硅铝合金的切削性能如何提升

  过共晶硅铝合金具有密度小、高温强度好、耐磨、耐腐蚀及热膨胀系数低等优点，在高新技术领域中的应用逐年增加，特别是在航空航天、汽车发动机活塞等领域大量使用，因此，后续加工对硅铝合金的组织和性能提出了严格的要求。由于硅铝合金的含硅量增加，初晶硅和共晶硅越来越粗大，当硅的质量分数大于14%时，大量大块初晶硅析出，特别是呈现粗大块状的初晶硅和长针状共晶硅组织，严重割裂合金基体，并且硅相尖端和棱角部位会引起应力集中，在切削加工铸造铝硅合金的过程中，严重的刀具粘附倾向和刀具磨损使得加工表面质量和尺寸精度很差，这也使过共晶硅铝合金的应用受到限制。硅铝合金的切削性能如何提升

  目前国内外研究者主要研究通过细化变质来提高铝硅合金的性能，在铝硅合金熔炼过程中加入晶粒细化剂，既能使铝硅合金的流动性好、收缩率低、热裂倾向小，也能细化铝硅合金晶粒，减少各向异性，改善其加工性能。研究表明，向硅铝合金中添加金属元素，可以提高过共晶硅铝合金的机械性能，特别是切削性能。因为有些金属元素除本身具有固溶强化作用外，还会改变合金的沉淀相结构，使时效组织更为弥散均匀，既提高了强度，也改善了塑性，添加不同的金属元素，对应合金的切削加工性能也不同。本文通过向过共晶硅铝合金中添加细化剂TiB2和金属元素Cu，研究细化剂和金属元素对过共晶硅铝合金的切削力产生的显著影响。
1  试验材料与方法
试验采用普通铸造法制备过共晶Al-18Si合金。试验材料分为三组，分别为未处理的过共晶Al-18Si合金，添加TiB2的过共晶Al-18Si合金，添加TiB2、Cu的过共晶Al-18Si合金，化学成分如表1所示。首先将试验材料分别放在SG2-7.5-12坩埚式电阻炉中加热到780℃，使固体材料融化。当金属块全部熔化后，保温10min，并将细化剂TiB2和Cu放在试样熔融液中，充分搅拌，静置5min，将熔液倒进内部直径Φ50mm高150mm的模具中，并将铸造材料在常温下自然时效处理15天。

将未处理、添加TiB2和添加TiB2与Cu的三组过共晶Al-18Si合金铸造试验材料分别标注为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，首先将Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三种材料分别加工成为Φ10×10mm的试样，在PG-2G金相试样抛光机上抛光，用酒精清洗后烘干，在HM-113显微维氏硬度计上测量显微硬度；将铸造的棒料夹在数控机床上测试切削力，并计算背吃刀量、进给量、切削速度对Z轴方向切削力大小影响的显著性；测试当车床转速为900r/min、进给量为200mm/min、背吃刀量为10mm时，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三组材料的断屑性能。

Al-18Si合金的化学成分

2  试验结果及分析

(1)合金组织分析
图1a、图1b、图1c分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三组合金的金相显微组织。图1a中合金组织中的初晶硅棱角尖锐，形貌粗大，多为五瓣星形、板片状、多面体状，平均尺寸在400μm左右，共晶硅呈粗大针状；在图1b和图1c中，合金中初晶硅形状主要为相对规则的多面体状，棱角圆滑，尺寸细小，初晶硅细化成颗粒状，均匀分布于基体中，平均尺寸40μm；而共晶硅形貌图1b则呈纤维状，图1c则呈短棒状，且弥散分布于基体中。
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分析可知，由于Ⅱ组采用TiB2作为变质剂时，部分Ti可以与Al结合形成Al3Ti，Al3Ti可与Al发生包晶反应使晶粒细化，而过共晶铝硅合金中的共晶硅无需形核，可直接依附于初晶硅生长，使晶粒细化，变质剂中的B元素还可以与合金中的Al结合生成AlB2，提高了铝合金液凝固时形核率，当合金凝固时，Al3Ti、AlB2、TiB2将成为凝固的异质形核核心，使晶粒细化。Ⅲ组中除了添加TiB2外，还添加了0.51%的Cu，其可以与Al形成Al2Cu，其能使共晶硅得到细化，因此图1c中的共晶硅细化程度更明显。因此，通过试验可以看出，添加Cu、TiB2能够细化过共晶Al-18Si合金中的初晶硅和共晶硅晶粒。

(2)合金硬度分析
为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三组过共晶Al-18Si合金的平均显微硬度值，其中Ⅰ组合金平均显微硬度值为59.92HV，Ⅱ组合金平均显微硬度值为67.32HV，Ⅲ组合金平均显微硬度值为64.83HV。可见，与Ⅰ组合金的显微硬度相比，Ⅱ组合金的显微硬度增加了12.3%，Ⅲ组合金的显微硬度增加了8.2%。这是由于Ⅰ组中的初晶硅粗大，在合金中的分布不均匀，对基体割裂严重，基体在边界处产生的大量裂纹，使基体的致密程度减小，显微硬度低。Ⅱ组合金中添加了变质剂TiB2，引起晶格畸变，且其直径为0.1-10μm，Ti可以与Al结合形成Al3Ti相，其直径为20-50μm，Al3Ti和TiB2均匀弥散地分布于铝基体中，成为凝固时的异质形核核心，使晶粒细化；而Al可以与B结合形成AlB2相，阻止初晶硅颗粒的长大。初晶硅被细化，减小对基体的割裂，减少裂纹，增加集体密实度，增加显微硬度。Ⅲ组中除了添加TiB2外还添加了Cu，在自然时效时，基体中析出Al2Cu沉淀强化相，除此之外，Cu还与Al形成的第二相中存在单斜结构的AlCu化合物，这种具有综合性能的复杂化合物处于晶界处，可实现晶界在材料变形时的协调配合和晶粒内部新滑移系的启动，当测试过共晶Al-18Si合金的显微硬度时，探针压入合金基体中，使被压合金内部晶粒产生滑移，合金的显微硬度值减小，因此Ⅲ组合金的显微硬度值小于Ⅱ组。

(3)合金切削力分析
所示，以背吃刀量(A)、进给量(B)、切削速度(C)为因素，列L9(34)正交表，测量Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三组过共晶Al-18Si合金的切削力。可见，相同切削条件下，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三组材料的平均切削力中Ⅰ最大，Ⅱ次之，Ⅲ最小。Ⅰ组的硅颗粒呈现粗大针状结构，这些硅颗粒将会成为应力源，导致力学性能(尤其是塑性)降低，切削过程波动严重，导致切削合金时的平均切削力大；Ⅱ中添加的细化剂TiB2，不但能够降低铝液中的杂质，同时也是铝合金细化剂的主要成分之一。因为TiB2使得熔体中产生大量的凝固所需的核，促使形成大量细小的各向等大的α-Al晶粒，而且TiB2还可以成为凝固的异质形核核心，使晶粒细化；细化剂中的B可以与Al形成Al-B中间合金AlB2相，阻止初晶硅颗粒的长大，Ti元素加入到铝合金中形成Al3Ti颗粒，其主要作用是促使铝合金微观组织的枝晶间颗粒的再成核，再成核越频繁则意味着在微观组织中存在大量的更细小的晶粒；因此，采用中间合金TiB2作为细化剂时，初晶硅和共晶硅均能被细化。与此同时，细化剂还可以消除合金凝固过程中产生的缩松缩孔现象，确保形成均匀分布的二次相成份，从而使微观组织在切削加工过程中所需的切削力减小，切削力波动较小，因此平均切削力也就较小。Ⅲ组中除了添加TiB2外还添加了少量Cu，研究表明，少量的Cu加入到Al-Si合金中，除了可以与合金中的Al反应生成沉淀强化相Al2Cu外，还可以形成具有单斜结构的AlCu化合物，这种具有性能综合的复杂化合物处于晶界处，可实现晶界在材料变形时的协调配合和晶粒内部新滑移系的启动，能有效提高Al-Si合金的塑性，使材料切削时所需要的切削力减小，切削力大小波动平稳，因此平均切削力更小。
 分析可知，由于Ⅱ组采用TiB2作为变质剂时，部分Ti可以与Al结合形成Al3Ti，Al3Ti可与Al发生包晶反应使晶粒细化，而过共晶铝硅合金中的共晶硅无需形核，可直接依附于初晶硅生长，使晶粒细化，变质剂中的B元素还可以与合金中的Al结合生成AlB2，提高了铝合金液凝固时形核率，当合金凝固时，Al3Ti、AlB2、TiB2将成为凝固的异质形核核心，使晶粒细化。Ⅲ组中除了添加TiB2外，还添加了0.51%的Cu，其可以与Al形成Al2Cu，其能使共晶硅得到细化，因此图1c中的共晶硅细化程度更明显。因此，通过试验可以看出，添加Cu、TiB2能够细化过共晶Al-18Si合金中的初晶硅和共晶硅晶粒。钧杰陶瓷拥有先进的生产设备,并且还有一群一流的生产技术管理人员,产品质量现已达到国内先进的水准.钧杰陶瓷专注品质第一,服务至上,求实创新,持续改善公司的经营理念,最大限度地提供令客户满意的产品,真诚的与广大新老客户携手合作,永续经营之道.客户可来样来图订制各类陶瓷工件，陶瓷结构件,欢迎来电咨询钧杰陶瓷联系电话：134 128 56568。