硅鋁合金的切削性能如何提升

  過共晶硅鋁合金具有密度小、高溫強度好、耐磨、耐腐蝕及熱膨脹系數低等優點，在高新技術領域中的應用逐年增加，特別是在航空航天、汽車發動機活塞等領域大量使用，因此，后續加工對硅鋁合金的組織和性能提出了嚴格的要求。由于硅鋁合金的含硅量增加，初晶硅和共晶硅越來越粗大，當硅的質量分數大于14%時，大量大塊初晶硅析出，特別是呈現粗大塊狀的初晶硅和長針狀共晶硅組織，嚴重割裂合金基體，并且硅相尖端和棱角部位會引起應力集中，在切削加工鑄造鋁硅合金的過程中，嚴重的刀具粘附傾向和刀具磨損使得加工表面質量和尺寸精度很差，這也使過共晶硅鋁合金的應用受到限制。硅鋁合金的切削性能如何提升

  目前國內外研究者主要研究通過細化變質來提高鋁硅合金的性能，在鋁硅合金熔煉過程中加入晶粒細化劑，既能使鋁硅合金的流動性好、收縮率低、熱裂傾向小，也能細化鋁硅合金晶粒，減少各向異性，改善其加工性能。研究表明，向硅鋁合金中添加金屬元素，可以提高過共晶硅鋁合金的機械性能，特別是切削性能。因為有些金屬元素除本身具有固溶強化作用外，還會改變合金的沉淀相結構，使時效組織更為彌散均勻，既提高了強度，也改善了塑性，添加不同的金屬元素，對應合金的切削加工性能也不同。本文通過向過共晶硅鋁合金中添加細化劑TiB2和金屬元素Cu，研究細化劑和金屬元素對過共晶硅鋁合金的切削力產生的顯著影響。
1  試驗材料與方法
試驗采用普通鑄造法制備過共晶Al-18Si合金。試驗材料分為三組，分別為未處理的過共晶Al-18Si合金，添加TiB2的過共晶Al-18Si合金，添加TiB2、Cu的過共晶Al-18Si合金，化學成分如表1所示。首先將試驗材料分別放在SG2-7.5-12坩堝式電阻爐中加熱到780℃，使固體材料融化。當金屬塊全部熔化后，保溫10min，并將細化劑TiB2和Cu放在試樣熔融液中，充分攪拌，靜置5min，將熔液倒進內部直徑Φ50mm高150mm的模具中，并將鑄造材料在常溫下自然時效處理15天。

將未處理、添加TiB2和添加TiB2與Cu的三組過共晶Al-18Si合金鑄造試驗材料分別標注為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，首先將Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三種材料分別加工成為Φ10×10mm的試樣，在PG-2G金相試樣拋光機上拋光，用酒精清洗后烘干，在HM-113顯微維氏硬度計上測量顯微硬度；將鑄造的棒料夾在數控機床上測試切削力，并計算背吃刀量、進給量、切削速度對Z軸方向切削力大小影響的顯著性；測試當車床轉速為900r/min、進給量為200mm/min、背吃刀量為10mm時，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三組材料的斷屑性能。

Al-18Si合金的化學成分

2  試驗結果及分析

(1)合金組織分析
圖1a、圖1b、圖1c分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三組合金的金相顯微組織。圖1a中合金組織中的初晶硅棱角尖銳，形貌粗大，多為五瓣星形、板片狀、多面體狀，平均尺寸在400μm左右，共晶硅呈粗大針狀；在圖1b和圖1c中，合金中初晶硅形狀主要為相對規則的多面體狀，棱角圓滑，尺寸細小，初晶硅細化成顆粒狀，均勻分布于基體中，平均尺寸40μm；而共晶硅形貌圖1b則呈纖維狀，圖1c則呈短棒狀，且彌散分布于基體中。
2-3-4

分析可知，由于Ⅱ組采用TiB2作為變質劑時，部分Ti可以與Al結合形成Al3Ti，Al3Ti可與Al發生包晶反應使晶粒細化，而過共晶鋁硅合金中的共晶硅無需形核，可直接依附于初晶硅生長，使晶粒細化，變質劑中的B元素還可以與合金中的Al結合生成AlB2，提高了鋁合金液凝固時形核率，當合金凝固時，Al3Ti、AlB2、TiB2將成為凝固的異質形核核心，使晶粒細化。Ⅲ組中除了添加TiB2外，還添加了0.51%的Cu，其可以與Al形成Al2Cu，其能使共晶硅得到細化，因此圖1c中的共晶硅細化程度更明顯。因此，通過試驗可以看出，添加Cu、TiB2能夠細化過共晶Al-18Si合金中的初晶硅和共晶硅晶粒。

(2)合金硬度分析
為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三組過共晶Al-18Si合金的平均顯微硬度值，其中Ⅰ組合金平均顯微硬度值為59.92HV，Ⅱ組合金平均顯微硬度值為67.32HV，Ⅲ組合金平均顯微硬度值為64.83HV。可見，與Ⅰ組合金的顯微硬度相比，Ⅱ組合金的顯微硬度增加了12.3%，Ⅲ組合金的顯微硬度增加了8.2%。這是由于Ⅰ組中的初晶硅粗大，在合金中的分布不均勻，對基體割裂嚴重，基體在邊界處產生的大量裂紋，使基體的致密程度減小，顯微硬度低。Ⅱ組合金中添加了變質劑TiB2，引起晶格畸變，且其直徑為0.1-10μm，Ti可以與Al結合形成Al3Ti相，其直徑為20-50μm，Al3Ti和TiB2均勻彌散地分布于鋁基體中，成為凝固時的異質形核核心，使晶粒細化；而Al可以與B結合形成AlB2相，阻止初晶硅顆粒的長大。初晶硅被細化，減小對基體的割裂，減少裂紋，增加集體密實度，增加顯微硬度。Ⅲ組中除了添加TiB2外還添加了Cu，在自然時效時，基體中析出Al2Cu沉淀強化相，除此之外，Cu還與Al形成的第二相中存在單斜結構的AlCu化合物，這種具有綜合性能的復雜化合物處于晶界處，可實現晶界在材料變形時的協調配合和晶粒內部新滑移系的啟動，當測試過共晶Al-18Si合金的顯微硬度時，探針壓入合金基體中，使被壓合金內部晶粒產生滑移，合金的顯微硬度值減小，因此Ⅲ組合金的顯微硬度值小于Ⅱ組。

(3)合金切削力分析
所示，以背吃刀量(A)、進給量(B)、切削速度(C)為因素，列L9(34)正交表，測量Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三組過共晶Al-18Si合金的切削力。可見，相同切削條件下，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三組材料的平均切削力中Ⅰ最大，Ⅱ次之，Ⅲ最小。Ⅰ組的硅顆粒呈現粗大針狀結構，這些硅顆粒將會成為應力源，導致力學性能(尤其是塑性)降低，切削過程波動嚴重，導致切削合金時的平均切削力大；Ⅱ中添加的細化劑TiB2，不但能夠降低鋁液中的雜質，同時也是鋁合金細化劑的主要成分之一。因為TiB2使得熔體中產生大量的凝固所需的核，促使形成大量細小的各向等大的α-Al晶粒，而且TiB2還可以成為凝固的異質形核核心，使晶粒細化；細化劑中的B可以與Al形成Al-B中間合金AlB2相，阻止初晶硅顆粒的長大，Ti元素加入到鋁合金中形成Al3Ti顆粒，其主要作用是促使鋁合金微觀組織的枝晶間顆粒的再成核，再成核越頻繁則意味著在微觀組織中存在大量的更細小的晶粒；因此，采用中間合金TiB2作為細化劑時，初晶硅和共晶硅均能被細化。與此同時，細化劑還可以消除合金凝固過程中產生的縮松縮孔現象，確保形成均勻分布的二次相成份，從而使微觀組織在切削加工過程中所需的切削力減小，切削力波動較小，因此平均切削力也就較小。Ⅲ組中除了添加TiB2外還添加了少量Cu，研究表明，少量的Cu加入到Al-Si合金中，除了可以與合金中的Al反應生成沉淀強化相Al2Cu外，還可以形成具有單斜結構的AlCu化合物，這種具有性能綜合的復雜化合物處于晶界處，可實現晶界在材料變形時的協調配合和晶粒內部新滑移系的啟動，能有效提高Al-Si合金的塑性，使材料切削時所需要的切削力減小，切削力大小波動平穩，因此平均切削力更小。
 分析可知，由于Ⅱ組采用TiB2作為變質劑時，部分Ti可以與Al結合形成Al3Ti，Al3Ti可與Al發生包晶反應使晶粒細化，而過共晶鋁硅合金中的共晶硅無需形核，可直接依附于初晶硅生長，使晶粒細化，變質劑中的B元素還可以與合金中的Al結合生成AlB2，提高了鋁合金液凝固時形核率，當合金凝固時，Al3Ti、AlB2、TiB2將成為凝固的異質形核核心，使晶粒細化。Ⅲ組中除了添加TiB2外，還添加了0.51%的Cu，其可以與Al形成Al2Cu，其能使共晶硅得到細化，因此圖1c中的共晶硅細化程度更明顯。因此，通過試驗可以看出，添加Cu、TiB2能夠細化過共晶Al-18Si合金中的初晶硅和共晶硅晶粒。鈞杰陶瓷擁有先進的生產設備,并且還有一群一流的生產技術管理人員,產品質量現已達到國內先進的水準.鈞杰陶瓷專注品質第一,服務至上,求實創新,持續改善公司的經營理念,最大限度地提供令客戶滿意的產品,真誠的與廣大新老客戶攜手合作,永續經營之道.客戶可來樣來圖訂制各類陶瓷工件，陶瓷結構件,歡迎來電咨詢鈞杰陶瓷聯系電話：134 128 56568。