论文NaO4和Cu、Ti对Al—18Si合金切削性能的影响是适合18Si论文写作的大学硕士及相关本科毕业论文，相关18Si开题报告范文和学术职称论文参考文献下载。
摘 要：在过共晶Al-18Si合金中加入细化剂NaO4和金属元素Cu、Ti,研究其对过共晶Al-18Si合金的硬度、切削力和断屑性能的影响.实验结果表明,添加NaO4和Cu、Ti的过共晶Al-18Si合金,其基体硬度增加,断屑性能增强,切削力显著减小,切削过程平稳.
关键词：过共晶Al-18Si合金；细化剂；硬度；切削力
过共晶硅铝合金具有密度小、耐磨、耐腐蚀及热膨胀系数低等优点,在现在电工工业、重型机械、高新技术等领域中应用比重不断加大,特别是在飞机制造、汽车发动机活塞及其壳体等领域的大量使用,这就对过共晶铝硅合金的可加工性能提出了更高的要求.对于铝硅合金,随着硅的含量的增加,初晶硅和共晶硅会变得越来越粗大,特别是当硅的质量分数超过14%时,铝硅合金组织中会析出大块初晶硅,严重割裂合金基体在硅相,且在硅相尖端和棱角部位存在严重的应力集中,使得合金的切削性能降低.此外,铝硅合金存在的刀具粘附倾向,也会造成工件的加工表面质量和尺寸精度变差.
目前国内外研究者主要研究通过细化变质的方法,来提高铝硅合金的性能.这是因为细化剂,既能使铝硅合金具有流动性好、收缩率低、热裂倾向小,也能细化初晶硅和共晶硅,减少各向异性,改善其加工性能.也有研究表明,向硅铝合金中添加金属元素,可以提高过共晶铝硅合金的机械性能,特别是切削加工性能.这是因为有些金属元素除本身具有固溶强化作用外,还能够改变了合金的沉淀相结构,使时效组织更为弥散均匀,既提高了强度,也改善了塑性.此外,添加的金属元素不同,对合金的切削加工性能影响也不同.
作者通过向Al-18Si合金中添加细化剂NaO4和金属元素Cu、Ti,研究细化剂和金属元素对过共晶硅铝合金的切削性能产生能哪些影响.
1实验方法
本实验所配备的材料为本文采用普通铸造的方法制备过共晶Al-18Si合金.为了便于观察实验结果,制备了未处理和添加NaO4、Cu、Ti（试验过程中考虑了Ti在坩埚炉中的烧损）两组实验材料.化学成分如表1所示.
首先将纯净的铝、硅放入SG2-7.5-12井式坩埚式电阻炉中,加热到780℃时保温熔化,再将Cu、Ti压入到坩埚底部,当所有金属熔化后保温10分钟,将细化剂NaO4用铝箔包裹,有漏勺压入坩埚底部,使其充分反应并搅拌均匀,静置10分钟,将熔液倒进金属模具中,进行自然时效处理.
未处理和添加NaO4、Cu、Ti的两组铸造实验材料分别标注为Ⅰ、Ⅱ,并加工成为Φ10×10 mm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AFT-DC130光学显微镜上观察金相组织,之后在HB-3000B布氏硬度计上测量硬度；在车床转速为500r/min,进给量为0.22mm/r,背吃刀量为1.0mm的数控机床上测试合金切削力,并分析两组合金的断屑性能.
图1（a）、（b）分别为Ⅰ、Ⅱ两组测试合金的微观组织形貌.可见,图1（a）中的初晶硅棱角尖锐,形貌粗大,尺寸非常不均匀,平均轮廓尺寸在400μm左右,且则杂乱分布于基体中；图1（b）中,合金中的初晶硅弥散分布,且棱角钝化,其形态呈四边形或相对规则的五边形,平均轮廓尺寸40μm左右,而共晶硅呈纤维状.
通过图1可以看出,Ⅱ组合金具有较理想的组织形貌,这是由于Ⅱ组采用NaO4作为变质剂,P能与Al发生化合反应生成Al2P,由于Al2P与Si具有相似的晶格和结构常数,可以成为异质形核质点；而Na原子因化学作用,富集在孪晶凹谷处,阻滞了Si原子团的生长速度,最终导致Si晶体生长形态发生变化.而且添加的Ti也可以与Al结合形成Al3Ti,其可与Al发生包晶反应,也能使初晶硅细化.
2.2合金硬度分析
表2为Ⅰ、Ⅱ两组过共晶Al-18Si合金的平均布氏硬度值,其中Ⅰ组合金平均硬度值为58.4HBW,Ⅱ组合金平均硬度值为85.4HV.可以看出与Ⅰ组合金的硬度相比,Ⅱ组合金的硬度增加了46.2%.结合图1可知,这是由于Ⅰ组中的初晶硅粗大,对基体割裂严重,基体在晶界处产生的裂纹,使基体的致密程度减小,硬度低.Ⅱ组合金中添加了变质剂,初晶硅、共晶硅均被细化,对基体的割裂减小,晶界处裂纹减少,基体密实度增加,硬度也就增加.此外,Ⅱ组中还添加了2%的Cu,在自然时效时,基体中将会析出沉淀强化相Al2Cu,其可以显著强化基体,增加合金强度,这也是为什么Ⅱ组合金的基体硬度显著增加的另一个主要原因.
2.3合金断屑能力分析
图2所示为Ⅰ、Ⅱ两组过共晶Al-18Si合金在车床转速为500r/min,进给量为0.22mm/r,背吃刀量为1.0mm时的切屑,分别对应图1中的（a）、（b）.通过图1可以看出,Ⅰ组合金的切屑的长度较长,呈现出明显的螺卷状,切屑内表面光滑,外表面呈现出毛茸状,切屑折断长度具有规律性；Ⅱ组合金的切屑呈短块状,切屑短且厚,内表面有裂纹,外表面呈毛绒状.可见合金添加细化剂NaO4和金属元素Cu、Ti后,合金的切削性能优于未变质处理的.这是由于合金组织的初晶硅、共晶硅的大小、形貌和分布状况对其切削性能影响极大,具有细小、分散而形状圆钝形貌的初晶硅合金有比较好的切削性能.造成这种影响的主要原因在于细小的硬质颗粒比较容易协同基体塑性变形和被刀具压入切屑和已加工表面,使切屑断裂.而粗大的硅块往往发生解离破碎、脱落和位移,不能协同基体的塑性变形,使断屑能力减弱.
图3两组合金的切削力
2.4合金切削力
如图3所示1、2分别为车床转速为500r/min,进给量为0.22mm/r,背吃刀量为1.0mm条件下,Ⅰ、Ⅱ两组合金的切削力,通过对比可以发现,Ⅰ组合金切削力的大小主要在230N-300N之间波动,Ⅱ组合金的切削力则在310N-430N之间波动,Ⅰ组合金切削力的大小和波动范围远大于Ⅱ组.结合图1可知,Ⅰ组的初晶硅形貌粗大,棱角尖锐,而尖锐的部分容易形成应力源,再者,初晶硅的硬度远大于软铝基体,切削时,大块初晶硅、应力源和软铝组织依次被切割,导致切削过程波动严重,切削力大.Ⅱ组中添加的细化剂NaO4和金属元素Ti,细化了初晶硅,形成了均匀分布的二次相以及微观组织,减少应力源,因此,在切削加工过程中,所需的切削力减小,切削力波动较小.而且Ⅱ组中还添加了Cu,有研究表明,Cu加入到Al-Si合金中,除了形成Al2Cu外,还能形成具有单斜结构的AlCu,这种具有复杂结构的化合物位于晶界处时,可实现晶界在材料变形时的协调配合,这也可能是减小合金切削力的另外一个重要原因.
通过上述分析可以得出以下结论,添加细化剂NaO4和金属元素Ti、Cu,对减小过共晶Al-18Si的切削力有积极作用.
3结语
添加细化剂NaO4和金属元素Ti、Cu后,过共晶Al-18Si合金的初晶硅明显细化,轮廓尺寸从400μm细化到40μm,基体硬度增加46.2%,断屑性能提高,合金的切削力显著减小,切削过程也更加平稳.
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