Al-Ce-P中间合金对ZL102铝硅合金的变质研究.pdf

第6 1 卷第1 期 2009 年2 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．6 1 ，N o ．1 F e b r u a r y2 0 0 9 A 1 一C e P 中间合金对Z L l 0 2 铝硅合金的变质研究 赵文军8 ，v ，张兴华8 ，刘天佐8 一，夏天东a 山 兰州理工大学a ．甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室 b ．有色金属合金省部共建教育部重点实验室，兰州7 3 0 0 5 0 摘要以c e 和P 为主要合金元素。采用熔配法制备新型的A I ．C e - P 中间合金，用该合金对Z L l 0 2 铝硅合金进行变质处理， 分析其变质效果和工艺参数对变质效果的影响。结果表明，A l C e - P 中间合金能明显改变铝硅合金中硅相的形态，共晶硅由粗大 的长针片状变成了细小的纤维状，初晶硅由板块状变为了均匀的团状，且晶粒尺寸明显减小。当A I - C e - P 中间合金中P 含量为 4 ％。变质温度为1 0 0 3 K 时，变质效果最佳。 关键词金属材料；A 1 ．C e - P 中间合金；A 1 一S i 合金；变质处理 中图分类号T G l 4 6 ．2 1 ；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 9 0 1 0 0 3 3 0 4 铝硅合金是铝基合金中最重要的一个系列，现 在使用的铸造铝合金几乎都是铸造性能优秀的铝硅 二元合金和含少量其他元素的铝硅系多元合金。铝 硅合金比强度高，耐蚀性、导热性和铸造性能良好， 经过热处理后，具有优良的机械性能和加工性能，因 而，被广泛应用于航空、航天、交通运输和机械加工 等部f - I u - 3J 。然而，随硅含量增加，铝硅合金中共 晶体数量增加。虽然铸造性能获得改善，组织中却 出现大量针 片 状共晶硅和粗大的多角形板状初晶 硅，严重割裂了铝基体，在硅相的尖端和棱角处引起 应力集中，合金容易沿晶界处或板状硅本身开裂而 形成裂纹，使合金变脆，延展率显著降低，切削加工 性能变差H j 。因此当铝硅合金中硅含量高于6 ％ 时，必须进行变质处理。变质处理是改善铝及铝硅 合金组织形态的有效途径。自制高效、低价且适于 产业化生产的铝硅合金变质剂．舢．C e P 中间合金， 对Z L l 0 2 铝硅合金变质效果明显，且使用工艺简 便、无污染、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。 1实验方法 以9 9 ．7 ％的工业纯铝、9 9 ．9 ％的金属铈及 9 7 ．0 ％的六偏磷酸钠为主要原料，采用熔配法制备 出趟一C e ．P 中间合金[ 5 I ，中间合金中各主要元素的 含量见表l 。 收稿日期2 0 0 6 1 2 1 8 作者简介赵文军 1 9 6 8 一 ，男，甘肃永登县人，高级工程师，硕士，主 要从事材料加工等方面的研究。 表1A 1 ．C e - P 中间合金中各主要元素的含量 T a b l e1M a i nd e m e n tc o n t e n t so fA I ．C e - Pm a s t e ra l l o y 首先将变质对象一Z L l 0 2 铝硅合金放在电阻炉 中熔炼，熔炼温度为9 9 3 ～1 0 3 3 K ，待合金全部熔化 后，将适量的～．C e P 中间合金压入合金液中进行 变质，静置保温一段时间后精炼处理，然后，扒渣、取 样、浇铸成锭，待试样冷却后，取试样横断面，用 X R D ，E D S ，S E M ，O M 和E P M A 等进行分析检测。 试验参数见表2 。 表2 变质Z L l 0 2 铝硅合金的各实验参数 T a b l e2E x p e r i m e n tp a r a m e t e r so fZ L l 0 2 ～一S ia l l o ym o d i f i c a t i o n 2 试验结果及分析 2 ．1A 1 ．C e - P 中间合金变质剂的变质作用 图1 为舢．C e ．P 中间合金的X 衍射图谱。通过 分析可知，中间合金中已经预先生成了虬C e 和 万方数据 有色金属第6 1 卷 A l P ，熔点较高的A L C e 1 5 2 3 K 和A l P 1 2 7 3 K 以 上 颗粒在高温合金液中均可形成大量细小弥散的 质点。虬C e 为越．s i 合金液相点 8 5 0 K 析出的初 生a ～ 提供了结晶核心而无须再过冷L 6J ，从而细 化了a 砧 相和二次枝晶间距，而且铈可以改变共 晶硅的生长形态，使之易于形成纤维状的组织[ 7 ] 。 舳和s i 晶体结构相似，晶格常数相近 as i 0 ．5 2 4 n m ，以A l P 0 ．5 4 5 n m ，可以作为S i 结晶时的 异质晶核，使合金中的S i 原子易于以m P 质点为核 心长大为初晶硅，从而使共晶成分的合金中产生大 量细小的初晶硅旧J 。 乓 恻 矮 图1A i ．C e ．P 中间合金的x 射线衍射分析图谱 F i g ．1X r a yd i f f r a c t i o np a t t e r n0 fA 1 一C e - Pm a s t e ra l l o y 图2 是舢一C e P 中间合金的铸态S E M 显微组 织，黑色中间合金的基体上较均匀地分布着一些白 色颗粒和灰色颗粒。用能谱仪对白色颗粒进行多点 成分分析，其分子比为‰C c , 3 ～4 1 ，由此可 定性分析白色颗粒为A 1 4 C e 。对一些灰色颗粒进行 多点成分分析，其分子比为c A l C p 1 ～2 1 ，由 此可定性分析灰色颗粒为A l P 。7 图2A I ．C e - P 中间合金的铸态显微组织 F i g ．2 A s - c a s tm i e r o s t r u c t u r eo fA I C e Pm a s t e ra l l o y 2 ．2中间合金中P 元素含量对变质效果的影响 对表2 中经不同P 含量的趟．C e ．P 中间合金变 质后的Z L l 0 2 铝硅合金试样1 、试样2 、试样3 和试 样4 做微观组织分析，结果如图3 所示。 a 一试样1 ； b 一试样2 ； c 一试样3 ； d 一试样4 图3 经不同P 含量的A I ．C e - P 中间合金变质 后的Z L l 0 2 铝硅合金微观组织 F i g ．3M i e r o g r a p h so fZ L l 0 2A I S ia l l o ya f t e rA 1 - C e - P m a s t e ra l l o ym o d i f i e di nd i f f e r e n tPc o n t e n t s 由图3 可以看出，四个试样的变质效果差别较 大，其中试样2 的变质效果最明显。说明中间合金 中的P 含量对变质效果的影响较大，虽然P 对铝硅 合金有很好的变质效果，但并不是P 含量越高越 好，当～．C e ．P 中间合金中P 含量为4 ％左右时，铝 硅合金的变质效果最为明显。 2 ．3 变质温度的影响 温度是重要的试验工艺参数，变质温度不同，即 舢。C e ．P 中间合金的加入温度不同，变质效果也会有 所差异。对表2 中在不同温度下变质的Z L l 0 2 铝 硅合金试样2 、试样5 、试样6 和试样7 做微观组织 分析，结果如图4 所示。 a 一试样5 ； b 一试样2 ； c 一试样6 ； d 一试样7 图4A I ．C e ．P 中间合金在不同温度下变质 后的Z L l 0 2 铝硅合金微观组织 F i g ．4M i e r o g r a p h so fZ L l 0 2A 1 S ia l l o ya f t e rA I - C e - P m a s t e ra l l o ym o d i f i e di nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s 万方数据 第1 期赵文军等～．C e - P 中间合金对Z L l 0 2 铝硅合金的变质研究3 5 由图4 可以看出，试样2 的变质效果最好，即变 质温度为1 0 0 3 K 时，～．C e ．P 中间合金对Z L l 0 2 铝 硅合金的变质效果最佳。 2 ．4 变质效果分析 将自制的触一C e ．P 中间合金变质的Z L l 0 2 铝硅 合金试样2 ，与某厂目前所使用的钠盐变质剂变质 后的Z L l 0 2 铝硅合金和未经变质的Z L l 0 2 铝硅合 金做对比，分析～．C e ．P 中间合金的变质效果。结 果如图5 和图6 所示。图5 为变质前后Z L l 0 2 铝硅 合金的微观组织照片，分布在黑色铝基体上的白色 颗粒为硅。图6 为变质前后Z L l 0 2 铝硅合金显微 组织照片和电子探针对～和S i 元素的面扫描。 a 一A 1 一C e P 中间合金变质； b 一钠盐变质； c 一未变质 图5 变质前后的Z L l 0 2 铝硅合金微观组织 F i g ．5 M i c m g r a p I l so fA I S ia l l o yb e f o r ea n da f t e rm o d i f i e d a 一A I C e - P 中间合金变质； b 一钠盐变质； c 未变质 图6变质前后的Z L l 0 2 铝硅合金显微组织 F i g ．6 M i e r o s t r u c t u r e so f A 1 一S ia l l o yb e f o r ea n da f t e rm o d i f i e d 由图5 和图6 可以看出，经舢一C e ．P 中间合金’ 硅的尺寸减小到2 0 ～3 0 u m ，形状由原来粗大的板块 变质后，Z L l 0 2 铝硅合金中的硅态发生很大的改变， 状变为均匀的团状；共晶硅由粗大的长针 片 状变 不仅尺寸明显变小，而且分布更加均匀。其中，初晶成了细小的纤维状和点状。与钠盐变质剂相比较， 万方数据 有色金属第6 1 卷 ～．C e ．P 中间合金对初晶硅的细化效果更为明显，且 分布均匀。因此，舢．C e ．P 中间合金对铝硅合金具有 良好的变质效果。 3结论 舢一C e ．P 中间合金中的P 含量对Z L l 0 2 铝硅合 金变质效果的影响较大，当P 含量为4 ％时，变质效 参考文献 果达到最佳。变质温度为1 0 0 3 K 时，趾一C e ．P 中间 合金对Z L l 0 2 铝硅合金的变质效果最佳。经舢．c e ． P 中间合金变质后，Z L l 0 2 铝硅合金中的硅相发生 很大的改变，不仅尺寸明显变小，而且分布更加均 匀。其中，初晶硅的尺寸减小到2 0 ～3 0 t z m ，形状由 原来粗大的板块状变为均匀的团状，共晶硅由粗大 的长针 片 状变成了细小的纤维状和点状。 【1 ] 铸造有色合金及其熔炼联合编写组．铸造有色合金及其熔炼[ M ] ．北京国防工业出版社，1 9 8 0 - 1 2 2 1 2 3 ． 【2 ] L uS h u - z u ．M i c r o - s t r u c t u r a lT r a n s i t i o no fA 1 ．S id u r i n ge u t e e t i cS o l i d i f i c a t i o n [ M ] ／／A nE x p a n d e dA b s t r a c ts u b m i t t e di nP a r t i a l F u l f i l l m e n to ft h eR e q u i r e m e n tf o rt h eD e g r ∞o fD o c t o ro fP h i l o s o p h y ，U S A M i c h i g a nT e c hU n i v ，1 9 8 6 2 6 ． [ 3 ] 雄艳才，刘伯操．铸造铝合金现状及未来发展[ J ] ．特种铸造及有色合金，1 9 9 8 ， 4 1 5 ． [ 4 ] 朱培钺，陈熙琛，贾均，等．铝硅合金变质过程的研究[ J ] ．哈尔滨工业大学学报，1 9 8 1 ，3 1 1 1 2 9 ． [ 5 ] 王正军，刘天佐，夏天东，等．工艺参数对熔配法制备～一1 0 C e 中间合金的影响[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 0 5 ， 2 4 4 4 6 ． [ 6 ] M o h a n t yPS ，C a u z l e s k iJE ．G r a i nR e f i n e m e n tM e c h a n i s mH y l x e u t e c t i c A l S ia l l o y s [ J ] ．A c t aM a t e r ，1 9 9 6 ，4 4 9 3 7 4 9 3 7 6 0 ． [ 7 ] 黄良余．铝硅合金变质机理的新发展和新观点[ J ] ．特种铸造及有色合金，1 9 9 5 ， 5 1 9 2 2 ． [ 8 ] 刘相法，乔进国，刘相俊．A 1 - P 中间合金的变质特性及变质机理探讨[ J ] ．内燃机配件，2 0 0 3 ， 5 1 8 2 0 ． M o d i f i c a t i o nE f f e c to fA l - C e - PM a s t e rA l l o yo nZ L l 0 2 A I - S iA l l o y Z I - - I A OW e n - j u n 4 6 ，Z H A N GX i n g - h u a 4 ，L I UT i a n ．, 2 U O a t 6 ，X I AT i a n d o n g ’6 a ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fG a n s uA d v a n c e dN o n - f 盯r o u sM e t a lM a t e r i a l s ，6 ．K e yL a b o r a t o r yo f N o n - f e r r o u sM e t a lA l l o y s ，T h eM i n i s t r yo fE d u c a t i o n ，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 A b s t r a c t T h en o v e lA 1 ．．C e - Pm a s t e ra l l o yi sp r e p a r e db yt h em i x - m e l t i n gm e t h o dw i t hC ea n dPa st h em a j o ra l l o ye l e m e n t s ．A I - C e Pm a s t e ra l l o yi sa p p l i e dt Om o d i f yZ L l 0 2A 1 S ia l l o y ，a n dt h em o d i f y i n gr e s u l t sa n dt h ee f f e c to f t e c h n i c a lp a r a m e t e ro nt h em o d i f i c a t i o na r ea n a l y z e d ．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 tA 1 - C e - Pm a s t e rM l o y h a sag o o dm o d i f i c a t i o ne f f e c to nA I - S ia l l o y s ，i tc a nc h a n g et h em o r p h o l o g ya n dr e d u c et h ed i m e n s i o no fS i p h a s e ，e u t e c t i cS ii sf r o mo r i g i n a lc o a r s ep l a t e l e ts t r u c t u r e st of i r e rf i b r o u ss t r u c t u r e s ，a n dt h ep r i m a r yS ii sf r o m p l a t es t r u c t u r e st ou n i f o r ms t r u c t u r e s ．T h eb e s tm o d i f i c a t i o ne f f e c ti sa c h i e v e da t1 0 0 3 Km o d i f y i n gt e m p e r a t u r e a n dw i t h4 ％p h o s p h o r u sc o n c e n t r a t i o ni nA I C e Pc o m p o s i t ea l l o y ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；A I C e Pm a s t e ra l I o y ；A I S ia l l o y ；m o d i f i c a t i o n 万方数据