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第6 2 卷第1 期 2010 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 2 ，N o ．1 F e b r u a r y ．2010 稀土元素在Z L l 01 合金中的偏聚状态及 对仪相生长的影响 郑志强1 ，熊新根1 ，易荣喜2 ，王丽1 ，裴志昆1 1 ．南昌大学，南昌3 3 0 0 2 9 ；2 ．井冈山大学，江西吉安3 4 3 0 0 9 摘要通过在铝硅合金中添加稀土元素．促进固液两相区的同相- O t 相的球化生长，以满足半固态成型技术对半固态坯料 的要求。稀土元索在n 相界面前沿的偏聚改变了a 相生长的热力学条件．使a 相的生长趋于均匀化，提高了a 相球化效果，同时 阻碍了a 相的生长，细化了晶粒。在Z L l 0 1 加入稀土元素后，使合金中的a 相得到了球化，球化效果与稀土的加入量有关，当稀土 加入嚣为0 ．5 0 ％时为最佳，稀土元素还能细化a 相的晶粒。 关键词金属材料；铝硅合金；稀土；半固态；凝固 中图分类号T G l 4 6 ．2 1 ；T G l 4 6 ．4 5文献标识码A文章编号- 1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 1 0 0 1 0 0 0 6 0 4 半固态成形技术是金属在固液两相区进行变形 的成形技术，由于金属变形时存在一定量的液相，使 金属变形机理和流动条件都发生了变化。半固态成 形时，金属变形时主要是晶粒间转动和相对滑动，而 晶粒本身的塑性变形较小，因此半固态成形技术对 金属坯料在固液两相区中的固相晶粒的大小、形貌 和固相率都要求严格。3 1 。要实现半固态成形，首 先要适合坯料才能实现，近年来科技人员研究和开 发了很多的半固态成型坯料制备方法H 一7 ] ，这些方 法都或多或少地存在一些不足，如果能研究一种能 通过简单工艺就能制备出半固态成形坯料的合金， 将会促进半固态成形技术的发展。 在铸造铝合金中，Z L l 0 1 合金是比较适合于半 固态成形技术的合金之一，该合金处于半固态时主 要由固态的O t 相和近共晶成分的液相组成，因此仅 相的生长情况直接影响到半固态成形时固相的晶粒 大小和晶粒的形貌，也间接影响到半固态成型过程 的顺利实施，研究了稀土元素加入到Z L l 0 1 合金 后，稀土元素在Z L l 0 I 合金分布及对仅相生长过程 的影响。 1实验方法 1 ．1 试验设备与原料 收稿日期2 0 0 7 1 2 1 9 基金项目江西省自然科学基金资助项目 0 2 5 0 0 1 5 作者简介郑志强 1 9 5 8 一 ，男，江西抚州市人，副教授，硕士，主要 从事有色金属半固态成型技术等方面的研究。 试验中采用石墨坩埚，箱式电阻炉的型号是 S R T G - 3 - 9 ，工作参数电压2 2 0 V ，功率3 k W ，最高工 作温度1 0 0 0 。C ，正常工作温度9 5 0 ℃。采用的温度 控制器是K S W - 4 电阻炉温度控制器，其工作参数 是误差为1 ％，配K 系列热电偶，1 0 1 型，量程为0 ～1 2 0 0 ℃。测温电炉为井式电炉。 Z L l 0 1 合金的成分为S i7 ．1 ％，M g0 ．3 0 ％，其 余为A I 。1 。混合稀土的纯度为9 8 ．7 ％，其中C e 4 8 ．7 ％．L a2 2 ．0 ％。 1 ．2 试验过程 利用上述原料分别配制在Z L l 0 1 中加入 0 ．3 ％，0 ．5 ％和0 ．7 ％的混合稀土的合金试棒。用 棒型石墨坩埚分别将上述合金试棒和Z L l 0 1 试料 加热至6 5 0 ％，在此温度保温2 0 m i n ，然后随炉冷却 至室温。取出上述试样制备金相试样进行观察分 析。 2 试验结果及分析 2 ．1 稀土元素在合金中的偏聚状态分析 稀土元素加入到铝合金中，在熔化后与铝合金 形成互溶的液相，在随后的冷却过程，由于稀土元素 的原子尺寸比较大，质量比较重，一般很难固溶于a 相中，因此，稀土元素的分布状态将对O t 相的生长 过程产生较大的影响，为此，用E P M 一8 1 0 Q 电子探 针对冷却后的金相试样进行了分析。 对仅相进行面扫描分析，结果如图1 a 所示， 分析结果见表1 。从表1 可知，除了固溶了少量硅 以外，未发现任何的稀土成分。对O t 相的晶界处进 万方数据 第1 期郑志强等稀土元素在Z L I O I 合金中的偏聚状态及对a 相生长的影响 7 行面扫描分析，结果如图l b 和表2 所示。 表1a 相场分析结果 T a b l e1R e s u l to fap h a s ef i e l da n a l y z i n g 表2 晶界处的相场分析结果 T a b l e2 R e s u l to fg r a i nb o u n d a r ya n a l y z i n g 从表2 中可得稀土中的主要元素的含量为形。。 W c 。 W h 0 ．5 2 ％ 0 ．3 6 ％ 0 ．8 8 ％。 a 一d 相中的场分析图； b 一晶界处的场分析图 图1相的场分析照片 F i g ．1P h o t o g r a p ho ff i e l da n a l y z i n g 根据图2 A I S i 合金相图，当含S i 为7 ％的铝硅 合金冷却凝固后共晶部分 即a 相的晶界部分 所 占的百分比为W ， 7 ．0 一1 ．6 5 ／ 1 2 ．6 1 ．6 5 0 ．4 9 7 7 1 7 4 9 ．7 7 ％。凝固后的铝合金中的主要稀 土含量为形。I l o y - R E 一2 形共W R E 4 9 ．7 7 ％0 ．8 8 ％ 6 6 - O ．3 1_ ● ／‘| ＼ 、、L ＼ 、＼／ ／1 ．6 5 1 2 ．6 卜 A 1 J 1 0 图2A i - S i 合金相图 F i g ．2 A I - S ia l l o yp h a s ed i a g r a m 0 ．4 3 8 0 ％。凝固前的铝合金中的主要稀土含量为 肜。l l 。，一R E ．1 W R E W c 。 L I 0 ．5 ％7 0 ．7 ％ 0 ．3 5 3 5 ％。凝固后共晶部分主要稀土的理论含量为 W 。l l 。．R E 一3 W 。l l 。，．R E 一2 ／W L 0 ．3 5 5 3 ／0 ．4 9 7 7 0 ．7 1 0 3 ％。 从上可知，主要稀土的理论含量 W 圳。。， 远大 于实测到主要稀土含量 形。‰，．。五 ，为了查明稀土的 分布情况，对试样进行线扫描。试样主要稀土分布 的线分析如图3 所示。 图3晶界处的线分析图 F i g ．3P h o t o g r a p ho fl i n ea n a l y z i n gi n g r a i nb o u n d a r ya n a l y z i n g 从图3 可知，稀土的衍射峰在晶界处比中的衍 射高，而在a 相与晶界交界处则特别高，表明稀土 含量在晶界处分布是不均匀的，是沿着a 相电影界 有一个逐步递减的过程，这种分布对d 相的生长将 产生极大的影响。 2 ．2 偏聚状态对a 相生长过程的影响 在制备铝合金的半固态坯时，当液相中形成a 相晶核后，其生长情况主要取决于a 相- 液相界面的 前沿温度梯度和溶质原子的分布情况，如果固一液界 面前沿是正温度梯度或较小的负温度梯度，则a 相 周围将以均匀方式生长，有利于获得球形或近球形 的晶粒。如果固一液界前沿的温度梯度是较大的负 温度梯度时，则获得优先生长方向上将获得更大的 过冷度即得到更大的生长驱动力，使这些方向以更 快的速度生长，而它们结晶所释放的热量及过量溶 质都将阻碍其他方向的生长。这样生长的结果形成 条状甚至枝晶状的晶粒，不利于半固态的成形。 铝合金凝固过程中，由于铝合金的导热系数较 大，其结晶潜热比较容易通过热扩散分布到整个金 万方数据 8 有色金属第6 2 卷 苫图 芗 铝矗藉图装u 图 4 A p ＼- - 铝t z ／铈U L 相／图可知＼z 式．, ／ F i g ．4M 戤e t a l l o g 厶稀r a p h i 慧t 的金o g r a p 相照ho fZ 片L 1 。l 岫k 一 2 ／d0 2 D L G ／c R ⋯ c o - c - 门 。1 4 妻勰蠢勰黑掣移’所 c o c l D ，G ／ ，札R ；△r ⋯ 0 5 ⋯。⋯H ⋯⋯⋯～⋯⋯⋯⋯⋯。 刚圳7 。、三。⋯．．．⋯．．．～．．～．． 中，并且在共晶组织分布也是不均匀的，有在d 相 ⋯苎墅试竺紫j 孽样。 ，婴稀．} 比未婴箩圭堂 刍丢写翼矗菇磊葛妄葬。处藁囊的巍象。亲r , p ．- L ．的H 4 ／a t l 量磬量 兰竺竺竺，粤呼孽要土苎哿全要冒，} 警艾苫孚磊赢享矗寻蔽大手散≤度慢，易在铝合 竺节擎母竺亨所不同．，女口粤罂萼， 孽萼篓竺下以 金荔名- - L - - ‘ 翥I H 鬲。周‘菡产生蔷羞磊≥磊蔷集，并≠主磊秀 稀圭加入量为o 5 ％左右为最佳，球化效果最理想，过嚣，影响到荔至相釜簇方式‘，反高晶粒晶球花聂集 万方数据 第1 期郑志强等稀土元素在Z L I O 合金中的偏聚状态及对口相生长的影响 9 产生影响。稀土加入到铝合金中存在一个临界加入 量，当加入量量大于或小于此值时都会产生成分过 冷，当成分过冷较大时就会破坏固一液界面的稳定 参考文献 性，从而影响对初生相的球化效果。稀土阻碍了初 生a 相铝的生长。细化了晶粒。 [ 1 ] 毛卫民．半固态金属成形技术[ M ] ．北京机械工业出版杜，2 0 0 4 1 2 4 1 2 6 ． [ 2 ] 康永林，毛卫民，胡壮麒．金属材料半固态加工理论与技术[ M ] ．北京科学出版社，2 0 0 4 9 8 1 0 0 ． [ 3 ] 路贵民，董杰，崔建忠．半固态浆制备新技术液相线铸造[ J ] ．特种铸造及有色合金，2 0 0 1 ， s 1 2 2 4 2 2 6 ． [ 4 ] 苏华钦，朱鸣芳，高志强．半固态铸造的现状及发展前景 J ] ．特种铸造及有色合金，2 0 0 2 ， s 1 2 4 3 2 4 8 ． [ 5 ] 管仁国，李罡，李俊鹏，等．倾斜式剪切冷却制备l C r l 8 N i 9 T i 不锈钢半固态材料[ J ] ．东北大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 5 ，2 6 9 8 6 7 8 7 0 ． [ 6 ] 毛卫民，甄子胜，陈洪涛．电磁搅拌参数对半固态A Z 9 1 D 镁合金组织的影响[ J ] ．特种铸造及有色合金，2 0 0 5 ， 3 3 9 4 1 ． [ 7 ] 胡汉起．金属凝固原理[ M ] ．北京机械工业出版社，1 9 9 5 1 7 8 1 8 0 ． [ 8 ] 稀土编写组．稀土[ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 7 8 2 5 6 2 5 8 ． [ 9 ] 黄德彬．有色金属材料手册[ M ] ．北京化工工业出版社，2 0 0 5 2 5 2 6 ． [ t o ] 郑志强，梅玮，陈克燕，等．稀土元素对铝结晶过程的影响[ J ] ．南昌大学学报 工科 ，2 0 0 4 ， 1 0 l l 1 4 ． A s y m m e t r yD i s t r i b u t i o no fR a r eE a r t hE l e m e n to nZ L l 0 1 a n dI n f l u e n e eo no fS o l i d i 6 c a t i o n Z H E N GZ h i ．q i a n 9 1 。X I O N GX i n ．g e n ‘，Y IR o n g ．x i 2 ，W A N GL i l ，P E IZ h i k u n ‘ 1 ．S c h o o lo fM e c h a n i c a la n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ，N a n e h a n gU n w e a r y ，N a n c h a n g3 3 0 0 2 9 。C h i n a ； 2 ．J i n g g a n g s h a nU n i v e r s i t y ，J i a n3 4 3 0 0 9 ，J a n g x i ，C h i n a A b s t r a c t T h ee l e m e n t so fr a r ee a r t ha r ea d d e dt oA I S ia l l o y st op r o m o t et h eg r o w t ho fa p h a s eb a l li ns o l i d - l i q u i dt w o p h a s e ，t o m e e tt h e r e q u i r e m e n t so f s e m i - s o l i db i l l e t i ns e m i - s o l i df o r m i n gt e c h n o l o g y ．T h et h e r m o d y n a m i c c o n d i t i o n so fO t p h a s eg r o w t ha r ev a r i e db yt h ea s y m m e t r yd i s t r i b u t i o no fR Ei nt h e f o r e f r o n to ft h ea p h a s e i n t e r f a c e 。t h ea - p h a s eg r o w t hi sm o r eu n i f o r ma n di m p r o v et h ee f f e c to fn - p h a s eb a l l ，t h eg r o w t ho fa p h a s ei s h i n d e r e da n df i n e dc r y s t a lt a b l e t sa r ef o r m e d ．W h e nt h eR Ei sa d d e dt oA I S i ，，t h ea - a l l o yg e tt h eb a l l ，t h ee f f e c t s o ft h eb a l li Sr e l a t e dt ot h ea d d i t i o no ft h er a r ee a r t h 。i nt h i se x p e r i m e n t 。t h eo p t i m a la d d i t i o no fr a r ee a r t hi 8 0 ．5 0 ％．R Ec a nm a k et h eg r a i nr e f i n e m e n to fa - p h a s e ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；a l u m i n u ms i l i c o na l l o y ；r a r ee a r t h ；s e m i s o l i d ；s o l i d i f y 万方数据
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