Al-10Ce中间合金对α-铝的变质效果.pdf

第5 8 卷第1 鹏 20u6 年2 月 有色金属 F e b r u a r y 2 006 A 1 一l O C e 中间合金对a 一铝的变质效果 刘天佐，王正军，王晓军，夏天东，赵文军 兰州理工大学材料科学与工程学院，甘肃省有色金属新材料国家重点实验室兰州，兰州7 3 0 0 5 0 摘要用x 射线衍射、光学显微镜、扫描电镜和能谱等分析A I l O C e 中间台金的相组成和微现形貌，研究A t - l O C e 中同合金 对a 铝的变质处理教果。结果表明．A 1 1 0 C e t } | 间音盒H j 量对变质效果的影响很大，A I 1 0 ＆巾问盎用量为3 ．0 ％左右时达到蛀 佳变质效果，用量少变质教果差，用量过多则形成过变质。A L l 0 C e 巾问合盎对n 一铝所需变质处理时问较短。冷却速度超过 7 0 ℃／m i n 时才具有明显的变质教果。由于垮却强度不同．铸捧中心部位变质效果比边部差。 关键词金属材料；A 1 ．1 0 C e 中问台金；变质效果；变质时叫；冷却速度 中图分类号T G l 4 62 1 ；T G l 4 64 5 ；T G l l 31 2文献标识码A文章编号1 0 0 1 一0 2 1 1 2 0 0 6 0 1 0 0 1 9 0 4 铝及铝合金材料的变质是提高材料性能的重要 手段，所用变质剂达数1 0 种。钠盐是广泛应用的变 质剂之一，但在实际应用中有时效期短，失效快这一 不可克服的严重缺点。2 0 世纪8 0 年代初以来，锶 作为铸造铝台金变质剂在国内外均获得应用。锶变 质效果好，且具有长效性，但单独用锶作变质剂时有 吸气倾向，且成本较高。过剩的添加锶对熔体的补 剂性影响很大，易引起缩孔缺陷，降低合金致密度。 锶与熔体中的氧化物夹杂相结合会阻碍除氢，并且 向未除去夹杂 氧化物 的A 1 熔体中加锶，铸件产生 疏松，将此熔体进行真空除气，疏松减少，但不能完 全消除⋯。因而寻找新的综合性能更强的变质剂 从未间断，稀土是最有希望的铝及其合金变质剂。 我国有得天独厚的稀土资源，选用稀土作为变质剂 对于发展我国的铝业和稀土工业均有重要的现实意 义[ “。 为了解决A 1 变质过程中的环境污染问题，用熔 配法制备了一种高效、低价格且适于产业化生产的 A J 变质剂A l 一1 0 C e 中间台金。该中间合金对 。一铝进行变质，加人适量的A I1 0 C e 中间合金即可 取得良好的变质效果。该中间合金使用工艺简便、 无污染、无反应渣、变质效果长效稳定、易储存、综合 成本低，克服了当前变质剂的缺点，有着广阔的应用 前景。另外，在a 一铝及铝合金中加入微量稀土元 收稿日期2 0 0 41 22 0 基金项目国家 8 6 3 高科技研究发展计划项日 2 0 0 3 A A 3 3 0 5 0 作者简介剂天佐 1 9 5 1 ．男．甘肃天水县 ，高级工程师，主要 从事材料非平衡制备等方面的研究。 素，可以显著改善其金相组织，细化晶粒，去除其中 有害杂质，减少裂纹源，这主要是由于某些稀土元素 如C e 沿枝晶和晶界分布，形成连续或不连续网 膜，能显著提高晶界强度和抗蠕变能力，使晶间裂纹 不易发展，从而提高。一铝及铝合金的强度，改善加 工性能，还能改善其耐热性、可塑性及可锻性，提高 硬度，增加强度和韧性，强烈地净化和强化a 铝及 铝台金，使其具有较高的高温强度和较好的热稳定 性。总之，稀土元素的加入使得稀土铝合金成为一 种性能优良、用途广泛的新型材料旧J 。然而由于 R E 元素化学性质较活泼、易氧化，烧损严重，故一 般均以中间台金形式加入，使用得最多的是以铈为 主的混合稀土。自行配制的铝铈中间合会的含铈 量在共晶成分附近 ～1 0 ％ 。如图1 所示，铈含量 过高，熔点升高，增加熔制困难J 。重点研究了A 1 ． c e 中间合金的加入量、变质时问和冷却速度对a 一 铝的变质效果的影响。 A “／裂“1 ／忻l d 霸i 转 ／。k ，I A I L ，I／ ，∞“℃l - ，0 - 一 Il l C e i l ％一 图lA I ．C e 二元相图 A l 角 F i g1E q u i l i b r i u md i a g r a mo fA I - C es y s t e m l～世叫 万方数据 有色金属第5 8 卷 1实验方法 变质处理对象为a 一铝，在坩埚中上覆一层干 燥的铝覆盖剂熔化，在铝液温度为7 2 0 ～7 6 0 “ C 时加 入适量的A 1 ．1 0 C e 中间合金，搅拌、保温3 0 r a i n 后加 入精炼剂，精炼除气，扒渣取样浇注成锭，待试样冷 却后，取试样横断面在光学显微镜下观察金相组织， 检验变质效果。 2 试验结果与分析 2 ．1 A I ．1 0 C e 中间合金变质剂的变质作用 在铝及合金熔炼时，除按规定加入合金元素外， 加人少量变质剂又称孕育剂 有时亦为合金元素 ， 使台金凝固时的结晶条件发生变化，从而使组织和 性能得到改善的过程即为变质处理“ j 。 从图2 为A 1 1 0 C e 中间合金的x 射线衍射图 谱。由图2 可知，在中间台金中已经预先生成了 A k C e ，加入到* 铝中，熔点较高的A k c e 颗粒在高 温合金液中形成大量细小弥散的A k c e 质点。 A k c e 为体心正交晶系 n 0 ．4 3 9 5 n m ，6 1 ．3 0 2 5 n m ，c 1 ．0 0 9 2 n m ，熔点约1 2 5 0 ℃。C e 为面 心立方晶系 口 0 ．6 3 6 n m ，熔点约7 9 8 ℃。A I 为面 心立方晶系 a 04 0 4 0 n m ，熔点约6 6 0 1 2 。从熔 点看，c e 和A l 。C e 都可异质形核，但从晶体结构看。 虽然A 1 和C e 晶体结构相同，但品格常数差异较大， 而A k C e 和G t 一铝晶体结构相似、晶格常数相应，故 可作为a 一铝结晶时的异质晶核，使a 一铝中产生大 量细小均匀的晶粒，晶粒尺寸得以细化，同时改变晶 粒形貌，使原来粗大的柱状晶粒变为等轴晶，从而改 善力学性能。 图2A l - 1 0 C e 中间合金的x 射线衍射分析图谱 F i g ．2X r a yd i f f r a c r i 。np a t t e r no fA I - 1 0 C em a s t e rj l l o y 从图3 是A I 一1 0 C e 中间台金的铸态电镜显微组 织照片，黑色中间台金基体上较均匀地分布着一些 白色颗粒。用能谱仪对白色颗粒进行多点成分分 析，测定其分子比为C 川c 冉 3 ～4 1 ，由此可 定性分析白色颗粒为A l 。c e ，成分分析见表1 。叉由 x 射线衍射分析表明，样品的相结构是由A 1 ，C e 和 A h C e 三种物质组成。因而进一一步确定白色颗粒为 A k e 。由于A 1 。c e 具有较高的熔点，在n 一铝结晶 之前就已形成大量细小的颗粒而起到外来晶核的作 用，因此可以直接作为异质晶核来细化n 铝。 图3A 1 ．1 0 C e 中间台金的铸态显微组织 F i g ．3 A s C a s tm i c r o s t r u c t u r eo fA 1 1 0 C em a s l e ra l l o y 表1A I ．1 0 C e 中间台金基体中白色 颗粒E D S 分析结果 1 h U e1E D Sa n a l y s i s0 fw h i t es p e c k l e si nA I - 1 0 C er n a s t e ra 1 1 0 y 2 ．2 A I ．1 0 C e 中间合金用量对变质效果的影响 A 1 1 0 C e 中间合金用量对变质效果的影响很 大。图4 为加入A I1 0 C e 中间合金变质前后纯铝试 样中心部位的微观组织。可以看出A I 一1 0 C e 中间合 金用量直接影响铝的变质效果，但并不是加入A 1 一 l O C e 中间合金量多效果就好，用量在某一适量范围 变质效果最佳。对于A I 一1 0 C e 中间合金变质剂同样 存在着”过变质”问题【”。这可能是由于A 1 。c e 的聚 集，它们之间倾向于相互台并，使晶核数目下降，导 致变质效果变差。从图4 可以看到，未变质的a 铝 中。呈粗大的柱状晶。A I 一1 0 C e 中间台金用量为 0 ．8 ％时．a 一铝已明显变质．大部分呈等轴晶．但仍 有相当数量的柱状晶。继续加大A I I O C e 中间合金 用量，柱状晶的尺寸变得更小，直到全部为等轴晶。 万方数据 第1 期 刘天佐等A I 1 0 C e 中问舍金对。，铝的变质效果2 1 A 1 ．1 0 C e 中间台金用量为3 ．0 ％左右时达到最佳变 质效果。继续增大其用量变质效果逐渐变差，柱状 晶反而变得粗大，并形成夹杂，形成过变质。目前各 研究者报导的最佳加入量数据差异很大，在一定程 度上说明了影响因素的复杂性。 a ～锅； b 一A I 一1 0 C e 中间台盒05 ％； c 一A 1 ．1 0 C e 中问金10 ％； d 一A I ．1 0 C e 中间台盒2 ．0 ％ 图4 纯铝试样中心部位加入A I ．1 0 C e 中间 合金变质前后的微观组织 F i g4M i c r o g r a p k so fa l u m i n u ms a m p l e sa te e l l t c , rb d o r e a n da f t e ra d d i t i o no fA I ．1 0 C eI 郴杞ra l l o y 2 ．3 变质时间和冷却速度对变质效果的影响 A I 一1 0 C e 中间合金加入。一铝中后，较短的时间 内就会产生变质效果。由于中间合金中已预先形成 参考文献 了大量A 1 。C e 化合物，无须在熔体中反应生成，而且 A L l 0 C e 中间合金熔点较低，加入到a 一铝中后迅速 溶化，A k C e 弥散形成异质晶核【8J ，可减少台金变质 处理时间，提高生产宰，降低产品的成本。 研究表明，任何一种变质剂都必须在一定冷却 速度下才具有变质能力，这一定的冷却速度称为“变 质临界冷却速度v c ”。如果体系冷却速度低于此 值，变质元素无论浓度多大均不能产生变质作用。 比如N a 的变质临界速度v c 8 ℃／r a i n ，这一冷却 速度是比较慢的，因此在铸造生产条件下，N a 具有 很好的变质效果。而C e 在冷却速度为8 “ C ／r a i n 的 条件下不具备变质能力，当冷却速度超过7 0 ℃／m i n 时才具有明显的变质效果【9J 。试验中都是采用在 金属型中铸造，加之合理的工艺技术，达到更大冷却 速度，从而获得更好的变质效果。试验中发现铸棒 中心部位变质效果比边部差．这是由于中心部位与 边部冷却强度不一致造成的。 3 结论 用A 1 1 0 C e 中间合金作变质剂时，其用量对变 质效果的影响很大。A l l O C e 中间合金用量为 3 ．0 ％左右时达到最佳变质效果。用量少变质效果 差，用量过多则形成过变质。A I l O C e 中间合金对 a 铝所需变质处理时间较短。冷却速度超过7 0 ℃／ r a i n 时才具有明显的变质效果。由于冷却强度不 同，铸棒中心部位变质效果比边部差。 [ t 】罗启全铝台金熔炼与铸造[ M 】广州广东科技出版社，2 0 0 2 1 3 01 3 3 [ 2 ] 徐贵松，吴炳乾．稀土变质剂在铝及其含金中的应用[ J ] 江西有色金属，1 9 9 6 ，1 0 3 2 8 3 3 [ 3 ] 周晓霞，张仁元，刘银峁稀土元素在铝合金中的作用和应用[ J ] ．新技术新工艺- 材料与表面处理，2 0 0 3 ，6 4 4 3 4 5 [ 4 ] 铸造有色合金厦其熔炼联舍编写组铸造有色台金及其熔炼[ M ] 北京国防工业出版社，1 9 8 0 1 2 2 1 2 3 ． [ 5 ] 铸工手册编写组铸造有色金属手册【M J 北京机械工业出版社，1 9 7 8 1 9 8 ． [ 6 ] M c C a r m e yD GG r a i nr e f i n e m e n to fa l u m i n u ma n di t sa l l o yu q n gi n o c u l a t o r s [ J ] ．I n t e r n a t i o n a IM a t e r i a l sR e v i e w ，1 9 8 9 ，3 4 2 2 4 7 2 6 0 [ 7 ] A r a v a m u d h a nR a n m nU s e s dJ a r ee a , t h m e t a l sa n da l l o y s i n m e t a l l u r g y ，p a r t I l [ M ] ．N e wY o r k C a d m i cP r e s s ，1 9 7 7 1 8 ． [ 8 ] 齐广慧，剂相法，杨志强，等，“绿色”高教A ls i 台金变质剂A I P 中间合盒[ J 】材料科学与工艺．2 0 0 1 ，9 2 2 I l 一2 1 4 [ 9 ] 孙伟成，张澈荣，侯爱芹稀土在铝合金中的行为[ M ] ．北京兵器工业出版社，1 9 9 2 1 9 2 1 9 6 ． 下转第2 5 页，C o n t i n u e dO nP2 5 万方数据 第l 期 雷贻文等复合添加V C ／C r s 岛晶粒长大抑制剂对W G l 2 ％C o 超细晶硬质合金性能的影响 2 5 E f f e c t so fV C ／C r 3 C 2A d d i t i o n0 nM e c h a n i c a lP r o p e r t i e so fU l t r a f i n eG r a i n e dC e m e n t e dC a r b i d e s L E IY i Ⅷ1 ，w U 凸 x i 2 ，S U N r i n 9 1 ，D U X i - f z e n l ，Z H A I Q i l ，Y A N G X i n 9 1 1s f h o o lo f M a t e r i a l sS H e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，T i a w i nU n i v e r s i t y ．7 7 a n j i n3 0 0 0 7 2 ，C h i n a 2 ．C e n t r a l ＆ⅢmU n i w o r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a e l T h es a m p l e sa r ep r e p a r e db yv a c u u m ／p r e s s u r es i n t e r i n gt e c h n o l o g y ，a n dt h ee f f e c t so fV C ／C r 3 眨c o m b i n e d a d d i t i o na n ds i n t e r i n gt e m p e r a t u r eo nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h eW C 一1 2 ％C oa l l o y sw i t hs u p e r f i n eg r a i n a r ei n v e s t i g a t e d ．T h er e s u l t ss h o w t h a tt h e 。o f t h ea l l o y i su p t o3 7 8 6 M P a ，a n dt h eh a r d n e s s i s9 1 ．7 H R ，a n d t h eg r a i ns i z e i s l e s s t h a n0 ．6 t l n l w h e ns i n t e r e da t l 4 3 0 “ C ．a n d4 M P a w i t h0 ．5 ％C r 3 C 2 ／o ．3 ％V Ca d d i t i o n ．’F h e g r a i n so ft h eW Ch a r dm e t a la r ef i n e db yt h ec o m p r e h e n s i v ee f f e c t so ft h eV Cp r e c i p i t a t i n go l lW Cg r a i nb o u n d a r yt op r e v e n tt h ei m m i g r a t i o no ft h eW Cc r y s t a lf a c ea n dC r 3 Qd i s s o l v i n gi nC op h a s et os l o wd o w nt h eW C s o l u t i o na n dr e c r y s t a l l i z a t i o np T o c e s si nt h eb i n d e rp h a s e ． K e y w o r d s c o m p o s i t em a t e r i a l ；s u p e r f i n eg r a i n ；h a r dm e t a l ；g r a i ng r o w t hi n h i b i t o r 上接第2 l 页，C o n t i n u e df r o mP2 1 M o d i f i c a t i o nE f f e c to fA I 1 0 C eM a s t e rA l l o yo n 口- A I L 儿，T i a n z “。，W A N GZ h e n gj u n ，W A N GX i a o - 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