Al-10Ce中间合金对α铝变质的长效性及其重熔稳定性.pdf

第5 8 卷第3 期 2006 年8 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．5 8 ．N o ．3 A u g u s t20 06 A 1 1 0 C e 中问合金对a 铝变质的 长效性及其重熔稳定性 王正军1 , 2 ，刘天佐1 ，王晓军1 ，夏天东1 ，赵文军1 1 ．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7 3 0 0 5 0 ； 2 ．江苏省宿迁学院，江苏宿迁2 2 3 8 0 0 摘要采用光学显微镜、x 射线衍射分析 X R D 等技术研究A 1 ．1 0 C e 中间合金对a 铝变质的长效性和重熔稳定性，并与钠 盐变质进行对比。结果表明，用A I ．1 0 C e 中间合金对a 铝进行变质，可取得极好的变质效果，变质持续时问比钠盐变质剂更长久， 且具有更好的重熔稳定性。同时，在耪炼和变质过程中对环境不造成任何污染，克服了当翦变质剂的缺点。显示出较好应用前景。 关键词金属材料；A 1 ．1 0 C e 中间合金；变质效果；变质长效性；重熔变质 中图分类号T G l 4 6 ．2 1 ；T G l 4 6 ．4 5 ；T G l l 3 ．1 2文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 6 0 3 0 0 1 0 0 4 稀土被广泛用于A 1 ，M g ，C u ，N i ，C r ，W ，N b 等 有色金属及其合金中以改善其物理性能和机械性 能。铝及其合金是目前应用最广泛的有色金属与合 金，在现代工业、航天、建筑交通运输、包装装璜、日 常生活用品等领域已成为不可缺少的重要材料。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，1 9 9 9 年中国稀土铝合金的产 量已近铝产量的1 ／4 [ 1 I 。然而铝及其合金应用领域 的广泛开拓和迅猛发展与近3 0 年来变质剂的研究 和使用是分不开的。 1 9 2 0 年A ．P a c z [ 2 j 发现了N a 具有变质作用。 此后，G w e y w e [ 3 ] ，E d w a r d s [ 4J 等也进行了研究，确认 N a 是最适合于作变质剂的元素，从而形成了通常用 的定型的处理方法，但是用N a 变质处理的主要缺 点是有效时间短。另外，N a 易氧化，消耗快，易与坩 埚反应，降低坩埚的使用寿命，腐蚀产物的清理也非 常困难和环境条件差。近年来由于铸造方法多样 化，由砂型铸造到金属永久型铸造及低压铸造方法 的普及，熔体的保温时间必须要延长，因此在这样的 铸造作业中N a 就不能满足需要了。为了克服N a 变质剂的不足，人们一直在进行许多变质元素的研 究[ 5 6 1 ，已知的有G a ，B a ，s r ，S b ，T e ，L i 等[ 7 | 。 T h i e l e [ 8J 1 9 6 6 年开始了关于S r 的研究。B o r g e a u d [ 9 J 收稿E t 期2 0 0 4 ～1 2 2 0 基金项目国；i g 8 6 3 高科技研究发展计划项目 2 0 0 3 A A 3 3X 0 5 0 作者简介王正军 1 9 7 5 一 ，男，吉林抚松县人．硕士，主要从事材 料非平衡制备等方面的研究。 1 9 6 7 年开始了关于S b 的研究。自1 9 7 7 年起用S r 变质的研究开始活跃起来，2 0 世纪8 0 年代由研究 阶段进入实用阶段。近几年来，我国也开始采用锶 作变质剂。锶变质效果好，且具有长效性。然而，单 独用锶作变质剂时，发现有吸气倾向，且成本比较 高，过剩添加锶对熔体的补荆性影响很大，易引起缩 孔缺陷，使合金致密度降低，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 的趟熔体中加锶，铸件产生了疏松。将此熔体进行 真空除气，疏松减少但不能完全消除【6J 。因而寻找 新的综合性能更强的变质剂也就从未间断过，经过 多年的研究和探索，稀土是最被看重和最有希望的 铝及其合金的变质剂，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炼铝与铝材工 业和稀土工业均有重要的现实意义【10 l 。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舢变质剂一 A 1 1 0 C e 中间合金，该中间合金对A l 进行变质，加入 适量的A 1 1 0 C e 中间合金即可取得良好的变质效 果。重点研究了A 1 1 0 C e 中间合金对口铝的变质重 熔性、长效性等优异性能，并与钠盐对口铝变质进 行对比。研究表明，用A 1 1 0 C e 中间合金，变质持续 时间比钠盐变质剂更长久且具有更好的重熔稳定 性，有着广阔的应用前景。 1实验方法 变质处理对象为0 t 铝，于铝液温度为7 2 0 ～ 7 6 0 “ 2 时加入适量的A 1 1 0 C e 中间合金，在坩埚中熔 万方数据 第3 期王正军等A I ．1 0 C e 中间合金对a 铝变质的长效性及其重熔稳定性 1 1 化。上撒一层干燥的铝覆盖剂。当铝锭全部熔化后， 加人A I ．1 0 C e 中间合金，搅拌、保温3 0 m 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， 进行重熔保温3 0 m i n 及长效性的研究。取试样横断 面在显微镜下观察其金相组织，检验其变质效果。 在试验过程中发现铸棒 直径d 3 5 m m 中心 部位变质效果比边缘部位差，这是由予中心部位与 边缘部位冷却速度不一致造成的。显然，铸棒的边 缘部位冷却速度快，因而变质效果好，中心部位冷却 速度慢，则变质效果差。另外，其变质效果与铸造模 具的冷却速度有很大关系，在金属模中铸造，冷却速 度快，变质效果好。在石膏型，砂型中铸造，冷却速 度慢，因此试验采用在金属模中铸造，以达到更好的 变质效果。 2 试验结果及分析 2 ．1A I ．1 0 C e 中间合金变质长效性 所谓变质处理即是在铝及合金熔炼时，除按规 定加入合金元素外，常加入少量的添加物 有时亦为 合金元素 ，使合金凝固时的结晶条件发生变化，从 而使其组织和性能得到改善的过程。变质剂又称孕 育剂[ 1 1 】。 图1 为A 1 ．1 0 C e 的X 射线衍射相分析结果，将 A 1 1 0 C e 加入到纯铝熔体时，高温下A 1 ．1 0 C e 中的 C e 与A l 反应生成地c e 。由于在中间合金中已经 预先生成了A 1 4 C e ，当加入到口铝中，熔点较高的 虬C e 颗粒在合金液的高温作用下，形成大量细小 弥散的A 1 4 C e 质点。虬C e 为体心正交晶系 岛 0 ．4 3 9 5 n m ，b 1 ．3 0 2 5 n m ，c 1 ．0 0 9 2 n m ，熔点约 1 2 5 0 ℃。A 1 为面心立方晶系 a 0 ．4 0 4 0 n m ，熔点 约6 6 0 ℃。C e 为面心立方晶系 a 0 ．6 3 6 0 n m ，熔 点约7 9 8 ℃。从熔点看，C e 和A 1 4 C e 都可异质形核， 然而从晶体结构看，虽然A 1 和C e 晶体结构相同，但 2 0 ／ 0 1 图1A i - l O C e 的X 射线衍射相分析 F i g ．1X m yd i f f r a c t i o np a t t e r no fA I 一1 0 C e 品格常数差异较大，而A h C e 和础都是正交晶系，a 值比较接近，晶体结构相似、晶格常数相应，故 A 1 4 c e 可直接作为a 铝结晶时的异质晶核，使0 t 铝中 产生大量细小均匀的晶粒，使组织得以细化，从而改 善其力学性能。 A 1 ．1 0 c e 中间合金在保温过程中会出现越4 C e 和C e 的偏聚、沉淀、烧损等现象，由于随着时间的延 长，A k C e 和C e 聚集，倾向于相互合并，使晶核数目 下降，从而导致变质效果的下降。而烧损的实质是 在熔炼中，由于氧化而生成某些金属氧化物，导致 A 1 ．1 0 C e 中间合金变质衰退现象。变质作用衰退现 象则是变质元素氧化或蒸发的反映，在保温期间 或 其它作业期间 变质元素含量减少到临界值以下，即 出现变质衰退现象。在大气中熔炼铝合金，总要产 生氧化膜，增加合金液的含气量，熔炼时间越长，合 金液温度越高，氧化夹杂物含量越多，合金的吸气就 越严重。同时，铈又是化学性质活泼的元素，铈元素 随铝熔体保温时间延续而不断减少。所以铈元素的 减少是氧化反应的结果[ 1 2 】。A h C e 和C e 的氧化模 式[ ”] 可用式 1 ～式 3 表达，从C e 和C e 的氧化速 度可用式 4 和式 5 表示。 [ A h C e ] [ O ] 一 础2 0 3 C e 2 0 3 1 [ C e ] [ O ] - C e 2 0 3 2 [ C e ] [ O ] 一 C e O 3 d C A 1 4 C e ／d t kxC m C C e C O 4 d C [ C e ] ／d t 是C C e C O 5 式中[ x ] 一熔体中的物质X ； x 一渣中的物 质X ；C [ X ] 一同一时刻熔体中X 的浓度；k 一反应 速度常数，是温度和组元的函数。 试验结果表明，随着时间的延长，出现的仙C e 和C e 偏聚、沉淀、烧损等现象，会明显降低其变质效 果，如图2 所示。然而，当保温时间达4 h 时仍有一 定的变质效果，也就是说，A 1 ．1 0 C e 中间合金变质有 效时间较长，能适应大量连续生产需要，尤其对低压 铸造，压力釜铸造和差压铸造等新工艺相适应，是一 种良好的长效变质剂。其变质持续有效时间比钠盐 变质剂更长，钠由于在熔体中更易氧化损耗，变质持 续时间短 4 0 ～5 0 m i n ，在高温下，保温时间达 5 0 m i n 后其变质效果会随时间延长而消失，同时，加 入量过多则出现过变质组织。 2 ．2 变质效果重熔稳定性 A 1 1 0 C e 中间合金及钠盐变质的铝合金重熔变 质试验结果如图3 所示。A 1 ．1 0 C e 中间合金二次重 万方数据 1 2有色金属第5 8 卷 婪煮妻肇妻i 全2 警烹间，三憋拿苎罂竺窖 由于中心部位与边缘部位冷却速度不一致，铸 专曼全耋鬯含慧乏蛩 3 5 刚臻赛零量妻妻棒中瑟森壶萎羞簇若弱赫主篇赢蒗； 耋享婴骜詈霎薏娄苎。, A 。I - I m O C 。e ， 望龛烹羹璧竺蒿喜墓萎羞。蔷夏淼真著菇≤嘉兰磊乏 詈笆誓曼薏麓，冀翟警璺旱蛩是亨．巴譬箩。李要鍪甚磊茹嘉搞≤童篇i I 柔姜毒’j 。玉’二二器、； 篓曼鬯孽竺熙兰。变璺克笔笔三当曼。譬享蒿暮聂蔷≤嘉覆毒蕊嘉￡一““一～一 质作用几乎完全消失，可见其使用寿命无法与稀土 一“一⋯““～⋯⋯。⋯一一⋯” 参考文献 [ 1 ] 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 ． 【2JP a c zA ．A l l o y s U S A ，1 3 8 7 9 0 0 [ P ] ．1 9 2 0 0 2 1 3 ． 1 3 ] G w e y e rAG ．T h ea d d i t i o no fa l u m i n u m ．s i l i c o na l l o y s B r ，2 1 9 3 6 4 [ P ] ．1 9 2 3 0 3 2 1 ． [ 4 ] E d w a r d sJD ．M a k i n gc a s t i n g so fa l u m i n u m s i l i c o na l l o y s U S A ，1 4 1 0 4 6 1 [ P ] ．1 9 2 0 1 1 2 7 ． [ 5 ] 津村．轻金属[ M ] ．日本大阪株式会社，1 9 5 5 5 3 1 ． [ 6 ] 罗启全．铝合金熔炼与铸造[ M ] ．广州广东科技出版社，2 0 0 2 1 3 0 1 3 3 ． [ 7 ] 高泽生．锶用于A 1 ．S i 合金的变质处理[ J ] ．轻合金加工技术，1 9 9 4 ，2 2 8 1 0 1 6 ． 18jT h i d eW ．G i e s s e r e i 【M ]B e r l i nG e r m a n T h eF o u n d r yA s s o c i a t i o n ，1 9 6 6 7 6 8 ． 1 9 ] B o r g e a u dI ’．F o u n d e r r i e [ M ] ．P a r i s ，F r a n c e M a t e r i a lS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yP r e s s ，1 9 6 7 4 5 9 4 7 3 ． [ 1 0 ] 徐贵松，吴炳乾．稀土变质剂在铝及其合金中的应用[ J ] ．江西有色金属，1 9 9 6 ，1 0 3 2 8 3 3 ． 下转第1 5 页，C o n t i n u e do nP ．1 5 万方数据 第3 期范世平等Z n 和稀土元素L a 对铜性能的影响 1 5 E f f e c t so fL aa n dZ no nP r o p e r t i e so fP u r eC o p p e r F A NS h i p i n 9 1 ，G U OC h u n e n2 ，Z H A OY u e - c h a 0 3 1 ．X i n j i a n gH a m iP e t r o l u m b a s eM e c h a n i c a lF a c t o r y ，H a m i8 3 9 0 0 9 ，X i 巧i a n g ，C h i n a ； 2 ．X i 脚i a n gH a m iP e t r o l u m - b a s eG e o l o g i c a lR e s e a r c hI n s t i t u t e ，H a m i8 3 9 0 0 9 ，X i n j i a n g ，C h i n a ； 3 ．L i a o n i n gT e c h n i c i a lU n i v e r s i t y ，F u x i n1 2 3 0 0 0 ，L i a o n i n g ，C h i n a A b s t r a c t T h ec o n d u c t i v i t y ，s t r e n g t ha n dh a r d n e s so ft h ec o p p e rm a t e r i a lw i t ha d d i t i o no ft h em e t a lZ na n dr a r e e a r t h e l e m e n tL aa r ei n v e s t i g a t e db ye l e c t r i c i t yr e s i s t a n c em e a s u r e m e n tw i t hd o u b l eb r i d g ec i r c u i t ，t e n s i l et e s ta n d h a r d n e s sm e a s u r e m e n t ．T h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep u r ec o p p e rs u b s t r a t ec a nb ep u r i f i e ds u c ha so x y g e ne l i m i n a t i o n ，a n dt h ec r y s t a l l i n eg r a i ni sf i n e db ya d d i t i o no fr a r e e a r t he l e m e n tL a ，S Ot h ec o n d u c t i v i t yi si m p r o v e d ． T h es o l u t i o na n df i n eg r a i ns t r e n g t h e n i n ge f f e c t sa r ea c c o m p l i s h e db ya d d i t i o no fm e t a lZ n ，h o w e v e rt h ec o n d u c t i v i t yi sd e c r e a s e ds o m e w h a t ．T h eo p t i m a lc o m p r e h e n s i v ep r o p e r t yo fs p e c i m e ni sa c h i e v e dw i t ht h ec o n t e n to f 0 ．0 8 ％L aa n d0 ．4 ％Z n ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；c o p p e r ；r a r e e a r t he l e m e r x t sL a ；Z n ；c o n d u c t i v i t y ；s t r e n g t h ；h a r d n e s s 上接第1 2 页，C o n t i n u e df r o mP ．1 2 [ 1 1 ] 铸工手瓣编写组．铸造有色金属手册[ M ] 。北京机械工业出版社，1 9 7 8 1 9 8 ． [ 1 2 ] 鲁薇华，王汝耀．锶变质铝硅合金的组织、性能及其变质工艺[ J ] ．铸造，1 9 9 7 ，4 6 9 4 4 4 9 ． [ 1 3 ] 孙伟成，张淑荣，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 L a s t i n gM o d i f i c a t i o nE f f e c ta n dR e m e l t i n gM o d i f i c a t i o nS t a b i l i t yo fA I - 1 0 C eM a s t e rA l l o yo n 口- A l W A N G Z h e n g - j u n1 一，L I UT i a n Z U 0 1 ，W A N GX i a o - j u n1 ，X I AT i a n ．d o n 9 1 ，Z H A OW e n - j u n 1 1 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fG a n s uN e wN o n f e r r o u sM e t a lM a t e r i a l s ，C o l l e g eo fM a t e r i a l s S c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，L a n z h o uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，L a n z h o u7 3 0 0 5 0 ，C h i n a ； 2 ．S u q i a nC o l l e g e ，S u q i a n2 2 3 8 0 0 ，J i a n g s u ，C h i n a A b s t r a e t T h el a s t i n gm o d i f i c a t i o na n dt h er e m e l t i n gm o d i f i c a t i o ne f f e c t so fA l l O C em a s t e ra l l o y so n 口一A 1a r ei n v e s t i g a t e db ym e a n so ft h eo p t i c sm i c r o s c o p ea n dX r a yd i f f r a c t i o n ，a n dc o m p a r e dw i t ht h es o d i u ms a l tm o d i f i c a t i o n e f f e c t ．T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e r ei sa ne x c e l l e n tm o d i f i c a t i o ne f f e c tw i t ht h ep r o p e ra d d i t i o no f ．4 1 一 l O C em a s t e ra l l o yi n 口一础．T h em o d i f i c a t i o ne f f e c to fA I l O C em a s t e ra l l o yc a nh o l dl o n g e rt i m ea n db e t t e rr e m e l t i n g m o d i f i c a t i o ns t a b i l i t yt h a nt h a to fs o d i u ms a l t ．I na d d i t i o n ．t h em o d i f y i n ga n dr e f i n i n gt e c h n o l o g i e s 诵t hA 1 一l O C em a s t e r a l l o yw o u l dn e v e rp o l l u t et h ee n v i r o n m e n t ．T h e r e f o r e ．t h es h o r t c o m i n g so fc u r r e n tm o d i f i e r sc a nb eo v e r c o m eb yu s eo f t h eA 1 一l O C em a s t e ra l l o y sa n dt h ep r e f e r a b l ea p p l i c a b l ef o r e g r o u n dc a nb ep r e d i c t e d ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；A t 一1 0 C em a s t e ra l l o y ；m o d i f i c a t i o ne f f e c t s ；l a s t i n gm o d i f i c a t i o ne f f e c t s ；r e m e l t i n gm o d i f i c a t i o n 万方数据