ADC12鋁合金的細(xì)化變質(zhì)處理最終版

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一、試驗?zāi)康?/p>

1）熟練ADC12鋁合金的熔煉、精煉、細(xì)化和變質(zhì)處理過程。2）了解ADC12鋁合金的組織變質(zhì)處理的基本原理和方法。

3）分析晶粒細(xì)化劑（Al-5Ti-B）對ADC12合金的組織的細(xì)化效果及其影響。4）分析變質(zhì)劑（Sr)對ADC12合金的組織的變質(zhì)效果及其影響。5）了解各種變質(zhì)的的單因素影響及正交試驗的效果。

二、原理概述

由于Al-Si共晶合金(ADC12)有很好的鑄造性能,且鑄件輕、比強度高、熱膨脹系數(shù)小、耐腐蝕性能高及切屑性能好,故被廣泛用于航天航空、汽車等工業(yè)。在再生鋁合金ADC12鑄件中，α-Al相是最主要的組織。在鑄態(tài)時，α-Al相呈樹枝狀，并且比較粗大，其取向沒有一定的規(guī)律，較為雜亂，這使得其性能不是很好。Fe在Al合金中尋常被認(rèn)為是最有害的雜質(zhì)元素,常見的Fe相為α-Fe相(Al8SiFe2)和β-Fe相(Al5SiFe)兩種。硬而脆的針狀的β-Fe見面破壞金屬基體的連接強度,大幅降低合金的力學(xué)性能(如抗拉強度)。Fe在Al合金中作為有害元素會顯著降低合金的力學(xué)性能,影響斷裂粗糙程度等。

1.鋁硅合金的細(xì)化處理

鋁硅合金細(xì)化處理的目的主要是細(xì)化合金基體α-Al的晶粒。晶粒細(xì)化是通過控制晶粒和形核和長大來實現(xiàn)的。細(xì)化處理的基本原理是促進(jìn)形核，抑制長大。對晶粒細(xì)化的基本要求是：

1）含有穩(wěn)定的異質(zhì)固相形核顆粒、不易溶解。

2）異質(zhì)形核顆粒與固相α-Al間存在良好的晶格匹配關(guān)系。3）異質(zhì)形核顆粒應(yīng)十分細(xì)小，并在鋁熔體中呈高度彌散分布。4）參與細(xì)化劑不能帶入任何影響鋁合金性能的有害元素或雜質(zhì)。

晶粒細(xì)化劑的參與一般采用中間合金的方式。常用晶粒細(xì)化劑有以下幾種類型：二元Al-Ti合金、三元Al-Ti-B合金、Al-Ti-C合金以及含稀土的中間合金。它們是工業(yè)上廣泛應(yīng)用的最經(jīng)濟、最有效的鋁合金晶粒細(xì)化劑。這些合金元素參與到鋁熔體中后，會與Al發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成TiAl3、TiC、B4C等金屬間化合物。這些金屬間化合物相在鋁熔體中以高度彌散分布的細(xì)小異質(zhì)固相顆粒存在，可以作為α-Al形核的核心，從而增加反應(yīng)界面和晶核數(shù)量，減小晶體生長的線速度，起到晶粒細(xì)化的作用。

晶粒細(xì)化劑的參與量與合金種類、化學(xué)成分、參與方法、熔煉溫度以及澆注時間等有關(guān)。若參與量過大，則形成的異質(zhì)形核顆粒會逐漸聚集，當(dāng)其密度比鋁熔體大時，會聚集在熔池底部，喪失晶粒細(xì)化能力，產(chǎn)生細(xì)化效果衰退現(xiàn)象。

晶粒細(xì)化劑參與合金熔體后要晶粒孕育期和衰退期兩個時期。在孕育期內(nèi)，中間合金完成熔化，并使起到細(xì)化作用的異質(zhì)形核顆粒均勻分布且與合金熔體充分潤濕，逐漸達(dá)到最

佳的細(xì)化效果。此后，由于異質(zhì)形核顆粒的溶解而使細(xì)化效果下降；同時異質(zhì)固相顆粒會逐漸聚集而沉積在熔池底部，出現(xiàn)細(xì)化效果衰退現(xiàn)象。當(dāng)細(xì)化效果達(dá)到最正確值時進(jìn)行澆注是最為理想的。隨合金的熔煉溫度和參與的細(xì)化劑種類的不同，達(dá)到最正確細(xì)化效果所需的時間也有所不同，尋常存在一個可接受的保溫時間范圍。

合金澆注溫度會影響最終的細(xì)化效果。在較小的過熱度下澆注可以獲得良好的細(xì)化效果；隨著過熱度的增大，細(xì)化效果將下降。尋常存在一個臨界溫度，低于該溫度時溫度變化對細(xì)化效果的影響并不明顯，而高于此溫度時，隨著澆注溫度的升高，細(xì)化效果會迅速下降。該臨界溫度同合金的化學(xué)成分和細(xì)化劑的種類以及參與量有關(guān)。

2．鋁鐵合金的變質(zhì)處理

Fe在鋁合金中最大的危害在于Fe與鋁合金中其它元素結(jié)合生成了各種粗大金屬間化合物，尤以粗大片狀的β鐵相危害最為顯著，呈漢字狀的α鐵相對于性能的影響危害較小，因此鐵相形貌的改變主要目的是減少粗大片狀相的出現(xiàn)，將鐵相形貌變?yōu)槲：^小的漢字狀或塊狀。加中和元素是指通過參與某些合金元素來改變鐵相的生長方式，促進(jìn)α鐵相的生成，并抑制β鐵相的形成。

Mn的參與能顯著減少針狀鐵相的數(shù)量和尺寸，甚至能使針狀鐵相完全消失，原因是Mn參與后擴大了α鐵相區(qū)，從而有利于針狀鐵相向α鐵相轉(zhuǎn)變，普遍認(rèn)為Mn的參與量應(yīng)為Fe含量的一半。陳東風(fēng)等人研究說明，鋁合金中添加一定量的Mn后有效地改變了初生Al3Fe相的形態(tài)，同時β鐵相的數(shù)量和尺寸得到有效減少甚至完全消失，但是Mn元素的最正確添加量要依狀況而定，且當(dāng)Mn與Fe的摩爾比從1.3變到1.5時，針狀富鐵相被塊狀相取代而消失。張磊、焦萬麗等人發(fā)現(xiàn)結(jié)合預(yù)先熱處理能減少Mn元素的參與量就能達(dá)到比較好的效果，并發(fā)現(xiàn)Mn與Fe的摩爾比為0.5～1.1時為適合的參與量；Mn的參與量可以控制鐵相雜質(zhì)的粒徑大小，并且聯(lián)合處理后的抗拉強度和塑性也有所提高。

Cr的作用與Mn相像，能改善Fe含量超標(biāo)的鋁合金的性能，但是Cr的熔點高，需要在鋁熔體溫度很高時參與，簡單造成鋁液嚴(yán)重氧化，使得生產(chǎn)操作不便利。RE聚集在鋁基體的晶界處，通過與Al結(jié)合生成富鐵相形核核心、影響溶質(zhì)原子的擴散過程及雜質(zhì)相的生長方式、取代富Fe相中部分組成元素來降低Fe/Mn等途徑提高富Fe相的形核率促使Fe相多維生長，達(dá)到良好的變質(zhì)效果。

鋁鍶中間合金變質(zhì)法

這是國外使用的較多的一種長效變質(zhì)方法。Sr變質(zhì)的作用就是要改變共晶硅的形狀，使原來長針狀的共晶硅變成短桿狀或蠕蟲狀并均勻分布，從而改善合金的金相組織，并通過后期相應(yīng)的熱處理大幅提高合金的機械性能。參與量為爐料總重量的0.04-0.05%的Sr。其優(yōu)點是變質(zhì)效果比鈉鹽好，氧化燒損也比鈉鹽小，有效變質(zhì)持續(xù)時間長，而且變質(zhì)效果在可以在合金重熔時復(fù)制，對坩堝的腐蝕性也比鈉鹽小，因而可使坩堝的使用壽命延長。這種變質(zhì)法操作也比使用鈉鹽安全衛(wèi)生，不產(chǎn)生對人體和環(huán)境有害的氣體，變質(zhì)效果也比鈉鹽好，一般有80-90%的良好變質(zhì)合格率。其缺點是：成本比鈉鹽高，要預(yù)先配制成中間合金（否則就要采用鍶鹽變質(zhì)劑），沒有鈉鹽那樣的有分散鑄件縮窩的作用。ADC12的成分中Si的含量較高，有9.5~12%，所以通過Sr變質(zhì)處理后效果十明顯顯。

三、試驗設(shè)備及材料

1）井式坩堝電阻爐、石墨坩堝、鐘罩。

2）ADC12鋁合金、Al-5Ti-1B、Al-10Sr、金相試樣預(yù)磨機和拋光機、4%HF、砂紙等。3）鐵制模具，澆鑄勺、鱷魚鉗、耐熱涂料等。四、試驗內(nèi)容及步驟4.Al-Ti-B-Sr變質(zhì)試驗

1）在經(jīng)預(yù)熱石墨坩堝中參與ADC12合金原料，升溫至720℃直至合金熔化2）用0.4%的C2Cl6精煉除氣處理。

3）向石墨坩堝中參與定量（見下表）Al-Ti-B及Al-10Sr中間合金進(jìn)入ADC12，進(jìn)行細(xì)化變質(zhì)處理。處理方法是將按比例稱量好的Al-10Sr放入5分鐘后再參與Al-Ti-B。

Al-10Sr含量Al-Ti-B含量0.2%0.5%1%

0.2%0.4%0.2%+0.4%0.5%+0.4%1%+0.4%0.5%0.2%+0.5%0.5%+0.5%1%+0.5%1%0.2%+1%0.5%+1%1%+1%0.2%+0.2%0.5%+0.2%1%+0.2%4）同時保溫10分鐘，分別扒渣澆注五、試驗報告結(jié)論

3）評價ADC12合金合金的細(xì)化和變質(zhì)效果，并分析影響合金細(xì)化和變質(zhì)效果的主要因素。1A1-Ti-B-Sr中間合金的細(xì)化、變質(zhì)作用。試驗采用的A1-Ti-B-Sr中間合金是在A1-Ti-B熔體中參與純Sr制成的，所以合金熔體中存在TiAl3,TB2、Al4Sr等化合物質(zhì)點．在凝固過程中它們均可作為異質(zhì)晶核．從而長成TiAl3，TiB2,Al4Sr等相，由于在生長過程中相互受到阻礙．因此．TiAl3，TiB2,Al4Sr等化合物尺寸比較細(xì)?。曳植家脖容^均勻，當(dāng)Al—Si—Mg合金中參與Al一Ti—B-Sr中間合金后．d—Al和共晶Si均得到了更好的細(xì)化和變質(zhì)．2快速凝固A1-Ti-B-Sr中間合金的細(xì)化、變質(zhì)作用。A1-Ti-B-Sr中間合金在快速凝固條件下結(jié)晶時，由于凝固速度較快，其中的TiAl3，、TiB：、Al4Sr等化合物的生長受到限制，所以尺寸較小，而且分布更加

彌散.另外，A1-Ti-B-Sr中間合金在快速凝固過程中產(chǎn)生大量位錯，增加了其內(nèi)部的能量及內(nèi)部細(xì)小化合物的表面能，提高了它們的形核和變質(zhì)能力，因而對A1-Si—Mg合金的細(xì)化、變質(zhì)也更加有效，合金的機械性能也有所提高。

4）分析ADC12合金合金細(xì)化、變質(zhì)處理前后的組織與性能有哪些變化？

結(jié)論

(1)A1-Ti-B-Sr中間合金具有良好的細(xì)化、變質(zhì)效果，經(jīng)其細(xì)化、變質(zhì)的A1-Si—Mg合金的抗拉強度和伸長率較A1-Ti-B和A1-Sr兩種中間合金