳．由 于衄声渡的功车较小小足眦对r n 凝I q 的合金产 啦较为娃并的扰动忤川．M l Ⅲ纠一m 砧H 寸变化比较 小．韧品硅依然打“此较大块片状晌J E 崽存托．J ￡嘲 祭垭较差。随拧超卢被功半的增⋯卉仑H I 绑巾衲 品畦得到细化 “i 超声艘的输} 1 1 功书增⋯到12 0 0W 时如例2 fd 所Ⅱi 计I I 一杠凝Ⅲ的音金j ‘巾r 强烈 的扰功{ 1J 仃儿品枉破} 』碎种M 砰[ 1 I _ r 均K 寸年 剑湘“m f I ．IJ I “行刊郎升“ - ％硅拄近球蟛帕颗 粒大的板片状的L 终坫木叭鼻，衄Jh 披对盒熔 摊的仆川{ | 要屉通垃≮‘化和声流敏膻所产生的。超 ，o 渡处州上￡袱中肜成太砖曲空化池．宅化泡在赳过 定删值的／h 括F 发卟崩泄片产乍冲山波．冲山渡 将E I 瑾结一％K 大的晶牡跛急剧的冲击波打碎．使品 牡樽刮r 细化．f 目时．品札分带电史圳均匀。当低功 琦薹时．衄卢救处理埘台台的钾品砰所起到有效的破 碎和缔I 化忭川比轻小随若超声波输出功率的增大． 韧品硅涩渐越r 酬整，K 寸峨艟的减小．同时单位而 积内的韧- U 硅数目打r 一定的增加。由此可见超声 波们功牢的大小时台台的组织彤貌有很大的影响． 增大其输m 功率冉利于台金品粒艘谇成细小球化的 初品硅， 图I未经超声波处理的A l _ 2 0 ％s i 台金的微魂组织 F 嚼IM 蛔强n 怔岍甜h 弹t R 蛔饥 L 2 0 ％s i a l l o yw i t h o u tu l t r 枷n i ct m a l m e n t 2 ．2 起声波处理台金的力学性能 丧1 为A l2 0 蚝S i 台金在趔声处理和术进{ i 超 “址婵帆条件下浇沣试样的山。 性能时＆山此u j “存m ．台金来世什削卢处理的铸志试样抗拉强度 和延仲丰分别为I8 uM n 和f j2 9 “未羟超声姓J 电 的 l2 j ％s 1 舟台纰g 川- 出现太时的培片状共晶s I 和多角肜_ 韭块状的翩I 舢E 剌北崮1 ．在应力作用 r ．在H 柑的尖_ i ；；i 和按m 处引起应力集巾．合盒容 封滑“札的边界址严啊割裂幕体．使台金变脆．使材 料，J 竽什能和延仲率根差， Ⅲ袅I ⋯“l W lr 再Ⅲ．台食经过高能超声处理 m n 的铸怒试佯的抗拉强墟得到提，％．1 日时随着超 出渡址川功年的加强“抗扎蛆噬和蜓仲牢均增大 1 趟，’被处删功丰逃剑l2 0 0W 时合盒的机批强度 和仲半分圳h2 5 IM P a _ l ‘】1 l 确．分别提高r ，‘o 邗{ ，7 趣』h 址F BJ 9 i H 挺商r 台台的抗{ l 强度 和仲丰毗J o 披处理后．艟颗粒的H 十减小H 硅 惭牡n 坫件I l 一％敞计m - “ H2 ．恤锵滑移距离缩短 万方数据 有色金属 渐烁部分 2 0 1 1 印7 期 2 ．3 超声i 直处理台金的断裂特征 目3 为合金翘声被处理前后批仲试样新I IJ B 筑 S E M 照片，从嘲3 a 町以看⋯．试拌断I iL ‘U 现 流河状花纹和相、0 数培的韧- 铀硅断【I l _ J L 乎为斛理 性断裂。f “f 束超声处理的试件“解州悱断裂为{ - 导作川艘试棒抗拉强度和越仲串骨比较低，棚时 { L * 日一’ ”w n “m * i 】．{ h ’目J ‘‘M ”W “ №* 【i 图3 拉伸试样断口形貌 F i g3 S E Mi m a g t 5t ”f r a c l u r P s u r h ⋯o fD l e s m i ．趟J ‘- 处肆。耵卉台断【』f ．的韧品辞尺十叭娃小 】术蹙质台证№f 【Ir l 前较多的撕裂带扣韧窝．解理 万方数据 3 8 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年7 期 性断区减少，具有明显的韧性断裂特征。所以，合金 材料的断口形貌为混合璎断口，表现为脆性断裂和 韧性断裂。很明显，经过超声处理后，由于初晶硅和 共晶硅尺寸变小，尖角钝化，对基体的割裂作用降 低，裂纹扩展遇到的阻力增大，在外力作用下能够承 受较大的应力才能发生断裂，而且有一部分裂纹在 铝基体穿过时绕过了初晶硅，使铝基体的塑性得以 发挥，从而使合金的抗拉强度和延伸率得以提高。 3结论 1 利用高能超声波对过共晶A l 一2 0 ％S i 合金 进行处理，可以显著细化合金中的初晶硅，使其分布 均匀。随着超声波输出功率的提高其声化和空化效 应均加强，合金的初晶硅形貌逐渐细化并球化。 2 超声处理呵以显著提高A 1 - 2 0 ％S i 合金的 抗拉强度和延伸率。经过12 0 0W 超声处理4 0s ， 抗拉强度由1 8 0M P a 提高到2 5 1M P a ，上升了 3 9 ％，合金的延伸率由0 ．2 9 ％提高到0 ．4 4 ％，提高 了4 8 ％。 3 对试样拉伸断口观察表明，超声处理后可以 在断口上有较多的撕裂带和韧窝，表现为脆性断裂 和韧性断裂的混合刑断裂特征，而未超声处理的 A 1 - 2 0 ％S i 合金断口基本上表现为脆性断裂。 参考文献 E l i 蔡宗德，张连芳，孙建荣．过共晶铝硅合金的生产及其 应用[ J ] ．特种铸造及有色合金，1 9 9 9 ，1 9 4 3 7 4 0 ． [ 2 ] 孙淑红，张家涛，彭著刚，等．变质处理及成分对过共 晶铝硅合金耐磨性的影响[ J ] ．云南冶金，2 0 0 4 ，3 3 6 3 6 - 3 8 ． [ 3 ] 陆文华。李隆盛。黄良余．铸造合金及其熔炼[ M ] ．北 京机械工业出版社，2 0 0 2 2 6 2 7 2 6 3 ． [ 4 ] J o o n y e o nC h a n g ，I n g eM o o n ，C h o n g s o o lC h o i ．R e f i n e m e n to fc a s tm i c r o s t r u c t u r eo fh y p e r e u t e c t i cA I S ia l l o y s t h r o u g ht h ea d d i t i o no fr a t ee a r t hm e t a l s [ J - 1 ．J o u r n a lo f M a t e r i a l sS c i e n c e ，1 9 9 8 ，3 3 2 0 5 0 1 5 - 5 0 2 3 ． [ 5 ] H o g gSC ，A t k i n s o nHV ，K a p r a n o sP ．S e m i s o l i dr a p i dc o m p r e s s i o nt e s t i n go fs p r a y - f o r m e dh y p e r e u t e c t i cA I S ia l l o y s [ J ] ．M e t a l l u r g i c a la n dM a t e r i a l sT r a n s a c t i o n s ， 2 0 0 4 ，3 5 8 9 9 9 l O ． [ 6 ] 毛卫民，李树素，赵爱民，等．电磁搅拌对A l 一2 4 ％s i 合 金凝固组织的影响[ J ] ．中国有色金属学报，2 0 0 1 ，1 1 5 8 1 9 - 8 2 3 ． [ 7 ] 赵树国，袁晓光，于海朋．电磁搅拌对过共晶A L s i 合 金组织的影响I - J - ] ．辽宁工程技术大学学报，2 0 0 5 ，2 4 6 9 1 3 - 9 1 5 ． [ 8 ] 戴光星，程和法，黄笑梅，等．A I S i 7 M g 合金等温处理 中组织形态的演变[ J ] ．特种铸造及有色合金，2 0 0 6 ，2 6 4 2 2 0 2 2 2 ． [ 9 ] 冯伟骏，谭家隆，李喜盂，等．功率超声对P b - S n 合金 凝固行为的影响[ J ] ．铸造，2 0 0 4 ，5 3 5 3 7 6 3 7 8 ． F l o ] 李军文，桃野正．超声波对铝合金铸锭组织的影响 i - J ] ．铸造技术，2 0 0 4 ，2 5 8 5 9 3 5 9 5 ． [ 1 1 ] 李军文；桃野正。付莹．超声波功率对铸锭内的 气孔及组织细化的影响[ J ] ．铸造，2 0 0 7 ，5 6 2 1 5 2 1 5 4 ． 上接第2 1 页，C o n t i n u e df r o mP 2 1 [ 1 0 ] B r a i t h w a i t eDG ，A l l a i nRJ ．A n h y d r o u sm a g n e s i u m c h l o r i d eu s i n ge t h y l e n eg l y c o la n da m m o n i a U S A ， 3 9 6 8 8 8 [ P ] ．1 9 7 6 0 6 2 9 ． [ 1 1 ] S h e e h a nGJ ，W o n gFS ，H o u r nMM ，e ta 1 ．A n h y d r o u sm a g n e s i u mc h l o r i d e U S A ，6 1 4 3 2 7 0 E P ] ．2 0 0 0 1 1 一0 7 ． E 1 2 ] S c h m i d tR ，E k l u n dHR ，A m u n d s e nK ．P r o c e s sf o r P r o d u c i n gA n h y d r o u sM g C l 2 W 0 9 8 ／5 8 8 7 5 [ P ] ． 1 9 9 8 1 2 3 0 ． [ 1 3 ] D o l e z a lH ．D e h y d r a t i o no fM a g n e s i u m U S A ，3 9 6 2 4 0 8 l - 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