Ce对A14.5Cu合金流动性和热裂倾向的影响.pdf

有色金属 冶炼部分2 0 1 1 年6 期 ．3 3 ． D O I 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 - - 7 5 4 5 ．2 0 1 1 ．0 6 ．0 0 8 C e 对A 1 4 ．5C u 合金流动性和热裂倾向的影响 谢世坤1 ，易荣喜1 ，黄强2 ，李强征1 ，郭秀艳1 ，高 芝， 1 ．井冈山大学工学院，江西吉安3 4 3 0 0 9 ；2 ．九江学院机械与材料工程学院，江西九江3 3 2 0 0 5 摘要研究加入稀土C e 对A 1 4 ．5 C u 合金流动性、凝固收缩、微观组织和热裂倾向的影响。结果表明，适 量稀土c e 的加入，降低金属液的黏度，提高合金流动性，减少金属在凝固过程中的收缩，抑制合金枝晶 化的趋势，改善铸造合金的微观组织，净化合金，提高合金的导热率，明显地减少合金的热裂倾向。稀土 C e 加入量为4 ％时，A 1 4 ．5 C u 合金流动性最佳、凝固收缩量最小、合金晶粒组织细化圆整，同时其热裂倾 向最小。 关键词金属材料；稀土C e ；A 1 4 ．5 C u 合金；体积收缩；热裂倾向 中图分类号T G l 4 6 ．2 1 ；T G 2 9 2文献标识码A 文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 1 0 6 0 0 3 3 0 4 E f f e c t so fR a r eE a r t hC eo nF l u i d i t ya n dH o tT e a r i n g T r e n do fA 1 4 ．5 C uA l l o y X I ES h i k u n l ，Y IR o n g x i l ，H U A N GQ i a n 9 2 ，L IQ i a n g z h e n 9 1 ，G U OX i u y a n l ，G A OZ h i l 1 ．S c h o o lo fE n g i n e e r i n g ，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 i a n g x i ，C h i n a ； 2 ．S c h o o lo fM e c h a n i c a la n dM a t e r i a lE n g i n e e r i n g ，J i u j i a n gC o l l e g e ，J i u j i a n g3 3 2 0 0 5 ，J i a n g x i ，C h i n a A b s t r a c t T h ee f f e c t so fa d d i n gr a r ee a r t hC e r i u mo na l l o yf l u i d i t y ，s o l i d i f i c a t i o ns h r i n k a g e ，m i c r o s t r u c t u r e a n dh o tt e a r i n gt r e n do fA 1 4 ．5 C ua l l o ya r ei n v e s t i g a t e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tb ya d d i t i o no fp r o p e rr a r e e a r t hc e r i u m ，as e r i e so fe f f e c t so c c u r ，i n c l u d i n gt h er e d u c t i o no fa l l o yv i s c i d i t y ，t h ei n c r e a s eo fl i q u i d i t y ， t h ed e c r e a s i n gs h r i n k a g ed u r i n gt h es o l i d i f i c a t i o no ft h em e t a ll i q u i d ，t h er e s t r a i n e dt r e n do fa l l o yd e n d r i t e ，t h ei m p r o v e dm i c r o s t r u c t u r eo ft h ec a s t i n ga l l o y ，t h ep u r i f i e da l l o y ，t h ee n h a n c e dt h e r m a lc o n d u c t i v i t y ， a n dt h er e m a r kd e c r e a s eo fh o tt e a r i n gt r e n do fA 1 4 ．5 C ua l l o y ．W i t ha b o u t4 ％o fr a r ee a r t hc e r i u mb e i n g a d d e dt oA 1 4 ．5 C ua l l o y ，t h ef l u i d i t yo fA 1 4 ．5 C ua l l o yi so p t i m a l ，a n dt h ev o l u m es h r i n k a g ei st h el e a s t ． A tt h es a m et i m e ，t h eg r a i no ft h ea l l o yi sr e f i n e d ，r o u n da n dt h ea l l o yh a st h el o w e s th o tt e a r i n gt r e n d ． K e yw o r d s m e t a lm a t e r i a l ；r a r ee a r t hc e r i u m ；A 1 4 ．5 C ua l l o y ；v o l u m es h r i n k a g e ；h o tt e a r i n gt r e n d A 1 一C u 合金由于C u 元素的加入，使其具有了良 好的机械性能和室温与高温性能。这是因为当C u 含量在4 ．0 ％～6 ．0 ％时。合金的抗拉强度达最大 值，此时，A 1 一C u 合金的机械性能较高。同时A 1 一C u 合金的主要强化相是C u A l 。，它本身有较强的时效 硬化能力和热稳定性，因此A 1 - C u 合金具有较好的 高温性能和较高的室温强度。然而，A l C u 合金的 铸造性能较差，特别是热裂倾向严重。这是因为 A 1 - C u 铸铝合金属于固溶体型的合金，共晶体数量 少，结晶温度范围较宽，树枝晶发达，致使合金液的 流动性较差，从液态到固态的收缩率也比A 1 - S i 合 金要大，易产生热裂、缩孔、偏析等缺陷，因此A 1 一C u 合金铸造性能较差，热裂倾向严重[ 1 ] 。 在铝合金中添加微量稀土元素，可起到变质与 细化组织的作用[ 2 ] 。目前，用稀土改善合金铸造性 能的方法受到重视，稀土在铝合金中的良好作用已 基金项目江西省教育厅科技研究项目 G J J l l 5 2 7 l 江西省青年科学家 井冈之星 培养对象计划项目 作者简介谢世坤 1 9 7 3 - - ，男，江西吉安市人，教授，博士，主要从事新材料制备及其成形工艺等方面的研究。 万方数据 3 4 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年6 期 得到认可口。] 。由于试验条件和原材料的限制，我国 稀土铝合金的研究还存在许多问题[ 5 ] 。 A l 一4 ．5 C u 是铝铜系合金的基体，为提高其合金 铸件质量睁7 | ，以铸造A 1 4 ．5 C u 合金为例，加入一定 量稀土C e ，研究稀土C e 对A 1 4 ．5 C u 的流动性、收 缩性、铸造微观组织和热裂倾向的影响。 1试验方法 将工业纯铝A 1 0 0 杂质质量含量小于0 ．1 ％ 放入S X 2 4 1 0 型井式电阻炉中熔炼，采用S G 2 5 一 l o 型石墨坩埚，在坩埚中先加入C u 杂质质量含量 小于0 ．1 ％ ，配制A 1 一C u 合金，升温至7 6 0 ℃，然后 加入稀土A l l 2 ．5 C e 中问合金 稀土C e 是以 A l l 2 ．5 C e 中间合金的形式加入 ，保温5 m i n ，并不 断搅拌。在计算加入稀土量时，应计算中间合金带 入的铝的量，分别配制C e 含量为0 ％，2 ％，4 ％和 6 ％的4 种合金成分。 1 为测定加入不同量稀土C e 后合金的流动 性，采用螺旋形流动性测试方法，流动性模板全长 1 5 0 0 m m ，每5 0 m m 有一个小标记，将上述配制好的 4 种合金成分降温到同一温度后分别浇铸测试。 2 为测试不同稀土C e 含量对A 1 4 ．5 C u 合金 凝固收缩的影响，将4 种合金在7 0 0 ℃浇入到模腔 体积为6 0 m L 的模具中空冷，冷却后取出试样，称质 量和量体积。 3 为观察加入不同量稀土C e 后合金的微观 组织，将上述配制好的4 种合金成分降温到7 0 0 。C 后，采用斜坡铜模水冷浇注，空冷到室温。在相同位 置处取金属试样，先用6 0 0 和1 0 0 0 砂纸研磨，再 在抛光机上抛光，然后将制备好的金相试样用 0 。5 ％的H F 酸溶液进行腐蚀，观察金相组织。 4 为测定合金的热裂倾向。用Z Q D - 1 0 0 0 0 型 动态热应力仪测定合金的热应力，通过测定铸件产 生热裂时的机械阻碍应力的大小来判断合金的热裂 倾向。 2 试验结果及讨论 2 ．1 C e 含量对A 1 4 ．5 C u 合金流动性的影响 稀土C e 加入量的不同对流动性的影响规律如 图1 所示。随着稀土C e 加入量的增加，A 1 4 ．5 C u 合 金的流动性也将随之增加，当稀土C e 加入量超过 4 ％时，合金的流动性随之变坏。当稀土C e 加入量 为4 ％时，合金的流动性最好。 一方面，液态金属的流动性与它的黏度有关，而 黏度又与合金的成分有关。稀土C e 的加入，减少 了A 1 4 ．5 C u 合金中低熔点夹杂物的含量，这样就减 小了金属液的黏度，改善了合金的流动性。另一方 面，铝铜合金在充型过程中，其温度沿程逐渐降低， 合金液前端因冷却得最快而先结晶，当前端晶体数 量较多时，便发生堵塞，金属液流动较慢，甚至停止 流动。由于稀土C e 的加入，使合金准固态区间的 上限温度下移，降低了枝晶间形成骨架的温度，从而 提高了合金的流动性。 然而，当稀土C e 继续增加时，尽管合金准固相 线上限温度仍有所下降，但是合金中形成了新的化 合物C e A l 。，且随着稀土C e 的增加，枝晶变得粗大， 增大了黏度，从而降低了流动性。 图1稀土C e 含量与流动性的关系 F i g ．1 R e l a t i o nb e t w e e nc o n t e n to f C e r i u ma n df l u i d i t y 2 ．2 C e 含量对A i 4 ．5 C u 合金凝固收缩的影响 表1 为A 1 4 ．5 C u 合金稀土C e 加入量分别为 o ％、2 ％、4 ％和6 ％，在7 0 0 ℃浇注时的试样凝固前 后的体积变化，为保证数据的准确、稳定可靠，表中 数据为试验1 0 次的平均值。通过对表中数据分析， 当稀土C e 加入量为0 ％时，凝固体积收缩率为 9 ．6 7 ％；当稀土C e 加入量为2 ％时，凝固体积收缩 率为8 ．1 7 ％，当稀土C e 加入量为4 ％时，凝固体积 收缩率为6 ．6 3 ％；而当稀土C e 加入量为6 ％时，凝 固体积收缩率为7 ．1 7 ％。可见，加入稀土C e 明显 改善了合金在凝固过程的体积收缩，随着稀土C e 加入量的增加，体积收缩有逐渐减小的趋势，当稀土 C e 加入量超过4 ％时，体积收缩又有逐渐增加的趋 势。当C e 添加量为4 ％时，体积收缩只有未加稀土 C e 时体积收缩的6 8 ．6 ％。 K N M X X 咖 旧 Ⅲ 双 矾 “ 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年6 期 3 5 表1不同稀土C e 加入量的凝固参数 T a b l elS o l i d i f i c a t i o np a r a m e t e r sa t d i f f e r e n tC ea d d i t i o n 其原因是稀土C e 的加入，可使合金在凝固过 程中有较多的时间对凝固收缩进行补缩，使得合金 的致密度得到提高，同时还可减少合金在凝固过程 中的收缩变形量。这有利于减小以A 1 4 ．5 C u 为基 本成分的合金铸造性能过程的凝固收缩量，减小了 补缩量，提高的合金的铸造性能。 2 ．3 c e 含量对A 1 4 ．5 C u 合金微观组织的影响 图2 所示为A 1 4 ．5 C u 合金稀土C e 加入量分别 为0 ％，2 ％，4 ％和6 ％时的7 0 0 ℃斜坡铜模水冷浇 注4 0 0 倍金相显微组织。图2 a 为A 1 4 ．5 C u 合金 未加稀土C e ，其晶粒组织粗大，具有发达的树枝晶， 晶界模糊不清晰，而加入稀土C e 的A 1 4 ．5 C u 合金 枝晶化趋势得到明显的抑制，初生a A l 相晶粒数量 较多，晶粒细小、圆整，分布均匀，多呈颗粒状和玫瑰 状，没有发达的树枝晶。比较图2 a 与图2 b ～图 2 d 的微观组织，A 1 4 ．5 C u 合金随着稀土C e 的加 入量的增加，a A l 相先是逐渐变小、圆整，含量在 4 ％附近时，合金的组织形貌相比较最好。 图2 不同稀土C e 含量的微观组织 F i g ．2 M i c r o s t r u c t u r eo fd i f f e r e n tc o n t e n to fc e r i u m 稀土C e 的加入，增大了成分过冷区，减小了二 次枝晶间距，使A 1 4 ．5 C u 合金的微观组织细化，且 组织圆整。这有利于合金凝固过程中后期的补缩， 增加合金的流动性，提高合金的铸造质量。 2 ．4C e 含量对A 1 4 ．5 C u 合金热裂倾向的影响 用Z Q D - 1 0 0 0 0 型动态热应力仪测定合金的热 应力，通过测定铸件产生热裂时的机械阻碍应力的 大小来判断合金的热裂倾向，热裂测试结果见图3 。 由图3 可见，随着稀土C e 的加入，合金的热裂应力 先减小后增大。当稀土C e 的加入量为4 ％时，合金 的热裂应力最小。稀土C e 的加入，减少了合金的 凝固收缩，提高了合金的致密度，提高了合金的热裂 应力，从而使得合金的热裂倾向性降低。此外，稀土 C e 在a A l 中的溶解度很低，它们密集地近程排列 在原子集团表面，从而降低了表面张力，临界晶核的 形成功降低，使相同条件的液相中临界晶核增加，从 而细化了晶粒组织。另一方面，稀土C e 的加入，造 成界面溶质富集，产生了成分过冷，使晶体颈缩，易 脱落、游离和增值，从而细化了晶粒，又由于成分过 冷造成枝晶细化。这些作用，共同促使晶粒间形成 温度推迟，从而缩小了A 1 4 ．5 C u 合金的准固态区 间‘8 | 。 N 4 0 2 0 1 0 图3 稀土C e 含量与合金热裂应力的关系 F i g ．3 R e l a t i o nb e t w e e nc o n t e n to fC e r i u m a n dt h es t r e s so fc r a c k 从理论上讲，合金达到固相线时的应力随稀土 含量的增加而增加，从试验结果可见随稀土加入量 增多应力下降，原因是热裂仪所施加于试棒的拉应 芷主、R蚓群 万方数据 3 6 有色金属 冶炼部分 2 0 1 1 年6 期 力是通过试棒本身的线收缩引起的，因此拉应力的 大小主要取决于准固态区间内线收缩量的大小，拉 应力的变化率与准固态区间线收缩随时间的变化率 d l ／d T 成正比，拉应力较小，说明在准固态区间内线 收缩量小，而线收缩量小能减轻热裂倾向，可见随着 稀土C e 加入量增多，合金热裂倾向变小。当稀土 C e 加入量为4 ％时，A 1 4 ．5 C u 合金热裂倾向最小。 3结论 A 1 4 ．5 C u 合金加入稀土一定量的C e ，可以降低 准固态区间的上限温度，提高了合金的流动性。加 入稀土c e ，改善合金在凝固过程的体积收缩，而且 使合金的枝晶化趋势得到抑制，细化合金的微观组 织。加人稀土C e ，合金得到净化，减少合金的“热节 效应”，降低热裂倾向。在C e 含量为4 ％时各项指 标都最好。 参考文献 [ 1 ] X i eS h i k u n ，Z h e n gX i a o - q i u ，Y iR o n g x i ，e ta 1 ．A n a l y s i so nm i c r o s t r u e t u r eo fA I S i 7 C u 5a l l o yb ys l o p e - l i q u i d u s m e t h o d [ J ] ．K e yE n g i n e e r i n gM a t e r i a l s ，2 0 0 9 4 1 9 5 1 7 5 2 0 ． [ 2 3 曹大力，石忠宁，杨少华，等．稀土在铝及铝合金中的 作用口] ．稀土，2 0 0 6 ，2 7 5 8 8 9 3 ． [ 3 ] 易荣喜，谢世坤，潘晓亮，等．稀土对A 1 S i 7 合金毕固 态性能的影响[ J ] ．热加工工艺，2 0 0 9 ，3 8 3 2 5 2 7 ． [ 4 ] 陈子勇，舒群，陈玉勇．高强度铸造铝铜合金显微组 织与力学性能的研究[ J ] ．材料科学与工艺，2 0 0 7 ，1 5 5 7 1 8 7 2 2 ． [ 5 ] 易荣喜，谢世坤，潘晓亮，等．非枝晶稀土铝合金制备 工艺的研究[ J ] ．兵器材料科学与工程，2 0 0 9 ，3 2 2 2 1 2 3 ． [ 6 ] 易荣喜，谢世坤，郑小秋．半固态A I S i 7 R E 2 合金二次 加热工艺研究[ J ] ．轻合金加工技术，2 0 0 9 ，3 7 3 1 4 1 6 ． [ 7 ] 孙亮，张青川，晏顺平，等．A l 一4 ．5 w t ％C u 合金中溶 质原子及析出相对钮齿形屈服时空特性的影响[ J ] ．物 理学报，2 0 0 7 ，5 6 6 3 4 1 1 3 4 1 7 ． [ 8 ] 姜海峰．纯稀土c e 对A 1 4 ．5 ％C u 铸造性能的影响 [ J ] ．机械工程师，2 0 0 4 6 3 5 3 6 ． 万方数据