毕业设计(论文)热处理对铝硅合金电导率的影响.doc
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1、密级: 热处理对铝硅合金电导率的影响The impact of heat treatment on the conductivity of Al-Si alloy学 院:材料学院专 业 班 级:材料成型及控制工程0805班学 号:080201143学 生 姓 名:李振庄指 导 教 师:白彦华 (教授)年 月摘要Al-Si系合金一般含 Si 量为410,合金的组织由韧性的 固溶体和坚硬的共晶硅相所构成,具有良好的耐磨性以及一定的强度和韧性。由于硅的线膨胀系数小(仅为铝的1/6 左右),所以Al-Si合金也具有较小的线膨胀系数,常用于制造高速运动中经受摩擦的机器零件,以及要求在工作温度变化条件下能
2、保持较高尺寸精度的零件。Al-Si合金的铸造性能良好,且不形成热裂,因而可用来铸造各种形状复杂的铝合金铸件。但是,目前铸态Al-Si合金的电导率尚不尽人意,在输电过程中,会造成社会资源的巨大浪费,甚至还会引起机械设备的事故,严重降低输电率。因此,研究Al-Si合金的电导率对国家的国民经济发展有着重大的现实益义。本实验根据新东北电气沈阳高压开关有限公司对ZL101A合金电导率的要求,对铝硅合金进行了不同的固溶处理和时效处理,研究热处理对Al-Si合金电导率的影响,在保证合金具有一定的硬度的前提下,来提高合金的电导率。实验结果表明:铸态Al-Si合金的电导率约为37 %IACS左右,而通过热处理之
3、后的Al-Si合金的电导率很多都能打到40 %IACS以上,甚至更高,提高了8以上。但是,通过对其硬度的测试,发现电导率越高,硬度值越低,所以只通过热处理,电导率和硬度二者是不能兼得的。关键词:Al-Si合金;热处理;电导率;硬度AbstractThe content of Si in Al-Si alloys generally is 410%, and the alloy is made up of f -solid solution and the hard eutectic silicon phase , with good wear resistance ,strength and
4、toughness. Because the linear expansion coefficient of silicon is small (only about 1/6 of the aluminum), the Al-Si alloy has a smaller linear expansion coefficient, commonly used in the manufacture of high-speed movement of machine parts subjected to friction, and require to maintain the high dimen
5、sional accuracy of parts under the changing in operating temperature conditions. Al-Si alloy casting has good performance, without the formation of thermal cracking, which can be used to cast complex aluminum castings of various shapes. However, the conductivity of the cast of Al-Si alloy is still u
6、nsatisfactory, It will cause a huge waste of social resources, machinery and equipment or even cause an accident, severely reducing the transmission rate in the transmission process. Therefore, the study of Al-Si alloy conductivity has great practical benefits righteousness to the countrys national
7、economic development. According to the requirements of ZL101A alloy of the Shenyang High Voltage Switchgear Co., Ltd. New Northeast Electric conductivity of, , This experiment did different solution treatment and aging treatment to Al-Si alloy, to study the heat treatment on the electrical conductiv
8、ity of Al-Si alloy. And our aim is to improve the conductivity of the alloy in ensuring under the premise of the alloy has a certain hardness.The experimental results show that: the conductivity of the cast Al-Si alloy is approximately about 37% IACS ,and the conductivity of Al-Si alloys after heat
9、treatment, many can hit more than 40% IACS, or even higher, and it can improve 8% or more. However, we can find that the higher the conductivity, the lower hardness value through testing of its hardness, so, conductivity and hardness cant have both only by heat treatment. Key words:Al-Si alloy; heat
10、 treatment; conductivity; hardness目 录第1章 铝硅合金11.1 铝硅合金的性质11.1.1 铸造铝硅系合金11.2 铝硅合金的生产现状31.2.1 常用铝硅合金的生产工艺比较41.2.2 耐蚀铸造铝合金71.3 铝硅合金的电导率101.3.1 影响铝的电导率的因素:101.3.2 影响电导率测量的因素121.3.3 热对铝合金性能的影晌141.4过热检查141.5 新东北电气简介15第2章 实验材料、设备及实验过程202.1 实验材料202.2 实验设备202.3 试验过程242.3.1 淬火过程252.3.2 退火过程252.3.3 测量电导率272.3.
11、4 测量硬度282.3.5 观察金相29第3章 实验结果及分析293.1 测量电导率及硬度的结果293.2 观察金相结果31第4章 结论31参 考 文 献32致 谢34第1章 引言1.1 铝硅合金的性质铝及其合金是有色金属中用途最广的轻金属之一,化学符号为Al,在元素周期表中属A族,原子序数13,原子量26.98154,面心立方晶体,常见化合价为+3。它具有密度小,重量轻,比强度高,导电导热性能好,具有较好的耐蚀性能。铝合金的使用量在日益增加,例如,在航空、航海、高速列车等交通运输工业中大量采用密度小、强度高的铝合金制作构件,如飞机机身、机翼的蒙皮等。高压开关铝合金整体铸造罐体需要配套生产,而
12、国内过去均采用焊接钢质罐体,达不到输变电向超高压大容量方向发展的要求。由于铝制品轻便,耐腐蚀性好,表面光洁美观等优点,因而广泛应用于日常用品、包装和装潢等各个行业,因而在国民经济中占有重要地位。1.1.1 铸造铝硅系合金(1)铝硅合金的特性 铝硅二元合金具有简单的共晶型相图(见图1-1)。室温下只有(Al)和(Si)两种相,(Al)的性能和纯铝相似,(Si)的性能和纯硅相似。从图中可看到硅在 固溶体中溶解度随温度升高而增加,室温下仅溶0.05%硅,而在577时可溶解1.65%硅,超过该限度时硅以相存在, 相中只能溶解极少量的铝,因此可看作纯硅相。Al-Si 系介于含1.65wt%的铝固溶体和纯
13、硅之间,在577(850K)时有一个共晶反应,形成(+)二元共晶相。以Si 为主要合金元素的铝硅合金是最重要的铸造合金,因为这些合金的流动性好,铸造时收缩小,充型能力较好,热裂、缩松倾向较小,热膨胀系数(CTE)低。过共晶合金中硬的初生硅粒子赋予合金良好的耐磨性,尽管机械加工时存在困难,但过共晶合金仍在摩擦零件上获得了广泛应用,含Si 量达13-26%的过共晶合金具有热稳定性高、耐磨性好、线膨胀系数低等优点,是高压开关的理想材料。图1-1 铝硅二元合金相图(2)过共晶铝硅合金中硅的形态特征 硅晶体是金刚石立方晶体,晶胞是面心立方晶格内多出4个原子(图1-2中影线球所示),图中箭头示出硅原子的位
14、置可以从面心晶格上的位置,沿体对角线平移 1/4 距离而得到1。故各晶胞内的原子(影线球)也构成一个面心立方(fcc)晶格。它和原来的晶格(白球)相比,只是沿体对角线相对平移了1/4,所以硅晶体的金刚石晶格可以看作是由两个fcc晶格套在一起构成的。它的111密排面是双重的,图 1-2b 中水平面就是双层(111)面。其中每个双层面内的每个原子都有三个共价键与另一层相结合,所以双层面内结合很强;而在两个双层面之间距离较大,每两个原子才有一个共价键,致使双层面之间结合较弱,因此晶格缺陷及孪晶容易在双层面内形成和扩展。双层密排面结合牢固,它的能量低,故在晶体生长中有使晶体表面为111晶面的趋势。同时
15、 fcc 晶格内共有4 个不同方向的111面围成正四面体,它的棱都是110方向,两个111面之间的夹角为70032,三角形的111面上与各棱垂直的中线112就是优势生长方向,对其中一个(111)平面内的择优生长晶向有6 个。由于上述特性,使得晶体生长呈各向异性。(a) 晶胞 (b)双层密排面图1-2 硅晶体的金刚石晶型结构因在111晶面上悬挂键少,吸引铝液中Si 原子的能力小,而形成一层新晶面需要的原子最多(密排面),故沿111晶向生长慢。而与它垂直的6 个112到系列的晶向密排面边缘悬挂键多,形成新晶面所需的原子少,生长得较快,从而Si晶体的生长表现出片状生长特征。而且Si 是共晶体生长的领
16、先相,在生长过程中,边缘突出在铝液中,故能够体现出自身的生长特征,最终易长成片状。而且在硅晶体生长过程中易在111双层密排面之间因层错而形成孪晶,在结晶前沿形成 109028的凹谷,此凹谷构成生长源,硅原子或原子团(硅四面体)在此处堆砌所需能量较小,故生长更快,促使形成片状,可能是单片,也可能从复合结晶核心或按搭桥方式以辐射状向四周伸展形成一簇硅片。1.2 铝硅合金的生产现状铸造铝合金的密度小、比强度高,在承受同样载荷条件下采用铝合金制件,可以减轻结构的重量,因而铝合金制件的应用很广泛。铝合金按照加工方法的不同而分为两大类2,即铸造铝合金和压力加工铝合金。在铸造铝合金中又依主要加入的合金元素的
17、不同而分为四个系列,即铸造铝硅合金、铸造铝铜合金、铸造铝镁合金、铸造铝锌合金。铝硅合金的枝晶不发达,结晶温度间隔是几类铸造铝合金中最小的,因而其铸造性能也是最好的。铝硅合金的铸造工艺方法很多,常用的有高压铸造、低压铸造、砂型铸造、金属型铸造等。目前,对于重量较大的铸件(如高压开关用的铝硅合金铸件),生产中常用的工艺是砂型铸造和金属型铸造3。1.2.1 常用铝硅合金的生产工艺比较(1)高压铸造 高压铸造是将液态铝合金在高压下快速注入压铸模型腔内,在高压下快速凝固而获得铸件的一种方法,在目前所有铸造方法中,其生产效率最高。其产品具备表面组织晶粒细化、尺寸精度高、机械性能好、生产效率高等特点4。图1
18、-3是高压铸造成形的压力填充模式,在1933 年由德国人弗洛梅尔(Frommer)提出,后由现代高速摄像机在模拟试验中拍摄而证实。通常情况下,高压铸造都是采用喷射状充填型腔,从图1-3可以看出,冲型时铝合金液流的快速注入超越了压铸模型腔内气体的上升速度,腔内空气来不及排出而被裹入铝合金液内,在此情况下,压铸件内部会出现弥散的气孔5。图1-3 喷射状充填压铸件抗拉强度、密度和壁厚的关系如图1-4所示。壁厚/mm图1-4 压铸件抗拉强度、密度和壁厚的关系(2)低压铸造 低压铸造是在低于0.1MPa 的压力作用下,将液态铝合金从下向上压入铸型型腔内从而获得铸件的工艺。其最大的特点是:可使型腔内上升的
19、铝合金液具有连续的表面,达到图1-5所示的效果6。图1-5 顺序状充填重力或低压铸造,铝合金浇注上升速度低于铝合金液中气泡的上升速度,配合型腔排气口适当的设置,可以有效地将浇注时产生的气体、氧化物等杂质排除掉。低压铸造可以实现凝固顺序,避免应力和裂纹的产生,从而使低压铸造件组织致密、体内无气孔,可以通过热处理方法来提高机械性能,增强稳定性。(3)砂型铸造 砂型铸造适用于生产壁厚较大的铝合金铸件,铸件的显微疏松倾向和壁厚敏感性低,在体积较大的高压开关用铸件领域有明显的优势。 型砂 由于铝合金密度小,如果使用透气性差的型砂,砂型内产生的气体在压力的作用下容易使铸件产生缺陷,且在浇注时熔体也易发生氧
20、化,特别是砂型产生的水蒸气易与熔体发生反应生成氧化物,因此,砂型必须具有很高的透气性。 铸造工艺 浇道和冒口的设计方案对砂型铸件的质量会产生很大的影响。浇口设计不良会导致溶渣混入铸件中,而不合理的冒口设计则会导致缩松的产生。因此,设计的浇注系统应能使熔体平稳流动,防止涡流及飞溅的发生,以阻止溶渣的形成,即使产生溶渣也应在进入铸型前使溶渣和合金液分离。如果横浇道的横截面比直浇道大,浇口总截面比横浇道大,就可达到防止金属溅射的目的7。通常下者之间的面积比为1:2:4 或1:4:8。(4)金属型铸造 金属型铸造也叫永久型铸造,铸造工艺成本较高,一般用于批量生产。通常适合砂型铸造的铝合金也可以进行金属
21、型铸造,但热脆开裂倾向较大的除外8。相对砂型铸造而言,金属型铸造的铸件尺寸精度较高且表面光滑,凝固速度快,力学性能高,机加工余量少,甚至有的部位可以完全小预留机加工余量,且占地面积小,铸型和模具可重复使用9。金属型铸造可以采用顶注式、立缝式、底柱式等三种类型的浇注系统。为了避免在浇注过程中金属不平稳进入铸型而形成熔渣,金属应当以较低的速度进入铸型10。小工件以及有大平面的较大工件常常要经过冒口后再进入型腔;蛇形直浇道能减少因夹渣而造成的废品;采用立缝式浇注系统时,立缝宽度应当比砂型铸造的大一些;采用底式浇注系统时,最好是通过砂芯引入金属。1.2.2 耐蚀铸造铝合金铝与铝合金因其密度小、外观色泽
22、好、价格低廉而成为优良的轻型结构材料, 耐蚀铝合金是铝合金的一种,广泛用于船舶、腐蚀性大气环境下长期使用的构件等领域, 其合金化是通过在纯铝中加入合金元素提高强度并保持较好的耐蚀性能。耐蚀铝合金包括耐蚀锻造铝合金和耐蚀铸造铝合金, 耐蚀锻造铝合金主要有铝镁和铝锰系两种,其制品为板材、管材等; 耐蚀铸造铝合金则以铸造工艺生产出各种形状尺寸的铸件。对于耐蚀铸造铝合金来说, 传统的耐蚀铸铝合金(ZL301)依靠高的Mg 含量(约10%)来保证其耐蚀性,但高的Mg 含量也带来了铸造性能较差,合金熔铸时氧化、夹杂、针孔等铸造缺陷增加,且有自然时效倾向(使用一段时间后机械性能下降),所以需要采取各种措施才
23、能保证合金的成功生产应用11。后来的研究沿着降低Mg 的途径,先是上世纪60年代研制的ZL301 改进型ZL305 合金, 该合金Mg7.5%9.0%、加Zn及加入辅助元素Be、Ti 12,但毕竟Mg 含量还是较高,熔铸工艺性能仍较差;随后上世纪80 年代研制中Si 低Mg 的ZL115 合金(4.8%6.2%Si-0.4%0.65%Mg-l.2%1.8%Zn)15-16;上世纪90 年代起新的研究方向是低Si 低Mg 的Al-Mg-Si 系合金(1.5%2.0%Mg-2.0%3.0%Si),该系合金以Mg、Si 为主加元素,Mn、Cr等为辅加元素,初步的研究表明它们具有较好的铸造性能、力学性
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