铸造Al-50Si合金组织和性能变化

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金相组织AlSi相图

金相组织AlSi相图

Al-Si相图摘要:本篇Tech-Note主要研究Al-Si相图,这样的研究具有很重要的实际意义。

二元相图是研究复杂合金的根底。

在Al合金中的Si和Fe被认为是杂质元素存在,但是在铸造和锻造Al合金中Si又是一种添加元素。

各种铸造Al合金中Si的含量从5~22%〔重量比〕不等。

Al具有重量轻、优良的机械性能、独特的防腐性、消费本钱适中和易于成型等特性,所以具有广泛的商业应用价值。

Al的密度大约是2.7 g/cm33) 和Be(密度约1.85 g/cm3)。

但是Al及其合金由于其本钱低于Mg 或Be 合金,故应用更为广泛。

Al和Mg合金的熔点范围非常接近,它们的熔点范围分别为:铸造Al合金约为565—640 °C (约1050 —1185 °F);铸造Mg合金约为593—648 °C (1100—1198 °F)。

冶金专家和金相专家对于二元相图进展了大量的研究并绘制出化学成分与相转变温度的关系曲线,但是这些研究都是在“平衡态〞下进展的。

所谓平衡态是指:金属的消费过程中加热和冷却速度都非常缓慢,但是在实际消费中加热和冷却速度都非常快这就是所谓“非平衡状态〞。

尽管如此,相图还是我们研究合金转变的根本工具。

例如:利用相图我们知道金属的熔点和凝固点、凝固过程、平衡相的形成、合金元素或杂质元素的极限溶解度和第二相的分解温度。

本篇Tech-Note主要研究Al-Si相图,这样的研究具有很重要的实际意义。

二元相图是研究复杂合金的根底。

在Al合金中的Si和Fe被认为是杂质元素存在,但是在铸造和锻造Al合金中Si又是一种添加元素。

各种铸造Al合金中Si的含量从5~22%〔重量比〕不等。

在这个范围内,Si元素可以进步Al合金的流动性铸造性能,3xx.x (Al-Si-Cu)系和4xx.x (Al-MgSi)系铸造Al合金(US Al协会编号) 具有广泛的商业应用。

过共晶合金(合金中Si含量大于12.6%,共晶成分)中包含具有进步耐磨性的初晶Si颗粒。

高强韧铸造铝合金材料

高强韧铸造铝合金材料

高强韧铸造铝合金材料摘要:随着我国重工业的不断发展,铸造铝合金因其优异的性能被广泛应用,同时对铸造铝合金的强度和韧度也提出了更高的要求,铸造铝合金迎来了新的发展时代。

本文主要研究高强韧铸造铝合金材料,简要阐述高强度铝合金的研究现状,分析几种铝合金的特点和使用情况,并针对铸造铝合金中存在的问题提出了解决办法和改善其韧度的途径,有助于推动实现铸造铝合金行业的稳定发展。

关键词:重工业;铸造铝合金;强度;韧度;稳定发展前言:铸造铝合金价格低廉、组织各向同性、易于生产复杂的零部件,同时由于铸造铝合金的轻质结构特性,硬度高,散热性强,被广泛使用于汽车、船舶、航天等领域,可以简化形成工艺、节约加工成本,对促进我国重工业领域发展有着重要的意义。

一、高强韧铸造铝合金的研究现状(一)Al-Si系合金Al-Si铝合金具有质量轻、铸造性能好、收缩率小、热敏感度低、加工性能优良、价格低等特点,应用比较广泛的Al-Si合金为A357,该种合金是50年代末美国科学家试验出来的。

现在工程结构中铝合金铸件越来越多,且性能要求越来越高,包括耐腐蚀性、耐高温和高强度等特性。

研发新型高强度铸造铝合金成为近年来的研究热点,此时Al-Si-Cu-Mg铸造铝合金进入人们的眼帘,该合金具有优异的铸造性,经过热处理固化后可以获得良好的力学性能。

(二)Al-Cu系合金Al-Cu系铸造铝合金具备高强度、良好的延展和塑形性能、另外还具有优异的高温、易切削性能。

法国20世纪试验成功的A-U5GT合金是在Al-Cu系铸造铝合金基础上添加了Mg和Ti元素,不仅具备Al-Cu系铸造铝合金的优异性能,还有优良的综合力学性能。

同样我国也试验出了高强高韧度铸造铝合金,取得了瞩目的成就。

我国于20世纪70年代末试验出ZL205A合金,该种合金在常态下就有具备良好的抗压和延展性能,是目前世界上强度最高的铸造铝合金,同时具有非常优越的塑形能力、韧性、抗应力腐蚀性和易于焊接等特点,因此该种合金被广泛应用于航空航天领域,用于制造各种零部件,使用效果良好。

工程材料实验指导书(附参考答案)西南交通大学

工程材料实验指导书(附参考答案)西南交通大学

⼯程材料实验指导书(附参考答案)西南交通⼤学⼯程材料实验指导书陈俊英⾼国庆杨萍编冷永祥万国江王良辉西南交通⼤学材料系2011 年10 ⽉实验须知1. 实验不得⽆故缺席,否则取消期未考试资格;2. 实验前认真做好预习,明确实验⽬的和原理,了解实验内容和步骤,以及注意事项;3. 实验过程中必须服从指导教师的指导,严格遵守安全及设备操作规章制度;4. 损坏设备、仪器根据情节轻重按学校规定进⾏全部或部分赔偿;5. 在实验过程中认真记录好实验数据,实验完毕后,实验数据及结果经指导教师认可并签字后⽅能离开实验室;6.,实验报告格式在本指导书后;交实验报告时同时还必须附上指导教师签字的实验数据及结果;7. 实验⼀⾄实验五在⽹上进⾏,⽹址是:/doc/931f19cdbfd5b9f3f90f76c66137ee06eff94e82.html /,进⼊材料系主页后,到⼯程材料精品课程⽹页的⽹上实验相应拦⽬中,时间在相应教学内容结束后⾃⼰安排,实验报告在所有实验结束后统⼀交;8. 实验六(材料综合实验)在材料实验室进⾏,具体时间在相应教学内容结束后安排。

9. 实验部分成绩占期末总成绩的20%,即20分;10. 在考试内容中涉及实验内容部分占20-30%,即20-30分。

⽬录实验实验⼀⾦属材料的硬度和冲击韧性测定┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅( 3)实验⼆铁碳合⾦组织观察第⼀实验部分铁碳合⾦平衡显微镜组织观察┅┅┅┅┅┅( 5)第⼆实验部分铁碳合⾦⾮平衡显微镜组织观察┅┅┅┅┅( 7)实验三铸铁⾦相组织观察┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅( 9)实验四有⾊⾦相组织观察┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅(10)实验五常规热处理┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅(11)实验六综合实验┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅(12)附录附录⼀┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅(14)附录⼆┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅(20)附录三┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅(24)实验报告实验报告⼀┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅(28)实验报告⼆第⼀实验部分报告┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅(30)第⼆实验部分报告┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅(32)实验报告三┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅(34)实验报告四┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅(35)实验报告五┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅(36)综合实验报告┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅(37)实验⼀⾦属材料的硬度和冲击韧性测定⼀、实验⽬的1. 了解材料硬度测定原理及⽅法;2. 了解布⽒和洛⽒硬度的测量范围及其测量步骤和⽅法;3. 了解显微硬度的测量范围及⽅法;4. 了解冲击韧性设备的测定原理、⽅法;5. 了解脆性、韧性材料冲击后的断⼝及冲击值的区别。

铸造铝合金热处理质量缺陷及其消除与预防

铸造铝合金热处理质量缺陷及其消除与预防

铸造铝合金热处理质量缺陷及其消除与预防铝合金铸件热处理后常见的质量问题有:力学性能不合格、变形、裂纹、过烧等缺陷,对其产生原因和消除与预防方法分述如下。

〔1〕力学性能不合格通常表现为退火状态伸长率〔6 5〕偏低,淬火或时效处理后强度和伸长率不合格。

其形成的原因有多种:如退火温度偏低、保温时间缺乏,或冷却速度太快;淬火温度偏低、保温时间不够,或冷却速度太慢〔淬火介质温度过高〕;不完全人工时效和完全人工时效温度偏高,或保温时间偏长;合金的化学成分出现偏差等。

消除这种缺陷,可采取以下方法:再次退火,提高加热温度或延长保温时间;提高淬火温度或延长保温时间,降低淬火介质温度;如再次淬火,则要调整其后的时效温度和时间;如成分出现偏差,则要根据具体的偏差元素、偏差量,改变或调整重复热处理的工艺参数等。

〔2〕变形与翘曲通常在热处理后或随后的机械加工过程中,反映出铸件尺寸、形状的变化。

产生这种缺陷的原因是:加热升温速度或淬火冷却速度太快〔太剧烈〕;淬火温度太高;铸件的设计构造不合理〔如两连接壁的壁厚相差太大,框形构造中加强筋太薄或太细小〕;淬火时工件下水方向不当及装料方法不当等。

消除与预防的方法是:降低升温速度,提高淬火介质温度,或换成冷却速度稍慢的淬火介质,以防止合金产生剩余应力;在厚壁或薄壁部位涂敷涂料或用石棉纤维等隔热材料包覆薄壁部位;根据铸件构造、形状选择合理的下水方向或采用专用防变形的夹具;变形量不大的部位,则可在淬火后立即予以矫正。

〔3〕裂纹表现为淬火后的铸件外表用肉眼可以看到明显的裂纹,或通过荧光检查肉眼看不见的微细裂纹。

裂纹多曲折不直并呈暗灰色。

产生裂纹的原因是:加热速度太快,淬火时冷却太快〔淬火温度过高或淬火介质温度过低,或淬火介质冷却速度太快〕;铸件构造设计不合理〔两连接壁壁厚差太大,框形件中间的加强筋太薄或太细小〕;装炉方法不当或下水方向不对;炉温不均匀,使铸件温度不均匀等。

消除与预防的方法是:减慢升温速度或采取等温淬火工艺;提高淬火介质温度或换成冷却速度慢的淬火介质;在壁厚或薄壁部位涂敷涂料或在薄壁部位包覆石棉等隔热材料;采用专用防开裂的淬火夹具,并选择正确的下水方向。

铸造铝合金力学性能

铸造铝合金力学性能
ZL107
SB
F
165
2
65
SB
T6
245
2
90
J
F
195
2
70
J
T6
275
100
ZAISi12Cu2Mgl
ZL108
J
Tl
195
——
85
J
T6
255
——
90
ZAISi12CulMgINil
ZL109
J
T1
195
90
J
T6
245
——
100
ZAISi5Cu6Mg
ZL110
S
F
125
——
80
J
F
155
——
铸造铝合金的力学性能
1合金分类和代号
合金代号是由表示铸铝的汉语拼音字母“ZL”及其后面的三个阿拉伯数字组成。
ZL后面第一位数字表示合金的系列,其中1、2、3、4分别表示铝硅、铝铜、铝镁、铝锌系列合金,ZL后面第二、三位数字表示合金的顺序号。
优质合金在其代号后附加字母“A”。
合金种类
Al-Si系
Al-Cu系
T2
退火
消除铸件在铸造加工过程中产生的应力,提高尺寸稳定性及合金的塑性。
T4
固溶处理加自然时效
通过加热保温及快速冷却实现固溶强化以提高合金的力学性能,特别是提高合金的塑性及常温工作下合金的抗腐蚀性能。
T5
固溶处理加不完全人工时效
固溶处理后进行不完全人工时效,时效是在较低的温度或较短时间下进行。目的是进一步提高合金的强度和硬度。
T9
冷热循环处理
充分消除铸件内应力及稳定尺寸。用于高精度铸件

Al-Si合金液态模锻工艺研究的开题报告

Al-Si合金液态模锻工艺研究的开题报告

Al-Si合金液态模锻工艺研究的开题报告一、选题背景随着航空航天、汽车、电子等行业的发展,对于轻量化、高强度、高可靠性材料的需求日益增加。

因此,作为一种轻质、高强度、耐腐蚀性好的材料,Al-Si合金被广泛应用于制造零件和结构件中。

其中,液态模锻技术作为一种高效、精密的成形方法,对于Al-Si合金的制造具有重要的意义。

二、研究目的本研究旨在探究Al-Si合金的液态模锻工艺,包括铸造工艺、熔化工艺、液态模锻过程中的参数控制等方面,为提高Al-Si合金的制造质量和效率提供科学依据。

三、研究内容(1)Al-Si合金熔炼工艺的研究:探讨熔炼条件和工艺对于合金组织和性能的影响,确定最佳的熔炼工艺。

(2)液态模锻工艺参数的研究:通过模锻试验,分析模锻参数对于Al-Si合金组织和性能的影响,确定最佳的液态模锻工艺参数。

(3)模锻试验及组织分析:对于模锻试验的样品进行分析,探究液态模锻工艺对于Al-Si合金组织和性能的影响。

(4)研究工作总结和展望:总结本研究的实验结果,提出进一步研究的展望和设想。

四、研究方法(1)实验研究方法:通过实验研究的方式探究Al-Si合金的液态模锻工艺,包括铸造工艺、熔化工艺、液态模锻过程中的参数控制等方面。

(2)组织分析方法:通过金相显微镜、扫描电镜等方法对Al-Si合金的组织进行分析,并进行定量分析和统计。

五、预期成果通过本研究的实验和分析,预计可以得到以下成果:(1)探讨熔炼工艺和液态模锻参数对Al-Si合金组织和性能的影响。

(2)确定优化的Al-Si合金液态模锻工艺参数。

(3)获得Al-Si合金的优化组织结构,提高合金的性能。

(4)为提高Al-Si合金的制造质量和效率提供科学依据。

六、研究进度安排阶段一:对Al-Si合金液态模锻工艺进行文献调研和理论研究。

阶段二:进行Al-Si合金的熔炼试验和液态模锻试验。

阶段三:对实验结果进行组织分析并进行定量分析和统计。

阶段四:总结研究工作成果并进行展望和设想。

Al-Si系铸造高强度铝合金的制备技术研究 (1)

Al-Si系铸造高强度铝合金的制备技术研究 (1)

北京交通大学硕士学位论文Al-Si系铸造高强度铝合金的制备技术研究姓名:詹远光申请学位级别:硕士专业:材料学指导教师:韩建民20071201图1.1日本高速列车轻量化试验结果Fig.1.1WeightreductiontestresultsofJapanesehigh-speedtrain铝合金的比强度与合金结构钢相当,某些铝合金的强度甚至高于普通结构钢,并已生产出抗拉强度超过600MPa的超高强度高韧铝合金材料。

虽然某些铝合金在200℃~260℃温度下仍然能保持良好的强度.但在高温下,多数铝合金的强度呈大幅下降趋势,然而在摄氏零度以下,随着温度降低,铝及铝合金材料的强度反而会增加,因而能够作为优良的低温金属材料。

铝合金具有很高的抗腐蚀性,且北京交通人学坝I.学位论文2试验内容及Ⅳf究方法图2.14.Skw电阻炉及真空调压设备Ftga.14.Skwelectricalresistancefurnaceandvagunmadjustablecastingequipment2.1.4合金的熔炼工艺合金的熔炼过程按如下步骤进行:(1)烘烤吸管。

先将吸管用耐火材料压紧,然后放入吸管烘烤炉中进行预热。

以备铝料熔化后吸铸用。

(2)升温化料。

在吸管加热半个小时后,将铝料放入预先刷好涂料的坩埚内,将坩埚抽真空,在真空环境下把铝料加热至浇注温度。

(3)搅拌除气和扒渣。

在熔体温度达到浇注温度后,要定期用铌制搅拌杆进行搅拌除气,同时抽真空。

在浇注之前要扒渣数次。

除去氧化皮和杂质.2.2合金液态质量控制合金的熔体质量一般包含三方面的内容:熔体温度、熔体成分和熔体结构,它们对金属和合金的凝固组织与性能有重要的影响。

本试验采用实验室自主开发的一套搅拌系统来进行适当搅拌,使各种合金元素尽量均匀的分布于铝液中,保证熔体成分的均匀性,并促进熔体合金中的气体析出。

(1)合金熔体温度对合金凝固过程中组织形成及各类缺陷的控制有重要的影响。

的Al-Si合金表面张力及组织的研究

的Al-Si合金表面张力及组织的研究

毕业设计(论文)含Si3%-8%的Al-Si合金表面张力及组织的研究学生姓名王培鑫学号 08070220专业班级冶金(2)班指导教师张胜全提交日期2012-6兰州理工大学技术工程学院摘要表面张力是液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界面上的张力。

液态合金表面张力是液态金属的重要参数之一,它是晶体生长、凝固过程模拟和铸造合金品质预测的关键因素,高温熔体表面现象在冶金、化工、熔盐和材料科学等领域十分普遍。

目前测量表面张力的方法有静态法和动态法。

根据实验条件和各种方法的特点,应用静滴法原理采用封闭管式炉两端通入氮气保护和金不被氧化的办法测出铝硅合金的表面张力,结合合金相图及硬度综合分析得出:铋即能细化铝合金组织又能够降低合金表面张力。

硅对合金组织细化和表面张力降低效果不明显。

组织细化和硅含量增加使铝合金硬度增加。

关键字:表面张力,铝硅合金,组织性能IABSTRACTThe surface tension is the tension of the liquid surface layer along the surface of molecular attraction is not balanced in any of the interface. The surface tension of the liquid alloy is one of the important parameters of the liquid metal, it is crystal growth, solidification simulation and a key factor in casting alloy quality forecast, high-temperature melt surface phenomenon is very common in areas such as metallurgy, chemicals, molten salt, and materials science. Static method and dynamic method for measuring surface tension. Under the experimental conditions and the characteristics of a variety of methods, application of intravenous infusion of the principle of the closed tube furnace at both ends into the protection of nitrogen and gold is not oxidized way to measure the surface tension of Al-Si alloy, combined with the alloy phase diagram and hardness analysis obtained: bismuth can refine aluminum alloy to reduce the surface tension. Silicon alloy microstructure refinement and surface tension reducing effect is not obvious. Microstructure refinement and silicon content aluminum alloy hardness increase.KEY WORDS:Surface tension,Al-Si alloys, microstructure and properties目录摘要 (Ⅰ)ABSTRATE (Ⅱ)1文献综述 (1)1.1引言 (1)1.2表面张力概述 (1)1.3测定高温熔体常用方法 (2)1.3.1动态法 (2)1.3.2静态法 (2)1.3.2.1最大气泡法 (2)1.3.2.2拉筒法 (3)1.3.2.3滴外形法 (5)1.3.2.4毛细管上升法 (7)1.4表面张力在各领域中的重要性 (8)1.4.1表面张力在铸造中的作用 (8)1.4.2表面张力在熔盐中的体现 (8)1.4.3表面张力在高温熔体中的体现 (8)1.4.4表面张力在高表面能固体中的体现 (8)1.4.5表面张力在液态金属中的体现 (9)1.5国内外研究现状 (9)1.5.1国内动态 (9)1.5.2国外动态 (10)1.6铝合金的分类﹑性能及用途 (10)1.6.1铝合金的分类与标示 (10)1.6.2铝合金的用途 (11)1.6.3铝合金的用途 (11)1.7金属元素对合金组织性能的影响 (11)1.7.1铋对铝硅合金稳定性的影响 (11)1.7.2铋对铝硅合金耐磨性的影响 (12)1.7.3铋对铝硅合金组织的影响 (12)1.7.4铋对锌铝合金性能的影响 (12)1.8展望 (12)2实验过程 (13)2.1实验准备 (13)2.1.1实验仪器 (13)2.1.2主要设备简介 (13)2.1.3实验材料 (14)2.2实验流程 (14)2.2.1实验流程 (14)2.2.2实验装置图 (14)2.2.3实验过程介绍 (14)3实验结果及讨论 (16)3.1实验原理 (16)3.2实验照片的处理方法 (16)3.2.1绘制与铝合金熔滴外形一致的椭圆曲线 (16)3.2.2铝合金熔滴水平截面特征数值和体积的获取 (17)3.2.3电脑处理铝合金熔滴照片实况记录 (18)3.3实验结果及分析 (19)3.3.1铝合金金相分析 (19)3.3.2铝合金硬度分析 (22)3.3.3铝合金表面张力分析 (23)4结论 (25)参考文献 (26)外文文献 (28)中文翻译 (42)致谢 (57)1文献综述1.1引言表面张力就是界面张力,通常将物体表面单位长度作用的力称为表面张力,它是合金熔化、熔体处理、凝固等过程中气相和固相、气相和液相、固相和液相的重要物理性质参数之一,是液体表面层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力。

Si、Mg含量变化对Al-Mg-Si-Li合金组织和性能的影响

Si、Mg含量变化对Al-Mg-Si-Li合金组织和性能的影响

Efe to ia g Le e n M ir sr c u e a d f c fS nd M v lo c o t u t r n
Pr pe te fAlM g S ・ l y o riso _ - iLiAlo s
P n - a ,QI Zh n,Z AN Yi gc i AO e HAO h n - u Z o gk i
了具 有高 L 和 S 含 量 的系 列 铝 合 金 , 有 低 密 i i 具 度 , 的 弹 性 模 量 和 高 的 比模 量 。I G. u o 高 . R sv 等_ 研 究 了合 金成 分 ( 4 ] 质量分 数) 1 2 1 7 9 为( . ~ . )/ 6
L 、 1 . ~1 . ) S 、4 5 6 4 Mg的铝合 i( 3 8 5 O i( . ~ . ) 金 的组织 、 显微硬 度 和抗拉 强度 。
强化 作用 , 量则对 合金 性能不 利 , 控 制 Mg质 过 应
量 分 数 在 0 5 ~ 3 0 E 。AI i 金 中 加 入 . . l i — 合 S
5℃ , 温 3 n 水 淬 , 后 再在 箱 式 电 阻炉 进 保 Omi , 然
行 2 0℃时效 处理 。 0
L , 以大 大 降 低 合金 密 度 , 高力 学 性 能 。Al i可 提 —
pr pe te o ris
收 稿 日期 : 0 1O—8 2 1 一92 基 金 项 目 :山东 省 优 秀 中青 年 科 学 家科 研 奖 励 基 金 项 目( 0 6 S 0 4 7 20B B 11) 作 者 简 介 : 英 才 ( 9 6 ) 男 , 士 研 究生 . 潘 18一 , 硕
p o sh ri g o e M g i h s p e r n t ealy y e c sie M g o ra e rn b n 2 a e a p a si h l sb x e sv S p o .

Cu_对Al-50%Si_合金法提纯太阳能级多晶硅过程中初晶硅Al_含量影响研究

Cu_对Al-50%Si_合金法提纯太阳能级多晶硅过程中初晶硅Al_含量影响研究

第52卷第9期2023年9月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS Vol.52㊀No.9September,2023Cu 对Al-50%Si 合金法提纯太阳能级多晶硅过程中初晶硅Al 含量影响研究陈文雨,刘家旭,刘嘉霖,陈嘉慧,张银涛,唐㊀洪,赵紫薇,高忙忙(宁夏大学材料与新能源学院,宁夏光伏材料重点实验室,银川㊀750021)摘要:Al-Si 合金法提纯具有生产成本低㊁除杂效率高㊁副产物单一等特点,是一种极具潜力的太阳能级多晶硅原料的制备方法㊂在该工艺路线中,Al 作为溶剂不可避免地会对Si 产生污染,如何降低初晶硅中Al 的含量是亟需解决的问题之一㊂本文通过向Al-50%Si 合金中加入Cu,分析Cu 对合金溶液热力学性能的影响,结合Cu 的存在方式,探讨Cu 对Al 污染的抑制作用㊂结果表明:在Al-50%Si 合金中添加10%(质量分数)Cu 后,合金中Al 的活度系数降低至0.7148;初晶硅中Al 的含量从250.960mg /kg 降低到181.637mg /kg,比未添加Cu 时减少了27.62%,同时,Cu 在初晶硅中的残留仅为12.6mg /kg,低于Cu 在Si 中的固溶度㊂可见,在Al-Si 合金中引入Cu 并未对初晶硅造成二次污染㊂因此,采用Al-Si-Cu 三元合金体系进行提纯制备太阳能级多晶硅能够有效抑制Al 对初晶硅的污染㊂关键词:Al-Si 合金;Cu;Al 含量;活度系数;Al 2Cu;初晶硅中图分类号:O782;TQ127.2㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1000-985X (2023)09-1660-08Effect of Cu on the Al Content of Primary Silicon During the Purification of Solar-Grade Polysilicon by Al-50%Si Alloy MethodCHEN Wenyu ,LIU Jiaxu ,LIU Jialin ,CHEN Jiahui ,ZHANG Yintao ,TANG Hong ,ZHAO Ziwei ,GAO Mangmang(Key Laboratory of Ningxia of Photovoltaic Materials,School of Materials and New Energy,Ningxia University,Yinchuan 750021,China)Abstract :Al-Si alloy purification method is an up-and-coming method for the preparation of solar-grade polysilicon raw materials because of its low production cost,high removal efficiency and single by-product.In this process,Al as a solvent will inevitably contaminate Si,and how to reduce the content of Al in primary silicon is one of the urgent problems to be solved.In this paper,a small amount of Cu was added to Al-50%Si alloy,the effect of Cu on the thermomechanical properties of the alloy solution was analyzed,and the inhibitory effect of Cu on Al contamination in combination with the existing form of Cu was explored.The results show that the activity coefficient of Al in the alloy reduces to 0.7148with 10%(mass fraction)Cu addition.The content of Al in the primary silicon reduces from 250.960mg /kg to 181.637mg /kg,which is 27.62%less than that without the addition of Cu.Meanwhile,the residual Cu in primary silicon is only 12.6mg /kg,which is lower than the solid solution of Cu in Si.The introduction of Cu into the Al-Si alloy does not cause secondary contamination of the primary silicon.Therefore,using Al-Si-Cu ternary alloy system for purification to prepare solar-grade polysilicon can effectively suppress Al contamination of primary silicon.Key words :Al-Si alloy;Cu;Al content;activity coefficient;Al 2Cu;primary silicon㊀㊀收稿日期:2023-03-19㊀㊀基金项目:国家自然科学基金(52164047);宁夏自然科学基金(2021AAC03064);中国科学院 西部之光 人才培养计划(XAB2022YW10)㊀㊀作者简介:陈文雨(1997 ),男,江西省人,硕士研究生㊂E-mail:chenwenyu2021@ ㊀㊀通信作者:高忙忙,博士,研究员㊂E-mail:gaomm@0㊀引㊀㊀言近年来,随着光伏产业迅猛发展,对于太阳能级高纯多晶硅原料(6N ~7N)的需求持续增加㊂目前,太㊀第9期陈文雨等:Cu 对Al-50%Si 合金法提纯太阳能级多晶硅过程中初晶硅Al 含量影响研究1661㊀阳能级多晶硅的主流生产方法为改良西门子法和流化床法[1],然而高能耗和高环保成本导致高纯多晶硅原料成本居高不下㊂因此,急需开发一种成本低廉的高纯多晶硅制备方法㊂溶剂合金精炼法[2-3]由于具有低成本㊁绿色环保的特点,得到了研究者的广泛关注㊂该技术利用杂质原子在固相硅和熔体之间的分凝行为对工业硅进行提纯㊂在合金法提纯工艺中,要求溶剂具有低熔点㊁低分凝系数㊁与杂质亲和力强的特点,目前已开发出多种合金提纯体系,如:Si-Cu [4-5]㊁Si-Ni [6]㊁Si-Fe [7]㊁Si-Ca [8]㊁Si-Sn [9]㊁Al-Si [10-11]等㊂其中,由Obinata 等[12]提出的Al-Si 合金是研究最为广泛㊁技术最为成熟的合金提纯体系㊂在该合金提纯过程中,不生成复杂的中间相,并且仅产生一种副产物(铝硅合金),可作为航天航空和汽车产业的原材料,因此,提纯工艺相对简单,并已实现了小规模的商业化生产㊂在提纯效果方面,Morita 等[13]研究发现,Al-Si 体系中绝大多数杂质分凝系数都会降低一个或几个数量级,并且杂质的分凝系数随着温度的降低而减小,具有较好的杂质去除效果㊂与Si-Cu 及其他合金法相比,Al-Si 合金法具有更低的提纯温度,初晶硅中的杂质含量更低㊂然而,通过Al-Si 合金提纯制备的多晶硅中P㊁B 和Al 的含量并未达到太阳能级多晶硅的要求,需要进一步去除㊂目前在P 和B 杂质的去除方面已有大量研究,提出了多种提高P 和B 杂质去除效果的合金体系,如Al-Si-Ti [14]㊁Al-Si-V [15]㊁Al-Si-Hf [16]㊁Al-Si-Ca [17]㊁Al-Si-Sr [18]等㊂但作为溶剂的Al,在初晶硅晶粒生长过程中会以夹杂[19-20]㊁化合物[21]和固溶体[22]的形式对硅晶粒造成污染,导致提纯后初晶硅中Al 的含量过高㊂因此,如何降低提纯后硅中的Al 含量,也是Al-Si 合金提纯技术亟需解决的问题之一㊂Yoshikawa 和Morita [23]提出在加热过程中用电磁力将提纯的多晶硅从Al-Si 熔体中分离出来㊂这种方法增强了合金凝固过程中熔体的对流,使析出的初晶硅富集在铸锭的下部,而富Al 层和共晶硅富集在铸锭的上部,实现了初晶硅从熔体中的分离,减少了初晶硅中的Al 夹杂㊂Lv 等[24]提出利用超重力将多晶硅从Al-Si 熔体中分离出来,但超重力法分离的设备较复杂,通过此方法无法进行大规模的生产㊂此外,Nishi 等[25]利用定向凝固与电阻加热,Li 等[26]使用改良的Czochralski 方法都能够有效减少初晶硅中的Al 夹杂㊂这些方法多以降低Al 的夹杂来减少初晶硅中的Al 含量㊂但由于Al 在Si 中的固溶度较大(1326K,约260mg /kg [27]),通过这些方法提纯的初晶硅中Al 含量依然很高,无法从本质上降低初晶硅中的Al 含量㊂Olesinski 等[28]研究表明,Al 与Cu 之间有很强的亲和力,Cu 可以减小Al 在Al-Si 合金熔体中的活度系数[29],因此,在Al-Si 体系中引入Cu 形成Al-Si-Cu 三元合金提纯体系,有可能从本征上降低Al 在初晶硅的固溶度,从而抑制Al 对初晶硅的 污染 ㊂本文在前期研究基础之上,在Al-50%Si(质量分数)合金体系[30]中引入不同含量的Cu 形成三元合金㊂首先,通过热力学计算分析Cu 对Al-Si 合金中Al 活度系数的影响;其次,分析不同三元合金成分提纯后的形貌和初晶硅中Al㊁Cu 杂质的含量;最后,归纳出Cu 在抑制Al-Si 合金提纯过程中Al 污染的作用㊂1㊀实㊀㊀验将工业硅(纯度99.9%)㊁铝粉(纯度99.8%)和铜粉(纯度99%)按照AlʒSiʒCu =50-x ʒ50ʒx (其中x =0㊁5㊁10,本文简化为Al-50Si㊁Al-50Si-5Cu 和Al-50Si-10Cu)的成分比例配成40g 的Al-Si-x %Cu(质量分数)的混合物㊂将混合原料装入刚玉坩埚后,放入高温真空管式炉(GSL-1600X,合肥科晶)加热至1450ħ保温3h,图1㊀合金凝固过程示意图Fig.1㊀Diagram of alloy solidification process 使合金充分熔化,加热熔化过程在Ar-4%H 2的气氛保护下进行,升温速率为6ħ/min㊂以4ħ/min 的冷却速率降温至900ħ保温2h,进行孕育处理以增加初晶硅的形核率[31]㊂接下来再以3ħ/min 的冷却速率降温至600ħ保温2h,使初晶硅充分析出㊂最后试样随炉冷却至室温㊂加热冷却曲线如图1所示㊂获得的不同成分合金铸锭首先用金刚石线切割机(STX-603,沈阳科晶)切割成两半㊂一半合金铸锭用于形貌分析:首先将试样进行研磨㊁抛光处理,用浓度为1%的氢氧化钠溶液进行腐蚀后,采用金相显微镜(ZMM-500,上海宙山精密光学)进行形貌分析;其次,1662㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷采用配有能谱仪的扫描电子显微镜(SEM-EDS)分析铸锭的显微形貌和元素分布㊂另一半合金铸锭采用颚式破碎机(MSK-SFM-ALO,合肥科晶)进行破碎,用于酸洗提纯㊂酸洗工艺为:首先用2mol /L 的HCl 溶液浸泡5h,接下来用2mol /L 的HNO 3溶液浸泡5h,然后用王水浸泡6h,最后用10%HF +20%CH 3COOH 的混酸溶液浸泡3h㊂在酸洗工艺中,将第一步酸洗后的硅进行筛分,以分离初晶硅和共晶硅㊂为了进一步精确表征初晶硅的含量,本文将初晶硅的尺寸定义为大于300μm 以上㊂在上述酸洗过程中,将经过HCl 溶液酸洗后获得的初晶硅用玛瑙钵研磨成细粉后再通过后续的酸洗处理,以充分去除初晶硅晶粒中的Al 夹杂㊂将经过酸洗得到的初晶硅消解后,定容成50mL 澄清透明的溶液,用于电感耦合等离子体发色光谱仪(ICP-OES)测定初晶硅中的杂质含量㊂2㊀结㊀㊀果2.1㊀Cu 对Al-Si 合金热力学参数的影响为了分析Cu 与Al-Si 合金的相互作用关系,采用热力学计算分析Cu 对合金溶液活度系数的影响㊂为了简化合金溶液热力学性质与合金组成的关系,将Al-Si 二元合金溶液看作规则溶液㊂利用Redlich-Kister 型规则溶液模型,可得到Al-Si 二元合金体系的过量吉布斯自由能[32]㊂对于Al-Si-Cu 三元规则溶液模型,体系的过量吉布斯自由能可表示为Al-Si㊁Cu-Si㊁Al-Cu 三部分的相互作用之和,即ΔG ex =ðj i =0Ωi Si-Al (X Al -X Si )iX Si X Al +ðj i =0Ωi Al-Cu (X Cu -X Al )i X Cu X Al +ðj i =0Ωi Cu-Si (X Si -X Cu )i X Si X Cu (1)式中:ΔG ex 为体系的过量吉布斯自由能,Ωi Si-Al ㊁Ωi Cu-Si ㊁Ωi Al-Cu 分别为Al-Si㊁Cu-Si㊁Al-Cu 二元合金的i 阶热力学特性参数,X Al ㊁X Si ㊁X Cu 分别为组分Al㊁Si㊁Cu 的摩尔分数㊂体系中Al 元素的过量吉布斯自由能可以表示为G ex Al =RT ln γAl =ΔG ex -X Si ∂(ΔG ex )∂X Si []-X Cu ∂(ΔG ex )∂X Cu [](2)式中:R 为理想气体常数,T 为热力学温度,γAl 为元素Al 在合金溶液中的活度系数㊂利用偏摩尔集合公式,体系的过量吉布斯自由能又可表示为ΔG ex =ðX B ∂(ΔG ex )∂X B [](3)式中:B =Al㊁Si㊁Cu㊂由式(1)㊁(2)㊁(3)可以得到合金溶液中Al 的活度系数γAl 的计算公式为γAl =exp {[ðj i =0Ωi Al-Cu (X Cu -X Al )i X Cu X Al -ðj i =0Ωi Al-Cu i (X Cu -X Al )i -1X Cu X 2Al +ðj i =0Ωi Si-Al (X Al -X Si )i X Si X Al +ðj j =0Ωi Si-Al i (X Al -X Si )i -1X Si X 2Al ]/RT }(4)由于三元合金体系中,Cu 的含量相对较少,因此在进行计算时,忽略Cu 对体系熔点的影响,所有组分均在Al-50Si 合金熔点(1326K)处进行计算㊂将二元合金溶液Al-Cu [33]㊁Si-Al [34]㊁Si-Cu [35]的热力学特性参数,以及组元的摩尔分数带入公式(4),得到Cu 含量为0%㊁5%㊁10%的γAl ,如表1所示㊂表1㊀Al 活度系数随Cu 含量的变化情况Table 1㊀Variation of Al activity coefficient with Cu contentSample 0%Cu 5%Cu 10%Cu γAl 0.74450.72840.7148从表中可以看出,在Al-Si-Cu 三元合金熔体中,随着Cu 含量从0%增加到10%,熔体的γAl 从0.7445逐渐降低到0.7148,表明Cu 的加入可以有效降低Al-Si-Cu 三元合金熔体的γAl ㊂这一结果与Yoshikawa 等[29]研究的结果一致,可以推断出随着Al-Si-Cu 合金熔体中Al 活度系数的减小,Al 在Si 中的固溶度降低㊂因此,引入Cu 可以降低从本质上初晶硅中的Al 含量㊂㊀第9期陈文雨等:Cu 对Al-50%Si 合金法提纯太阳能级多晶硅过程中初晶硅Al 含量影响研究1663㊀2.2㊀Cu 对不同合金显微形貌和杂质含量的影响图2(a)~(c)分别为Al-50Si 合金㊁Al-50Si-5Cu 合金㊁Al-50Si-10Cu 合金铸锭的金相图㊂从图2(a)中可以看出,在Al-50Si 合金铸锭凝固后,形成了板条状的初晶硅与细针状的共晶硅,这是典型的过共晶合金凝固组织形貌㊂在合金中加入Cu 后,显微组织中出现了呈红色和褐色的第三相(见图2(b)与2(c)),经推断,该相可能为富Cu 相㊂随合金中Cu 含量的增多,富Cu 相的含量有增加的趋势㊂图2㊀Al-Si-Cu 合金的金相图Fig.2㊀Metallographs of Al-Si-Cualloys 图3㊀含Cu 相的显微形貌(a)㊁(b)和EDS 图(c)Fig.3㊀Microstructure (a),(b)and EDS (c)of Cu-containing phase 为了进一步对富Cu 相进行表征,采用SEM-EDS对该相的元素组成进行分析㊂图3(a)为成分为Al-50Si-10Cu 合金中富Cu 相组织显微形貌㊂从图中可以看出,富Cu 相呈不规则的块状形貌,并且均匀分布在Al-Si 共晶基体中,其尺寸约在10~50μm,结合图2(c)可以得出,富Cu 相具有聚集生长的特征㊂图3(b)为富Cu 相放大后的显微形貌(所选区域如图3(a)中所示),可以看到,部分富Cu 相具有枝晶生长的特征㊂进一步对其成分进行EDS 分析(见图3(c)),可以看到在富Cu 相中主要存在Al 和Cu 两种元素,Si元素的含量非常少,可能是由于检测误差㊂由能谱分析结果可知,Al 原子与Cu 原子的占比分别为62.04%和37.09%,可以得出Al 和Cu 的原子比为1.67,接近Al 2Cu 的原子比㊂因此,推断在合金中加入Cu 后生成了Al 2Cu 化合物㊂为了进一步分析Al 2Cu 相的凝固行为,本文用JmatPro 软件分析了Al-50Si-10Cu 三元合金的凝固过程(见图4(a))㊂从图中可以看出,在合金凝固过程中,初晶硅在1376K 处开始析出,共晶硅在温度降至Al-Si 合金共晶点818K 时开始析出㊂当温度降至798K 时,Al 2Cu 相开始形成,结合合金铸锭的加热冷却曲线可知,Al 2Cu 相是在合金炉冷阶段形成的,如图1虚线框所示㊂由于Al 2Cu 相的生长温度(798K)低于Al-Si 合金的共晶温度(818K),因此,当Al 2Cu 相形成时,初晶硅相的生长已经完成,这表明Al 2Cu 相没有参与初晶1664㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷硅的生长过程,不会以化合物的形式对初晶硅带来Al 污染或Cu 污染㊂图4(b)为Al-Cu 二元合金相图[36],从图中可以看到,当Cu 含量低于10%时,Al-Cu 合金的共晶温度约为815K,并且形成的Al-Cu 金属间化合物是Al 2Cu,与JmatPro 模拟的Al-50Si-10Cu 三元合金凝固相图的结果一致㊂图4㊀Al-50Si-10Cu 合金的凝固模拟相图(a)和Al-Cu 二元合金相图(b)[36]Fig.4㊀Simulated phase diagram of solidification of Al-50Si-10Cu alloy (a)and phase diagram of Al-Cu binary alloy (b)[36]图5(a)为不同成分Al-Si 合金提纯后初晶硅中Al 的含量(图中阴影部分(阴影表示的是一个区域,不是一个值,把固溶度标在图上)表示初晶硅中Al 的含量低于Al 在Si 中的固溶度(约为260mg /kg,1326K [27]))㊂从图中可以看出,在未添加Cu 的合金(即Al-50Si)提纯后初晶硅中Al 的含量为250.960mg /kg,这一结果与Al 在固体Si 中的固溶度相当,表明采用本文中所述的提纯和酸洗工艺获得的初晶硅中没有出现明显的Al 夹杂㊂在合金中加入Cu 后,初晶硅中Al 的含量进一步下降,当Cu 的添加量为10%时,初晶硅中Al 的含量降低到181.637mg /kg,这一结果远低于Al 在初晶硅中的固溶度,表明在Al-Si 合金中加入Cu 形成Al-Si-Cu 三元合金,能够从本征上降低初晶硅中Al 的含量㊂同时还可以看到,采用本文中的提纯和酸洗工艺制备的初晶硅中Al 的含量均远低于文献所报道的Al 的含量[10,37-38]㊂图5(b)为不同合金成分铸锭提纯后初晶硅的Cu 含量㊂从图中可以看出:在未加入Cu 时,提纯后初晶硅中Cu 的含量仅为0.8656mg /kg;在合金中加入Cu 后,初晶硅Cu 的含量急剧增加,当加入10%Cu 时,提纯后初晶硅中Cu 的含量增加为12.6328mg /kg,这一结果低于Cu 在Si 中的固溶度(18mg /kg,1326K)[39]㊂可见,Cu 的加入增加了提纯后初晶硅中Cu 的含量㊂Cu 具有较小的分凝系数,在后续采用定向凝固过程中较易去除,不会造成明显的 二次污染㊂图5㊀初晶硅中的Al 含量(a)和Cu 含量(b)Fig.5㊀Al content (a)and Cu content (b)in primary silicon 3㊀讨㊀㊀论对于Al-Si 合金提纯体系,降低初晶硅中Al 的含量是急需解决的关键问题之一㊂研究表明,较高的Al㊀第9期陈文雨等:Cu对Al-50%Si合金法提纯太阳能级多晶硅过程中初晶硅Al含量影响研究1665㊀含量主要来源以下两个方面:一是Al在Si中的固溶度较大(260mg/kg,1326K[27]),在合金凝固过程中固溶在Si中的Al原子较多㊂二是与初晶硅晶粒的生长方式有关㊂一般来说,Al-Si过共晶合金凝固过程中,优先析出的初晶硅以孪晶凹角(TPRE)和层状机制进行生长[40-41],初晶硅晶粒在[001]方向上呈现平行生长的孪晶形态,在两个孪晶晶粒之间较易形成富Al层,从而引起Al原子夹杂(见图6),这一部分富Al层在酸洗过程中不易被完全除去,导致初晶硅中Al的含量远高于Al在Si中的固溶度㊂因此,采用传统的提纯工艺获得的初晶硅中Al的含量较高,如图5(a)中所示㊂为了降低初晶硅中的Al含量,本文针对初晶硅中Al的两个主要来源,一方面采用优化的酸洗工艺,即在第一步酸洗后将获得的初晶硅进行细化处理(如1实验部分中所示),使孪生初晶硅晶粒间的富Al层充分暴露,从而在后续的酸洗过程中加以去除,降低由Al夹杂引起的Al污染㊂另一方面,为了从本征上降低Al在Si中的固溶度,通过在Al-Si合金中加入Cu,降低合金的活度系数,从而降低Al在Si中的固溶度㊂从图5(a)中可以看出,在合金中加入Cu后,初晶硅中的Al含量下降至260mg/kg以下㊂这一结果表明,在合金中加入Cu后,有效降低了Al在Si中的固溶度,这是抑制初晶硅Al污染的一条行之有效的思路㊂图6㊀Al-50Si-10Cu合金铸锭的元素分布Fig.6㊀Elemental distribution of Al-50Si-10Cu alloy ingots本文的研究结果表明,在合金中加入Cu后会生成Al2Cu相,该相为金属间化合物,若在凝固过程中被初晶硅晶粒 包裹 ,则会对初晶硅带来金属杂质的污染㊂从合金的凝固过程分析可知,Al2Cu相的生成温度低于初晶硅晶粒的形成温度,因此,不会出现该金属间化合物的污染,初晶硅中Cu杂质的含量也有力地证明了这一结论,即在合金中加入Cu后未对初晶硅带来Cu杂质的 二次污染 ㊂同时,在实验中未发现Si-Cu相关化合物的生成,即采用Al-Si-Cu三元合金体系提纯时,没有出现Si原子的额外消耗,也就是说不会影响初晶硅的收率,这一结论更加有利于Al-Si-Cu三元合金体系的实用化㊂通过以上分析可知:在Al-Si合金中加入Cu能够有效降低Al在Si中的固溶度,从而从本征上抑制Al 对初晶硅的污染;同时,采用优化的酸洗工艺,可以去除由初晶硅晶粒生长方式造成的Al夹杂㊂因此,采用Al-Si-Cu三元合金提纯体系和优化的酸洗工艺是抑制初晶硅中Al污染的有效途径㊂4㊀结㊀㊀论本文采用Al-Si-Cu三元合金提纯体系,计算了合金的热力学参数,分析了合金的凝固过程及初晶硅的杂质含量,获得以下结论:1)Cu的加入可以降低Al在合金熔体中的活度系数,Al的活度系数从0.7445降低至0.7148,从而减小了Al在Si中的固溶度,从本质上降低了初晶硅中的Al含量㊂2)Al-Si-Cu合金凝固过程中,生成了Al2Cu金属间化合物,该化合物的形成温度为798K,低于Al-Si合金的共晶温度,未参与初晶硅晶粒的生长过程㊂3)采用Al-50Si-10Cu合金提纯后,初晶硅中Al的含量为181.6mg/kg,远低于Al在Si中的固溶度;同时,Cu的含量仅为12.6mg/kg,未对初晶硅造成 二次污染 ㊂4)采用Al-Si-Cu三元合金提纯体系和优化的酸洗工艺是抑制初晶硅中Al污染的一条行之有效的思路㊂1666㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第52卷参考文献[1]㊀RAMÍREZ-MÁRQUEZ C,OTERO M V,VÁZQUEZ-CASTILLO J A,et al.Process design and intensification for the production of solar gradesilicon[J].Journal of Cleaner Production,2018,170:1579-1593.[2]㊀YOSHIKAWA T,MORITA K.An evolving method for solar-grade silicon production:solvent refining[J].JOM,2012,64(8):946-951.[3]㊀LUO D W,LIU N,LU Y P,et al.Removal of boron from 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铝合金铸造基础知识

铝合金铸造基础知识
R14含硅量多(14-16%),属于过共晶,由于硅含量高,相对应的耐磨性较 好,我厂专门用来生产耐磨性要求较高的拨叉。
5 、铝硅合金中其它元素的作用:
镁:可提高强度和屈服极限,提高了合金的切削加工性。 锌:锌在铝合金中能提高流动性,增加热脆性,降低耐蚀性,故应控制锌的含 量在规定范围中。 铁:铁以FeAl3、Fe2Al7和Al-Si- Fe的片状或针状组织存在于合金中,降低 机械性能,这种组织还会使合金的流动 性减低,热裂性增大,但由于铝合金对模具 的粘附作用十分强烈,当铁含量在 0.6%以下时尤为强烈。当超过0.6%后,粘模现 象便大为减轻,故含铁量一般应控制在0.6~1%范围内对压铸是有好处的,但最高 不能超过1.5%。 锰:锰在铝合金中能减少铁的有害影响,能使铝合金中由铁形成的片状或针状 组织变为细密的晶体组织,故一般铝合金允许有0.5%以下的锰存在。含锰量过高时, 会引起偏析。 镍:镍在铝合金中能提高合金的强度和硬度,降低耐蚀性。镍与铁的作用一样, 能减少合金对模具的熔蚀,同时又能中和铁的有害影响,提高合金的焊接性能。 钛:能显著细化铝合金的晶粒组织,提高合金的机械性能,降低合的热裂倾向。
三.铸造基本知识
1、定义:铸造就是液态金属的一种成型方式。 2、铸造的分类: 铸造的种类较多,有传统的砂型铸造、重力铸造、熔模铸造、高压铸造、低压铸造、 消失模具铸造、离心铸造、陶瓷型铸造、连续铸造等。 3、我厂采用的铸造方法主要有以下几种: ⑴、金属型铸造(重力铸造) 金属型铸造又称硬模铸造,它是将液体金属浇入金属铸型,在重力的作用下结晶凝固 以获得铸件的一种铸造方法。凝固顺序是自下而上的。 ⑵、高压铸造 压力铸造是将液态或半液态金属, 在高压作用下, 以高的速度填充压铸模的型腔, 并在压力下快速凝固而获得铸件的一种方法。压铸时常用压力是从几兆帕至几十兆帕 (即几十到几百个大气压) , 填充初始速度在 0.5~70m/s 范围内。因此, 高压和高速 是压铸法与其他铸造法的根本区别, 也是重要特征 。

合金钢、铸铁、有色金属的显微组织观察与分析

合金钢、铸铁、有色金属的显微组织观察与分析

合金钢、铸铁、有色金属的显微组织观察与分析实验目的实验说明实验内容及方法指导实验报告要求思考题一:实验目的(1)观察各种常用合金钢、有色金属和铸铁的显微组织。

(2)分析这些金属材料的组织和性能的关系及应用。

二:实验说明1.几种常用合金钢的显微组织一般合金结构钢、低合金工具钢都是低合金钢。

即合金元素总量小于5%的钢,由于加入了合金元素,使相图发生了一些变动,但其平衡状态的显微组织与碳钢没有质的区别。

热处理后的显微组织仍然可借助C曲线来分析,除了Co元素之外,合金元素都使C曲线右移,所以低合金钢用较低的冷却速度即可获得马氏体组织。

例如,除作滚动轴承外,还广泛用作切削工具、冷冲模具、冷轧辊及柴油机喷嘴的GCrl5钢,经过球化退火、840~C油淬和低温回火,得到的组织为隐针或细针回火马氏体和细颗粒状均匀分布的碳化物以及少量残余奥氏体。

高速钢是一种常用的高合金工具钢。

如W18Cr4V高速钢,因为含有大量合金元素,使Fe—Fe3C相图中点E大大向左移动,所以它虽然只含有w(C)=0.7%~0.8%碳,但已经含有莱氏体组织。

在高速钢的铸态组织中可看到鱼骨状共晶碳化物,如图1所示。

这些粗大的碳化物,不能用热处理方法去除,只能用锻造的方法将其打碎。

锻造退火后高速钢的显微组织是由索氏体和分布均匀的碳化物组成(图2)。

大颗粒碳化物是打碎了的共晶碳化物。

高速钢淬火加热时,有一部分碳化物未溶解,淬火后得到的组织是马氏体、碳化物和残余奥氏体(图3)。

碳化物呈颗粒状,马氏体和残余奥氏体都是过饱和的固溶体,腐蚀后都呈白色,无法分辨,但可看到明显的奥氏体晶界。

为了消除残余奥氏体,需要进行三次回火,回火后的显微组织为暗灰色回火马氏体、白亮小颗粒状碳化物和少量残余奥氏体,如图4所示。

图1 W18Cr4V钢铸态组织图2 W18Cr4V钢锻后退火组织图3 W18Cr4V钢的淬火组织图4 W18CNV钢的淬火回火组织2.铸铁的显微组织依铸铁在结晶过程中石墨化程度不同,可分为白口铸铁、灰口铸铁、麻口铸铁。

高性能挤压铸造铝合金研究进展徐华杨

高性能挤压铸造铝合金研究进展徐华杨

高性能挤压铸造铝合金研究进展徐华杨发布时间:2021-09-10T01:11:17.038Z 来源:《福光技术》2021年11期作者:徐华杨[导读] Al-Cu 系合金具有较高的强度和良好的耐热性,但其凝固区间较大,易形成缩松和热裂等铸造缺陷。

扬州凯翔精铸科技有限公司江苏扬州 225800摘要:航空航天、汽车等领域的快速发展对低成本、高质量、高性能铝合金提出了极大需求,而采用挤压铸造成形方法制备的铝合金零部件具有组织致密、各向异性弱、铸造缺陷少和力学性能高等优势。

目前,开发具有自主知识产权的适于挤压铸造的合金体系及其制备工艺是发展挤压铸造产业的关键。

对直接挤压铸造、间接挤压铸造和半固态挤压铸造等方法进行了对比分析,并对挤压铸造铝合金进行了归类与整理,为今后采用挤压铸造制备高性能铝合金零件提供参考。

最后,指出了发展挤压铸造铝合金零件面临的挑战和今后需要研究的重点。

关键词:挤压铸造;铝合金;铸造缺陷;微观组织;力学性能1Al-Cu 系合金Al-Cu 系合金具有较高的强度和良好的耐热性,但其凝固区间较大,易形成缩松和热裂等铸造缺陷。

相较于普通铸造,挤压铸造Al-Cu 系合金铸件的铸造缺陷较少,力学性能明显增强。

JAHANGIRIA 等发现,增大挤压铸造压力 ( 一定范围内 ) 和降低浇注温度可使AA2024 合金晶粒细化、孔隙率减少。

当浇注温度为 700℃、比压为140MPa 时,枝晶间距和孔隙直径分别减小到 12.5μm 和 0.25μm,并出现平均粒径为 80nm 的超细晶粒。

石亚等发现,随熔体温度升高,挤压铸造 Al-5.0Cu-0.6Mn-0.5Fe- 0.1Ti-0.1RE 合金中 α-Al 二次枝晶间距、第二相体积分数和铸造缺陷均减小。

当合金熔体温度为 650℃时,抗拉强度和伸长率分别达到299MPa 和 17.5%。

然而,挤压铸造 Al-Cu 系合金依然会出现缩松、热裂纹等铸造缺陷。

在比压为 50MPa、浇注温度为 730℃和模具温度为250℃时,挤压铸造 Al-5Cu-0.4Mn 合金会出现缩松、裂纹等铸造缺陷。

有色铸铁习题

有色铸铁习题
T · × ◎ × × × × ◎ ◎ ◎ ◎ t ×为共晶开始点, ◎为共晶结束点
42.片状石墨的分布类型有哪些?哪一种类型铸铁性能最好? 43.白口、灰口和麻口铸铁的金相组织有何区别? 44.灰铸铁中Si与Mn对组织与性能有何影响? 45.球铁经常出现的铸造缺陷有哪些? 46.为什么奥贝球铁有较高的综合力学性能?如何生产? 47.可锻铸铁中的石墨是如何形成的? 48.何谓球化处理?孕育处理? 49.为何超硬铝合金容易产生晶界应力腐蚀断裂,请问应采取哪些措施 消除? 50.为什么固溶处理之后要进行时效处理,影响时效硬化效果的因素有 哪些? 51.可锻铸铁有哪些优缺点?
15.铸铁如果第一、第二阶段完全石墨化,其组织应为( )。
(a)F+G,(b)F+P+G,(c)P+G,(d)P+Fe3C+G。
16.提高灰铸铁的耐磨性应选择( )。
(a)整体淬火,(b)渗碳、淬火+低温回火,(c)表面淬火,(d)等温
淬火。
17. 对于可热处理强化的铝合金,其热处理的方法为( )。
33.镁合金的热处理特点是什么?在什么情况下镁合金需要二次热处
理?
34.镁合金的最大特点是什么?为什么被称为“绿色工程材料”? 35.灰铸铁与铸钢谁的铸造性能好?为什么?
36.画出Fe-Gr合金相图,填出各区域的组织组成物
37.α稳定型合金是钛与哪些元素形成的合金? 38.机床的床身、床脚和箱体为什么都采用灰铸铁铸造为宜?能否用钢
A、基体组织类型; B、热处理的情况;
C、石墨形状的大小与分布;D、石墨化程度 .
11.现有下列铸铁,请按用途选材:(1)HT250 (2)QT600-2(3)
RT400(4)KTZ350-10

不同变质处理对铝合金组织性能的影响

不同变质处理对铝合金组织性能的影响

不同变质处理对铝合金组织性能的影响摘要:在铸造Al-15%Si合金熔炼过程中分别加入变质剂P盐、P盐+Al-Sr中间合金对其进行变质处理,分析不同变质剂及它们的复合形式对合金力学性能和显微组织的影响。

实验结果表明,P盐和Al-Sr 中间合金都对合金组织有一定的细化作用,其中P盐主要细化初晶硅,P盐+Al-Sr中间合金的复合变质剂能同时细化初晶硅和共晶硅。

实验证明加入复合变质剂后合金的显微组织细化程度最高,力学性能最为优越。

关键词:铸造Al-Si合金、变质处理、显微组织、性能引言铝合金是目前采用最多的轻金属合金材料,而铸造Al-Si系列合金是铝合金系中应用最早、最广泛的铝合金,它是重要的合金之一,具有优异的铸造性能,良好的力学性能与物理化学性能。

它是目前研究和应用最为广泛的铸造铝合金,其产量占铸铝总产量的80%~90%,适用于各种铸造方法。

因此,研究Al-Si系列合金的组织性能特点,进一步探寻在普通生产工艺中强化铝硅合金性能的方法,具有重要的理论意义和工程应用价值。

铸造Al-Si合金具有良好的力学性能、铸造性能和切削性能,广泛应用于航空航天和你汽车工业。

Al-Si未变质处理时,共晶Si以粗大的针、片状存在,严重割裂了合金基体,降低了合金的强度和塑性。

Sr对共晶硅起到很好的变质作用,同时却促进了粗大的柱状和树枝状Al晶粒的形核生长,这说明对铸造Al-Si合金仅变质处理是不够的,还有必要对枝晶进行等轴化和细化,消除这种组织对合金力学性能的不利影响。

本文采用了不同的变质剂对Al-15%Si合金进行变质处理,研究了变质处理对合金组织的影响规律,同时初步探讨变质剂对Al-Si合金的细化变质机理。

1、实验方案设计1.1材料的选择本实验的目的在于研究不同变质剂对于铝合金组织及其性能的影响,为了实验的顺利进行以及实验过程之中出现较少的干扰因素,选择二元Al-Si合金作为本次实验的研究对象,由于变质处理作用的主要机制在于改变铸态下的Si的形态、数量及其分布,再加之合金液体要具有相对较好的流动性,最终确定Al-15Si作为实验材料。

Al_Si_Cu_Zn压铸铝合金的显微组织及拉伸性能

Al_Si_Cu_Zn压铸铝合金的显微组织及拉伸性能

··随汽车工业发展,压铸铝合金得到快速发展[1]。

到20世纪80年代,美国68%的铝合金构件采用压铸技术生产。

目前,工业应用的压铸铝合金主要有Al-Si 、Al-Mg 、Al-Zn 、Al-Si-Cu 、Al-Si-Mg 、Al-Si-Cu-Mg 等几个系列[2]。

Al-Si-Cu 系合金具有优良铸造性能,如收缩率低、流动性好和热裂倾向性小等,是铸造铝合金中用量最大的合金系列之一,其性能的优劣主要取决于初晶α-Al 、共晶Si 与单质Si 、次生相(金属间化合物)以及铸造缺陷的形态、大小与分布[3-6]。

已有研究表明,Zn 元素可提高铝合金流动性、改善合金力学性能,但可导致合金高温脆性增大,有产生裂纹的倾向[7]。

迄今为止,尚未见到有关含Zn 的压铸Al-Si-Cu 系铝合金的研究报道。

因此,笔者主要针对压铸态Al-Si-Cu-Zn 铝合金的显微组织及拉伸变形行为进行研究,并进一步探讨固溶处理对压铸态Al-Si-Cu-Zn 合金拉伸性能的影响规律。

1试验材料及方法本试验所用Al-Si-Cn-Zn 铝合金是由纯Al 、纯Si 、纯Cu 、纯Zn 通过熔炼、精炼、压铸(或重力铸造)等工艺制备而成,化学成分为(质量分数,%):10.7Si 、2.3Cu 、1.5Zn 、杂质0.5、Al 余量。

将适量的纯Al 放入坩埚中加热,当坩埚中的纯Al 全部熔化后,加入纯Si ,待其完全熔化后进行搅拌,然后加入纯Cu 、纯Zn ,保温半小时再进行压铸或重力铸造。

其中压铸工艺参数为:压射比压60MPa ,铸型温度200℃,浇铸温度720℃,保压时间12s 。

在瑞士布勒公司产EVO.53D 型冷室压铸机上直接压铸成形的拉伸试样的尺寸如图1所示。

重力铸造工艺参数为:铸型温度260℃,浇注温度720℃,直接浇铸成拉伸试样。

选取部分压铸态试样进行固溶处理,相应的热处理工艺参数为460℃保温1h 后水冷。

Cu、Mg、Si_元素含量对2014_铝合金组织与性能的影响

Cu、Mg、Si_元素含量对2014_铝合金组织与性能的影响

0前言航空航天装备向着高可靠性、更长寿命的发展趋势对材料提出了更高的性能要求。

铝合金具有高比强度、优良的耐蚀性及热塑性等优点,已经广泛地应用于航空航天装备结构件中。

2014铝合金是一种典型的航空航天装备用材料,具有良好的热成型性能、焊接性能,常常以锻件、挤压件等多种形式应用于承力结构件[1]。

目前,2014铝合金的大多研究集中于热处理制度和焊接工艺的研究[2-5],而合金性能的优劣主要源于成分和组织的优化。

2014合金成分范围较宽,成分差异和不同的加工工艺及热处理方式使其表现出不同的综合性能。

本文通过设计三种不同成分的2014铝合金,研究了Cu、Mg、Si 三种合金元素对2014合金组织和性能的影响,以期为该合金性能多样化及综合性能的提高提供有益指导。

1实验材料与方法在2014合金AMS4133E 标准成分范围内,按照Cu、Mg、Si 在合金中的不同作用,设计了三种成分的2014铝合金(标记为A、B 和C 合金),其化学成分见表1。

A 合金成分为标准成分范围的中间值;B 合金同时增加Cu、Mg 含量;C 合金同时减少Cu、Mg、Si 含量。

通过对比三种合金,研究主合金元素对2014合金组织与性能的影响。

经半连续铸造获得直径为ϕ200mm 的合金铸锭,铸锭经均匀化热处理后热挤压成截面为125mm×25mm 的型材,挤压比为10,空冷至室温。

采用502℃×5h 固溶处理和177℃×8h 时效处理,获得T6态型材。

Cu 、Mg 、Si 元素含量对2014铝合金组织与性能的影响林茂1,曹海龙2,田宇兴2,吴浩2(1.西北铝业有限责任公司,定西748111;2.中铝材料应用研究院有限公司,北京102209)摘要:通过设计三种合金成分,研究了Cu、Mg、Si 元素含量对2014铝合金组织与性能的影响。

研究结果表明,随着Cu、Mg、Si 含量的增大,铸态组织的共晶相增多;当Cu 含量低于4.2%时,502℃×30h 均匀化退火可以使Al 2Cu 完全回溶。

高强韧压铸Al-Mg-Si-Mn合金的微观组织及力学性能

高强韧压铸Al-Mg-Si-Mn合金的微观组织及力学性能

第23卷第3期中国有色金属学报 2013年3月 V ol.23 No.3 The Chinese Journal of Nonferrous Metals Mar. 2013 文章编号:1004­0609(2013)03­0616­07高强韧压铸 Al­Mg­Si­Mn合金的微观组织及力学性能胡祖麒,万 里,吴 晗,刘学强,邹 广,吴树森(华中科技大学 材料成形与模具国家重点实验室,武汉 430074)摘 要:对压铸AlMg x Si2Mn(x=5.7~7.2)合金的微观组织进行分析,测试力学性能以及疲劳性能,研究镁含量对合 金组织和力学性能的影响。

结果表明:随着Mg含量的提高,合金屈服强度和布氏硬度分别提高了10.4%和9%, 伸长率从8.3%降低至4.5%, 抗拉强度则没有明显变化。

疲劳寿命随着Mg含量的提高而提高, 疲劳极限从57MPa 上升至 75 MPa。

合金的微观组织主要由 α(Al)和 Mg2Si 相组成,Fe 相则以颗粒状的 Al3Fe 和不规则形状的 Al15(Fe,Mn)3Si2 存在于晶界。

Mn元素的加入也降低合金的粘模倾向。

关键词:高压压铸;铝镁合金;疲劳性能;微观组织中图分类号:TG249.2 文献标志码:AMicrostructure and mechanical properties of high strength andtoughness die casting Al­Mg­Si­Mn alloysHU Zu­qi, W AN Li, WU Han, LIU Xue­qiang,ZOU Guang, WU Shu­sen(State Key Laboratory of Materials Processing and Die &Mould Technology,Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)Abstract:Microstructure observation, tensile test and fatigue tests were conducted to investigate the effect of magnesium content on microstructure and mechanical properties of die casting AlMg x Si2 Mn (x=5.7−7.2) alloys. The results indicate that with magnesium content (mass fraction) increasing from 5.7% to 7.2%, the yield strength and brinell hardness increase by 10.4% and 9%, respectively. The elongation decreases from 8.3% to 4.5% and the ultimate tensile strength is stable.The fatigue life of alloys increases with enhanced magnesium contents and the fatigue limit increases from 57MPa to 75MPa.The microstructure of those alloys consists ofα(Al) matrix and Mg2Si. Meanwhile, Al3Fe and Al15(Fe,Mn)3Si2 compounds distribute around grain boundaries.The addition of Mn reduces the die sticking tendency.Key words:high pressures die casting; Al­Mg alloys; fatigue property; microstructure压铸作为生产效率高、尺寸精度和力学性能优良 的铸造方法,在汽车、机电、通讯等行业得到了越来 越多的应用,如汽车动力零件中的铝合金缸体、铝合 金油底壳、副车架以及通讯腔体等部件均可采用压铸 方法制造 [1−3] 。

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Evolution of microstructure and mechanical propertiesof as-cast Al-50Si alloy due to heat treatment and P modifiercontentFuyang Cao a ,Yandong Jia a ,b ,Konda Gokuldoss Prashanth b ,Pan Ma a ,b ,Jingshun Liu a ,c ,Sergio Scudino b ,Feng Huang a ,d ,Jürgen Eckert b ,e ,Jianfei Sun a ,⇑aSchool of Materials Science and Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China bIFW Dresden,Institute for Complex Materials,P.O.Box 270116,D-01171Dresden,Germany cSchool of Materials Science and Engineering,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot 010051,China dHubei Key Laboratory of Advanced Technology of Automobile Parts,School of Automotive Engineering,Wuhan University of Technology,430070,China eTU Dresden,Institut für Werkstoffwissenschaft,D-01062Dresden,Germanya r t i c l e i n f o Article history:Received 12September 2014Revised 4March 2015Accepted 7March 2015Available online 9March 2015Keywords:Al–50Si alloySuperheat treatment MicrostructureMechanical propertya b s t r a c tThe effects of superheat temperature,content of modifier (P)and T6heat treatment on the microstruc-ture and mechanical properties of the Al–50Si alloy have been investigated systematically by scanning electron microscopy (SEM)and differential scanning calorimetry (DSC).The results indicate that the pri-mary Si exhibits a plate-like morphology,with average size decreasing with increasing of the superheat temperature for the unmodified alloy.The morphology of primary Si changes to small blocky shape at an optimal P content of 0.5wt.%,and the nucleation temperature increases for the alloy with 1.3wt.%P because of the ease of formation of the AlP phase.The nucleation temperature is lower for 0.5wt.%P due to lack of P atoms at relatively higher temperature.The ultimate tensile strength was enhanced by the addition of P followed by the T6heat treatment,and the maximum ultimate tensile strength ($160MPa)was observed for the sample containing 0.5wt.%P.Ó2015Elsevier Ltd.All rights reserved.1.IntroductionElectronic packaging materials are required to protect the elec-tronic components from physical damage,mechanical forces,atmospheric chemical contamination,etc.[1].As the electronic packaging requires increasingly smaller size,lighter weight and higher integration,new packaging materials have to be developed to improve the performance of electronic components.However,the properties of traditional packaging materials can no longer sat-isfy the practical requirements [2–4].Hypereutectic Al–Si alloys with high Si content (50–70wt.%)are one of the ideal candidates for electronic packaging application as a result of the positive combination of properties,such as relatively low coefficient of thermal expansion (CTE),which closely matches that of GaAs or Si semiconductor materials,high thermal conductivity,low density and superior strength [5].However,the main limitation of this type of material is the presence of the coarse,irregular,and brittle primary Si phase that can act as soft spots for premature crack initiation,deteriorating the overall mechanical properties of these materials [6,7].Therefore,it is essential to modify the microstructure of hypereutectic Al–Si alloy to optimize the mor-phology and distribution of the primary and eutectic Si [8,9].Efforts have been made to modify the microstructure of hypereutectic Al–Si cast alloys in order to achieve a refined Si phase with beneficial shape and distribution [10–12].For example,Liu et al.[13]have investigated the modification of hypereutectic Al–24%Si alloys with Si–P,which leads to the formation of primary Si with size of 19l m.Choi et al.[14]have reported that the mor-phology of primary Si in hypereutectic Al–20%Si alloy can be modi-fied from star-like to the polygon or blocky shape by the addition of c -Al 2O 3nanoparticles.Moreover,the spray forming technology was also used to prepare the Al–35%Si alloy with size of the Si phase less than10l m [15].However,only little attention has been paid to the modification of Al–Si alloys with high Si contents (e.g.50wt.%).The present study analyzes this mentioned above aspect by examining the potential of different superheat temperatures and phosphorus contents as modifying agents for simultaneous refine-ment of both the size and morphology of primary Si phase in the as-cast Al–50Si alloy.Additionally,the work investigates the effect of the induced microstructural modifications on the mechanical properties of the material./10.1016/j.matdes.2015.03.0080261-3069/Ó2015Elsevier Ltd.All rights reserved.⇑Corresponding author.E-mail address:jfsun@ (J.Sun).F.Cao et al./Materials and Design74(2015)150–1561512.Experimental details equipped with an energy dispersive X-ray(EDX)setup.Differential scanning calorimetry(DSC)measurements wereof Al–50Si alloy processed using different superheat temperatures(a)100,(b)200,(c)300,(d)400and(e)500K,(f)temperature.the nucleation and growth of primary Si [17].A higher superheat temperature is necessary to promote the dissolution and to Table 1The O,N,H contents in the samples fabricated at different superheat temperatures SEM images of Al–50Si with different concentration of the modifier:(a)0,(b)0.1,(c)0.3,(d)0.5,(e)0.7and (f)1.3152 F.Cao et al./Materials and Design 74(2015)150–156of300K is used in order to evaluate the effects of P on the microstructure and properties of the Al–50Si alloy.The microstructures of the Al–50Si alloy with different P con-tents are shown in Fig.2.The micrographs indicate substantial microstructural differences in the morphology,size and distribution of the primary Si with respect to the un-refined material(Fig.2(a)). The morphology of primary Si is still plate-like,but its average size is reduced to62.2±1.5l m for the sample with0.1wt.%P(Fig.2(b)) compared to the unmodified alloy(117±2.5l m).With increasing the P content to0.5wt.%,the average size of the primary Si decreases further to38.0±2.1l m.In addition,the morphology is no longer plate-like but blocky in shape as displayed in Fig.2(d). The average size of the primary Si grows as the P content increases to0.7wt.%and1.3wt.%,reaching values of about39.4±1.3l m and 41.2±2.3l m,respectively(Fig.2(e)and(f));yet,the size of the pri-mary Si is smaller than the unmodified alloy.AlP particles can be accordingly formedthe Al–P master alloy into the hypereutecticuseful for refining the primary Si phase.the fact that both the crystal structure andAlP(cubic structure,a=5.45Å)is similar toture,a=5.431Å),and hence,the AlP particlesnucleation sites for primary Si[20–22].Theand changes the morphology from particle shapewhen the P addition is1.3wt.%(Fig.2(f)).Thistribution and morphology of AlP wouldnucleation sites in the melt for the primarythen cause the increasing size of primaryA typical backscattered electron image ofP is shown in Fig.3along with the correspondingmaps.It can be also observed that the particlemary Si phase is rich in Al and P,which canAlP according to the elemental scanning measurementsin Fig.3(b)–(d).Fig.4shows the cooling curves of the Al–50Siof the P concentration.The nucleation temperature of the eutectic Si at about843K does not change significantly with the addition of P.On the other hand,the primary Si nucleation temperature changes with increasing P content.The nucleation temperature of primary Si is about1334K for the unmodified alloy,and the tem-perature increases by$22K with the addition of1.3wt.%P.It is reported that dissolved Si atoms may aggregate on the surface of the AlP substrates to nucleate with the cube–cube orientation relationship to have similar lattice parameters[22].During solid-ification,AlP can nucleate easily owing to a sufficient amount of P atoms in the melt with1.3wt.%P.The Si crystals tend to grow by the aggregation of Si atoms on the pre-formed primary Si crystal surfaces in accordance with the twinning plane re-entrant edge (TPRE)mechanism during the growth stage[23].Compared to the smooth surfaces of thefirstly-formed primary Si[24],the AlP parti-cles possess additional twinning planes[25].Thus the Si atoms are more inclined to aggregate on the surface of AlP rather than on the firstly-formed primary Si[26].SEM image of the primary Si in the alloy modified with0.5wt.%P and corresponding their EDX images for(b)Al,(c) Fig.4.DSC curves of the Al–50Si alloy as a function of P addition.The nucleation temperature of the primary Si decreases by about 55K in the sample with0.5wt.%P compared with the unmodified alloy.Due to the smaller amount of P atoms in the melt with 0.5wt.%P,it is difficult for the AlP phase to nucleate and a larger degree of supercooling is needed.As a result of the similar electronic structure between the Si and P atoms,the nucleation of primary Si is restricted.Therefore,primary Si nucleates after the nucleation of the AlP phase nucleation at a relatively lower temperature.In order to understand the influence of the heat treatment on the microstructure,the alloy with0.5wt.%P with ST=300K is used for the following investigation.The microstructures of Al–50Si alloy before and after heat treatment are shown in Fig.5. Compared with the as-cast alloy(Fig.5(a)),the size of primary Si increases slightly(about42.2±1.5l m)inrial,as shown in Fig.5(c).However,comparingFig.5(d)reveals that after heat treatment theSi are round and smooth,whereas large amountssolves into the Al matrix and the eutectic Sishape.The morphology variation in both primarymay have led to reduction of stress concentrationmay be beneficial for enhancing the mechanicalalloy.3.2.Mechanical propertiesThe ultimate tensile strength(UTS)ofdifferent P contents is presented in Fig.6.alloys is higher compared to the unmodifiedproperties of the hypereutectic Al–Si castlargely dependent on the primary Si characteristics morphology and distribution)[13].Accordingly,the P addition may positively influence the tensile properties of the as-cast alloys due to the refinement and modification of the primary Si.The ulti-mate tensile strength of the alloys increases with increasing the P content,reaching131MPa for the sample with0.5wt.%P,which is four times higher than that of the unmodified alloy.After T6heat treatment,the UTS of the alloy with0.5wt.%P reaches160MPa,which is$22%higher than the same alloy without heat treatment and is only32MPa less than the same alloy fabricated by rapid solidification[29].This result is consistent with the microstructural evolution reported in Fig.5showing that the Al–Si alloy can be precipitation-strengthened after T6heat treat-ment.Consequently,the T6heat treatment plays a crucial role during the fragmentation and spheroidization process of eutectic Si[30].It has been reported[31]that coarse and elongated Si par-ticles tend to fracture more frequently than spherical particles,asFig.5.SEM microstructures of Al–50Si alloy(a)and(b)before,and(c)and(d)after heat treatment.Fig. 6.Ultimate tensile strength for the Al–50Si alloys processed at differentconditions.coarse Si particles can induce high levels of stress concentration and consequently result in the reduction of UTS.Fig.7shows the morphology of the fracture surface of the unmodified,modified and heat-treated samples after room tem-perature tensile tests.The fracture surface of the unmodified alloy exhibits a brittle morphology along with a large number of sec-ondary cracks(Fig.7(a)).Figs.7(b)and(c)display the fracture sur-face of the alloy with0.5wt.%P addition and after T6heat treatment.It can be also seen that the specimen presents the typical brittle fracture,but the amount of secondary cracks decreases as compared with the unmodified alloy,and some dimples indicative of ductile fracture are also observed.4.ConclusionsThe microstructural evolution and the tensile properties of the Al–50Si alloy has been investigated in detail and the following con-clusions can be drawn as follows:(1)Primary Si phase exhibits a plate-like morphology,and itsaverage size decreases from171l m(for ST=100K)to about 103l m(for ST=500K).However,the optimal ST is observed to be300K.(2)Due to the formation of AlP particles,the primary Si phasevaries from plate-like morphology to blocky shape and a minimum size of38l m is obtained with the addition of0.5wt.%P.(3)The primary Si nucleation temperature decreases by about55K with the addition of0.5wt.%P,with further increase of the P content to 1.3wt.%,the nucleation temperature increases by about22K compared with the unmodified Al–50Si alloy.(4)The edges of the primary Si becomes round and smooth,whereas the eutectic Si transforms to spherical shape after the proper heat-treatment.(5)Both the addition of P modifier and T6heat treatment arebeneficial for the enhancement of the mechanical property of the Al–50Si alloy.The largest UTS of160MPa is obtained with the addition of0.5wt.%P and after T6heat treatment. AcknowledgmentsThis project was supported by National Natural Science Foundation of China(Grant No.51375110),the National973Plan Project of China(Grant No.2010CB631205),the Fundamental Research Funds for the Central Universities of China(WUT:2013-IV-076),and Jingshun Liu acknowledges the support from Scientific Research Foundation of Inner Mongolia University of Technology of China(Grant No.ZD201405).References[1]Q.Zhang,G.H.Wu,L.T.Jiang,G.Q.Chen,Thermal expansion and dimensionalstability of Al–Si matrix composite reinforced with high content SiC,Mater.Chem.Phys.82(2003)780–785.[2]S.C.Hogg,mbourne,A.Ogilvy,P.S.Grant,Microstructural characterisationof spray formed Si–30Al for thermal management applications,Scripta Mater.55(2006)111–114.[3]K.Yu,C.Li,R.C.Wang,J.Yang,Production and properties of a spray formed70%Si–Al alloy for electronic packaging applications,Mater.Trans.49(2008) 685–687.[4]Q.J.Jia,J.Y.Liu,Y.X.Li,W.S.Wang,Microstructure and properties of electronicpackaging box with high silicon aluminum-base alloy by semi-solid thixoforming,Trans.Nonferr.Metal.Soc.23(2013)80–85.[5]F.Wang,B.Q.Xiong,Y.A.Zhang,B.H.Zhu,H.W.Liu,Y.G.We,Microstructure,thermo-physical and mechanical properties of spray-deposited Si–30Al alloy for electronic packaging application,Mater.Charact.59(2008)1455–1457. 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