合金元素对含Fe亚共晶铝硅合金组织及性能的影响研究

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铝硅合金作为一种典型的铝合金,在汽车、航空航天等领域得到大范围使用。而Fe被认为是铝硅合金中重要的有害元素,长针状的Fe相对铝硅合金的性能会造成严重的破坏,然而关于如何削弱Fe相对铝硅合金的有害作用,还未有明确的结论。虽然Fe元素对铝硅合金有着不可忽视的害处,但在铝硅合金中加入适量的Fe元素后,可以显著增加铸件的脱模性,尤其是结构较为复杂的铸件,能够有效避免粘模现象的发生,因此,实际的工业生产中,往往会人为向合金中加入一定量的Fe元素。所以需要找到一种即可以保证铸件在成型后可以顺利脱模,又可以削弱长针状Fe相所带来的不利影响的处理办法,其中最为常用的手段就是加入中间合金元素,而不同的合金元素有着不同的作用机理。因此,开展合金元素对铝硅合金组织与性能的影响研究,以方便在实际生产中根据不同的要求选取不同的方法,是十分有必要的。本论文以Al-8Si-0.1Cu-0.6Mg-0.7Fe合金为基础,首先探讨了Mn、Ce、Mn与Ce复合添加以及V元素对于合金组织、力学性能及导热性能的影响,揭示了不同元素的影响规律和机理。在此基础上,确保合金元素总量不变,研究了Mn、V代Fe对于铝硅合金的影响。最终选取性能较高的合金进行T6热处理,研究热处理对合金的力学性能和导热性能的提高程度,主要研究结果如下:(1)Mn元素可以将合金中的长针状β-Al5Fe Si相转变为汉字状α-Al15(Fe Mn)3Si2相,对Fe相的改善作用明显,使长针状Fe相对基体的割裂效果不再显著,当Mn/Fe=0.8时,合金的力学性能达到最佳,尤其对于合金的强度提升较高,屈服强度和抗拉强度的增幅达33.6%和20.2%。而合金的导热率在加入Mn元素后会有较大的降低,后随着Mn/Fe的值的增加呈现先增加后减小的趋势,但增加幅度较小。而Ce元素对于合金中的β-Fe相有断裂作用,但不会将β-Fe相转变为α-Fe相,当Ce含量为0.4 wt.%时可以将Fe相的平均长度减小为7.19μm,当Ce含量达到0.7 wt.%及以上时,会出现了块状的Al-Ce化合物。合金的力学性能随着Ce含量的增加,呈现出先增后减的趋势,且在Ce含量为0.4 wt.%时达到最佳。合金的导热率则随着Ce元素含量的增加呈现持续减小的趋势,但下降幅度较小,最大降幅仅为5.10%,远远小于Mn元素对合金导热率的影响。虽然复合添加Mn、Ce元素对合金中的β-Fe相也有改善作用,但二者复合添加的效果优于单独添加Ce元素,弱于单独添加Mn元素,且开始出现Al-Ce化合物的Ce含量比单独添加Ce元素低。合金的导热率与单独添加Mn元素的合金相比基本持平。(2)V元素的加入,对于Al-8Si-0.1Cu-0.6Mg-0.7Fe合金中的Fe相改善效果明显,与Mn不同,V可以将合金中的长针状β-Fe相转变为α-Al8Fe2Si,当V含量为0.6 wt.%时,对Fe相的改善效果最佳,且合金的力学性能达到最佳,尤其是对于合金的延伸率,增幅可达73.1%,效果优于Ce元素。而合金的导热率在V元素的加入后会先有大幅度的降低,后随着V含量的增加呈现先增后减的趋势,但增加幅度有限。(3)随着合金中Fe元素的减少,Mn元素的增多,合金中的Fe相数量逐渐下降,Fe相的形状从汉字状转变为短棒状最后转变为颗粒状;当Fe和Mn的含量分别为0.25wt.%和0.45 wt.%时,合金的力学性能最佳,屈服强度为122.4MPa、抗拉强度为242.6MPa、延伸率为9.44%;合金的导热率则呈现持续减小的趋势,且减小速度越来越快。而随着合金中Fe元素的减少,V元素的增多,合金中的Fe相数量出现明显的下降,Fe相的形状从梅花状转变为块状最后转变为颗粒状;当Fe和V的含量分别为0.6 wt.%和0.1wt.%时,合金的强度达到最大值,此时合金的屈服强度可达133MPa、抗拉强度可达249.3MPa、延伸率可达10%;当Fe和V的含量分别为0.25 wt.%和0.45 wt.%时,合金的延伸率达到最大值,此时合金的屈服强度可达120.2MPa、抗拉强度可达238.7MPa、延伸率可达12.4%。合金的导热率则呈现持续减小的趋势,且减小的速度先快后慢,最后会趋于平稳。(4)当合金经过T6热处理后,合金的Fe相不会发生明显的变化,但是合金中的共晶硅会发生明显的球化。热处理可以显著提高合金的强度,屈服强度和抗拉强度分别可以提高100-150MPa和60-100MPa,而合金的延伸率则会有15%-45%的下降。而合金的导热率则会在热处理后有所提升,原因在于时效处理对于合金基体的“净化”作用。从热处理的结果看,Al-8Si-0.1Cu-0.6Mg-0.6Fe-0.1V的综合性能最佳,其屈服强度、抗拉强度、延伸率及导热率可达241.5MPa、321.2MPa、8.94%及158.9 W/(m·K)。
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