几种含硅合金中富硅相形核与生长机制的研究

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1、山东大学博士学位论文摘要A1．Si合金广泛应用于发动机活塞等动力传递件，为提高其使用性能，必须对其进行变质处理。目前使用最广泛的是磷变质处理，AlP作为初晶硅的异质核心。在A1．Si合金的生产中，国内外采用的加磷方式主要有三种：赤磷、磷盐和Cu．P中间合金，但存在效果不稳定和环境污染等问题。因此解决该材料的变质处理问题是一项有重要意义的工作。本文利用光学显微镜(OM)、电子探针显微分析仪(EPMA)、透射电镜(TEM)、差示扫描量热仪(DSC)、X射线衍射仪(XRD)等测试手段对Cu．50Si、Ni．38Si、Mn一30Si和近共晶AI

2、一12Si合金中富硅相的形核和生长机制进行研究，通过探讨富硅相的异质形核，制备出一种新型低熔点Cu—P．Si中间合金变质剂，提出了两种不同于传统磷变质处理的新方法。本文的主要研究工作如下：(1)Cu．50Si中硅相的微细化与Cu．P．Si中间合金的研制过共晶Cu．50Si合金中的初晶相为硅相，尺寸超过lmm，必须对其进行细化处理。加入一定量的Al能够细化Cu一50Si合金中的初晶硅，其细化机制为抑制生长机制，不能固溶于初晶硅的A1被排出，包裹在初晶硅周围，抑制初晶硅的生长。同时加入Al和P可以在Cu．50Si合金中形成AIP，以此作为C

3、u．50Si合金中初晶硅的异质形核衬底，显著细化其中的初晶硅，由lmm以上细化到509m以下。将抑制生长机制与异质形核机制相结合，在Cu．50Si合金中同时加入A1和P，且AI：P>I(原子比)时，部分Al与P结合形成AlP，促进初晶硅的异质形核，多余的Al包围在初晶硅周围，抑制其长大。该方法可以达到更佳的细化效果，可使初晶硅细化到30岬以下。在二元Cu．Si合金中加入P，可形成Cu(PSi)3初晶相，其含磷量高达38．7wt．％，从而可以制备出含磷量达30wt．％以上的三元Cu．P．Si中间合金。与Cu—P二元合金相比，它具有密度小和

4、含磷量高等优点。另外，添加微量元素可降低该合金的熔化温度，其中Ni和Bi的加入可以使合金的熔化温度降低60。C以上。在此研究基础上，发明了低熔点Cu．P．Si中间合金，该中间合金对过共晶A1．Si合金有良好的变质效果。摘要(2)Ni．38Si、Mn．30Si合金中富硅相异质形核的研究Ni．38Si合金由NiSi和NiSi2相组成，其中NiSi2呈枝晶状。Al在Ni．38Si合金中主要以固溶态存在于NiSi2相中。在Ni．38Si合金中，AlP可以同时作为NiSi和NiSi2相的异质形核衬底，使NiSi2相由枝晶状转变为细小块状，使合金组

5、织致密化。AlP的异质形核作用可降低合金在凝固时所需要的过冷度。Mn．30Si合金由MnSi和Mn5Si3相组成，具有典型的(MnSi+Mn5Si3)共晶组织特征。Al和P均不固溶于MnSi和Mn5Si3相，同时加入Al和P，部分Al与P化合形成AlP，而部分Al则富集在AlP的周围。分析表明Al和AlP均可以作为MnSi相的异质核心，Al的加入使Mn一30Si合金的共晶组织倾向于离异生长，而同时加入Al和AlP，Mn．30Si合金呈现出典型的离异共晶组织，MnSi相和Mn5Si3相独立生长，其中MnSi相先析出，随后是Mn5Si3相。

6、(3)Ni．38Si在A1．12Si合金中的结构遗传在近共晶A1。12Si合金中以不同方式添加Ni和Si对该合金的凝固组织有不同的影响：Ni和Si分别以纯组元加入时，A1．12Si合金中不会有初晶硅析出：而以Ni．38Si合金的形式加入时，则A1．12Si合金中析出大量初晶硅，获得过共晶组织。此外，加入Ni一38Si合金的AI．12Si熔体，其粘度、相关半径、团簇平均原子数和配位数均大于Ni和Si单独加入得到的A1—12Si熔体，更容易形成有序的结构，促使近共晶成分下A1．12Si合金析出初晶硅，而Ni．38Si合金在A1．12Si合金

7、中的结构遗传是重要原因。Cu．50Si合金也有类似的作用。利用结构遗传对ZLl09合金进行变质处理，添加Ni．38Si合金的参数为：处理温度740．760。C，加入量1．2％，保温时间60一90min。利用结构遗传实现近共晶A1．Si合金的变质处理是可行的。(4)近共晶A1．Si合金中初晶硅的诱导形核近共晶A1．Si合金中存在诱导形核机制，诱导粒子不能直接作为初晶硅的异质核心，但是可以促使P在含量极低(<10ppm)的情况以AlP的形式析出并发挥作用，从而诱导初晶硅的析出，实现工业近共晶A1．Si合金的变质处理。利用edge-to-ed

8、ge模型进行计算，结果表明，A182、TiB2、TiAl3(TiAlxSiy)和TiC与AlP之间均存在一定的位向关系。AIB2、TiB2和AlP之间的位向关系有：山东大学博士学位论文j口!】爿护／／【21