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 . 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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