ADC12鋁合金的細化變質處理最終版

本文格式為Word版，下載可任意編輯——ADC12鋁合金的細化變質處理最終版ADC12鋁合金的細化變質處理

一、試驗目的

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

3）分析晶粒細化劑（Al-5Ti-B）對ADC12合金的組織的細化效果及其影響。4）分析變質劑（Sr)對ADC12合金的組織的變質效果及其影響。5）了解各種變質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合金中尋常被認為是最有害的雜質元素,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性能,影響斷裂粗糙程度等。

1.鋁硅合金的細化處理

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

1）含有穩(wěn)定的異質固相形核顆粒、不易溶解。

2）異質形核顆粒與固相α-Al間存在良好的晶格匹配關系。3）異質形核顆粒應十分細小，并在鋁熔體中呈高度彌散分布。4）參與細化劑不能帶入任何影響鋁合金性能的有害元素或雜質。

晶粒細化劑的參與一般采用中間合金的方式。常用晶粒細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)上廣泛應用的最經濟、最有效的鋁合金晶粒細化劑。這些合金元素參與到鋁熔體中后，會與Al發(fā)生化學反應，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小異質固相顆粒存在，可以作為α-Al形核的核心，從而增加反應界面和晶核數(shù)量，減小晶體生長的線速度，起到晶粒細化的作用。

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

晶粒細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，中間合金完成熔化，并使起到細化作用的異質形核顆粒均勻分布且與合金熔體充分潤濕，逐漸達到最

佳的細化效果。此后，由于異質形核顆粒的溶解而使細化效果下降；同時異質固相顆粒會逐漸聚集而沉積在熔池底部，出現(xiàn)細化效果衰退現(xiàn)象。當細化效果達到最正確值時進行澆注是最為理想的。隨合金的熔煉溫度和參與的細化劑種類的不同，達到最正確細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化效果。在較小的過熱度下澆注可以獲得良好的細化效果；隨著過熱度的增大，細化效果將下降。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，細化效果會迅速下降。該臨界溫度同合金的化學成分和細化劑的種類以及參與量有關。

2．鋁鐵合金的變質處理

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鐵相轉變，普遍認為Mn的參與量應為Fe含量的一半。陳東風等人研究說明，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)結合預先熱處理能減少Mn元素的參與量就能達到比較好的效果，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，簡單造成鋁液嚴重氧化，使得生產操作不便利。RE聚集在鋁基體的晶界處，通過與Al結合生成富鐵相形核核心、影響溶質原子的擴散過程及雜質相的生長方式、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，達到良好的變質效果。

鋁鍶中間合金變質法

這是國外使用的較多的一種長效變質方法。Sr變質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)點是變質效果比鈉鹽好，氧化燒損也比鈉鹽小，有效變質持續(xù)時間長，而且變質效果在可以在合金重熔時復制，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。這種變質法操作也比使用鈉鹽安全衛(wèi)生，不產生對人體和環(huán)境有害的氣體，變質效果也比鈉鹽好，一般有80-90%的良好變質合格率。其缺點是：成本比鈉鹽高，要預先配制成中間合金（否則就要采用鍶鹽變質劑），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變質處理后效果十明顯顯。

三、試驗設備及材料

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、試驗內容及步驟4.Al-Ti-B-Sr變質試驗

1）在經預熱石墨坩堝中參與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中間合金進入ADC12，進行細化變質處理。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、試驗報告結論

3）評價ADC12合金合金的細化和變質效果，并分析影響合金細化和變質效果的主要因素。1A1-Ti-B-Sr中間合金的細化、變質作用。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等化合物質點．在凝固過程中它們均可作為異質晶核．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?。曳植家脖容^均勻，當Al—Si—Mg合金中參與Al一Ti—B-Sr中間合金后．d—Al和共晶Si均得到了更好的細化和變質．2快速凝固A1-Ti-B-Sr中間合金的細化、變質作用。A1-Ti-B-Sr中間合金在快速凝固條件下結晶時，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生大量位錯，增加了其內部的能量及內部細小化合物的表面能，提高了它們的形核和變質能力，因而對A1-Si—Mg合金的細化、變質也更加有效，合金的機械性能也有所提高。

4）分析ADC12合金合金細化、變質處理前后的組織與性能有哪些變化？

結論

(1)A1-Ti-B-Sr中間合金具有良好的細化、變質效果，經其細化、變質的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