论文摘要
铸造铝硅合金具有低密度、低膨胀系数、高耐磨性、高抗腐蚀性、优良的铸造性能等优点，因此，在航空、航海、汽车等领域的使用日益广泛。但在常规铸造Al-Si合金组织中，存在粗大的形状复杂的初晶硅，针片状的共晶硅和粗大的α-Al枝晶，恶化了合金的综合性能。因此改善合金组织是铝硅合金获得广泛应用的前提。合金化作为一种有效的合金强化手段有着广阔的研究领域和应用前景。Bi和Sc都能对合金组织起到有效变质及细化的作用，是合金化的理想元素。本文主要研究过共晶Al-18%Si合金中添加合金化元素（Bi和Sc）后对其微观组织与力学性能的影响，确定最佳的元素合金化含量。另外，由于二者对组织作用机理不同，为了达到复合变质的效果，在单一元素最佳合金化含量的前提下，制备了Al-18%Si-3%Bi-0.5%Sc合金，对其组织及性能进行综合实验分析。本文通过单一元素的合金化及Bi和Sc共同作用Al-18%Si合金，得出如下结论：（1）在过共晶Al-18%Si合金中添加合金化元素Bi，凝固组织中Bi最终以单质纯Bi相独立存在于基体中。大部分弥散分布，少量出现偏聚。Bi通过影响共晶硅的生长方式进而对共晶硅具有一定的变质作用，随着合金化元素Bi加入量的增加，共晶硅组织发生了由粗大针片状→短杆状→类似蠕点状的转变，并且均匀分布于基体，减少了对基体的割裂作用，使合金的抗拉强度由168MPa提高到了189MPa，抗拉强度提高了12.5%。由于Bi自身所具有自润滑特性，使合金的耐磨性能提高，摩擦系数由0.4372降至0.3879，磨损量仅为不含Bi的20%。Bi合金化过共晶Al-18%Si合金，最佳合金化含量为3%，共晶硅组织细化效果最好，综合力学性能最佳。（2）在过共晶Al-18%Si合金中添加合金化元素Sc，发生共晶反应，液相凝固时析出高熔点相Al3Sc金属间化合物，先形成的Al3Sc相与Al晶体结构相似，晶格常数相当，在凝固过程中可作为α-Al异质形核的质点，细化α-Al枝晶，起到细晶强化作用。随着合金化元素Sc加入量的增加，枝晶状的α-Al发生了由粗大枝晶组织→球块状→无枝晶组织，使合金的抗拉强度由168MPa提高到了185MPa，抗拉强度提高了10.1%，延伸率提高了114.3%。Sc合金化过共晶Al-18%Si合金，最佳合金化含量为0.5%，α-Al枝晶细化效果最好，综合力学性能最佳。（3）在过共晶Al-18%Si合金中同时添加两种合金化元素Bi和Sc，由于Bi和Sc分别变质、细化共晶硅和α-Al枝晶，故复合变质可以达到有效叠加变质互补的效果。根据单一元素最佳合金化含量的前提下，制备Al-18%Si-3%Bi-0.5%Sc合金，其对组织的细化及力学性能的提高比任何一种单一元素的添加都要好。Bi、Sc合金化Al-18%Si合金后，合金组织细小致密，粗大的α-Al枝晶消失，共晶硅变细变短，抗拉强度由Al-18%Si合金的168MPa提高到最大值197MPa，合金强度提高了17.3%，延伸率由0.7提高到了1.8，提高了157.1%。