一種高效穩(wěn)定成本低廉的鋁合金細化劑
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
作者：李斌
鋁合金的細化方法主要是在鋁熔體中添加細化劑，目前生產(chǎn)中常用的細化劑有Al-5Ti、Al-Ti-B、Al- Ti-C等，其中Al-5Ti、Al-Ti-B應(yīng)用最為廣泛。這兩種細化劑是采用氟鹽法制備，存在Al3Ti粒子過于粗大，TiB2粒子偏聚的問題，影響了其細化效率。當鋁合金中含有Cr、Mn、Zr等元素時，Al-Ti及Al- Ti-B中間合金常表現(xiàn)出極弱的或完全失去細化能力，也就是通常所說的晶粒細化劑“中毒”的現(xiàn)象，無法滿足鋁及其合金在罐材用料、超薄鋁箔、磁盤、陽極氧化產(chǎn)品等方面的性能要求，因此開發(fā)新型高效細化劑十分重要。
許春香研究了Al-Ti-C對鋁合金的細化效果，發(fā)現(xiàn)該細化劑的細化效果好于Al-Ti-B;張勝華等研究了富Ce稀土對Al- Ti-B組織和細化效果影響，發(fā)現(xiàn)稀土可以改善Al3Ti和TiB2粒子的分布，降低其尺寸，提高其細化效果。張樂等研究了富Ce稀土對工業(yè)純鋁組織的影響，發(fā)現(xiàn)稀土Ce能夠延長Al-Ti-B的細化衰退時間；李志揚等研究LaF。和碳酸富La稀土對Al-Ti-B微觀組織的影響，發(fā)現(xiàn)0.3%的La可以使Al3Ti相長度降低20～30 μm。綜上，稀土元素能夠改善Al-Ti-B的微觀組織，加強其細化效果。但是稀土元素的添加增加了合金制造成本，故需要考慮提高稀土的細化效果。
在研究中發(fā)現(xiàn)，Mg元素能夠激發(fā)稀土對Al-Si合金中共晶Si的細化效果。因此，本課題采用鋁稀土中間合金和鎂稀土中間合金的形式，通過熔鑄法制備辛興娥鋁合金細化劑，考察Ce對A1一Ti微觀組織影響，以及Mg對Al-Ti-Ce合金微觀結(jié)構(gòu)的影響，為生產(chǎn)高效、穩(wěn)定、成本低廉的細化劑提供參考。
1 試驗材料與方法
采用商用Al-5Ti中間合金作為原料，稀土CAl-20Ce中間合金和Mg-30Ce中間合金形式添加，AI-20Ce的添加量為1.o%，Mg-30Ce添加量為1%，在真空感應(yīng)爐中進行新型細化劑的熔配。熔煉過程中，交變電磁場產(chǎn)生的渦流對合金熔體進行攪拌，以確保中間合金成分均勻。澆注前靜置5 min后，澆入預(yù)熱至200OC的石墨型中，得到新型細化劑試樣，其名義成分為AI-5Ti，Al-5Ti-0. 3Ce和Al-5Ti-0. 7Mg-0. 3Ce。在兩種新型細化劑相同部位切取金相試樣，并分別用體積數(shù)為0. 5%的HF酸進行腐蝕。用金相顯微鏡對試樣進行金相組織觀察。用掃描電鏡觀察試樣并用其附帶能譜分析儀對試樣中的第二相進行能譜分析。
2 試驗結(jié)果與分析
2.1 合金微觀組織
圖1為Al-20Ce合金和Mg-30Ce合金的微觀組織及能譜分析。由圖la可以看出，合金由兩種相組成，一種為黑色相（見圖中l(wèi)a中A處），另一種為亮白相，呈粗大板條狀（見圖中l(wèi)a中B處）；對A區(qū)進行能譜分析發(fā)現(xiàn)，Al的摩爾含量為99. 65%．只有少量的Ce原子，因此，可知該相為Ce在α-Al中的固溶體；對B區(qū)進行能譜分析可知，Al與Ce摩爾分數(shù)接近4:1，結(jié)合Al-20Ce相圖可以推測該相為Al4Ce．因此可知Al-20Ce中Ce主要以AI4Ce形式存在；Mg-30Ce合金微觀組織見圖ld，合金主要由兩種結(jié)構(gòu)組成，一種為粗大灰白色
塊狀相（見圖ld中C處），另一種為網(wǎng)狀組織（見圖ld中D處），對C處進行能譜分析，可知Mg與Ce摩爾比接近10，推測該相為MgCe10．3相，而對D處進行能譜分析（見圖lf），可知，該相為Ce在α-Mg的固溶體，而網(wǎng)狀組織為α-Mg和MgCe10.3共晶組織，可知Mg-30Ce合金中Ce元素主要以MgCel0.3中。
圖2為Al-5Ti合金、Al-5T1-0. 3Ce及Al-5 Ti-0.7Mg-0. 3Ce合金的微觀組織。由圖2a可以看出，合金基體上分布著條狀的第二相，第二相徑向尺寸為50～100μm，軸向尺寸在200 μm以上。圖2b為添加0.3%的Ce后Al- 5Ti合金的微觀組織，可以看出，合金基體上A13 Ti尺寸和形貌都發(fā)生顯著變化，由條狀轉(zhuǎn)變?yōu)橛鹈珷�，析出相分布也變得均勻彌散，其徑向尺寸降低�?0～50μm，并且第二相在軸向上發(fā)生離斷。圖2c為在Al-5T1中添加Mg-30Ce中間合金后的微觀組織，可以看出，合金基體上的第二相尺寸進一步降低，形貌轉(zhuǎn)變?yōu)榧氠槧睢?/span>
圖3為Al-5Ti-0. 3Ce合金的SEM組織及EDS分析�？梢钥闯觯辖鸹w上的Al3Ti相呈枝晶狀，對其進行EDS分析，可知Ti的摩爾分數(shù)為23. 66%，Al的摩爾分數(shù)為76. 34%，Ti與Al的摩爾比接近1:3。
圖4為Al-5T1-0. 7Mg-0. 3Ce合金的SEM和EDS分析結(jié)果�？梢钥闯�，合金基體上第二相呈不規(guī)則的細針狀和短棒狀，徑向尺寸小于10μm，軸向尺寸在20 μm左右，并有大量細小塊狀第二相存在，這些塊狀第二相形狀不規(guī)則，尺寸波動較大。
圖5為Al-5T1-0. 7Mg-0. 3Ce合金中富Mg相形貌和能譜分析�？梢钥闯�，富Mg相尺寸接近1μm．呈顆粒狀，分布在Al3 Ti相的邊緣；認為這種相的形成過程如下：Al-5 Ti-0.7 Mg-0. 3Ce合金凝固過程中，Mg為活性元素，能夠吸附在Al3Ti相表面，形成膜層，導(dǎo)致Mg
富集，當富集程度達到過飽和時，在Al3 Ti相表面析出富Mg相，該相Al含量為97. 37%，Mg含量為1.51%、Ti含量為1.12%。
2.2細化效果
圖6為在Al-7S1合金中添加1%的Al-5T1及Al-5Ti-0. 7Mg-0. 3Ce后的細化效果�？梢钥闯觯辖鹩苫野咨�α-Al枝晶和枝晶之間共晶Si組成。與圖6a相比，圖6b中Al-7S1的α-Al二次枝晶臂大小和間距都明顯降低，這說明AI-5Ti-0. 7Mg-0. 3Ce的細化效果要比Al-5Ti顯著。
根據(jù)Al- Ti相圖，Ti含量在10%范圍內(nèi)，會發(fā)生如下的包晶反應(yīng)：
L+ Al3 Ti→α-Al
(1)其中，Al3 Ti的晶體結(jié)構(gòu)符合作為鋁合金凝固過程中異質(zhì)形核質(zhì)點的要求，因此鋁合金生產(chǎn)中采用Al-5Ti或Al-10Ti作為細化劑。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，Al-5 Ti中Al3 Ti相尺寸越小，分布越彌散，細化效果越好。
另外還發(fā)現(xiàn)，添加稀土Al-Ce后Al3 Ti粒子尺寸顯著降低，Ce元素主要以Al4Ce相形式存在于Al-Ce合金中，添加到Al-5Ti熔體中。Al-Ce合金熔解，Ce以原子態(tài)分布于合金熔體中，其對Al3 Ti粒子的細化機理是：Al的原子半徑為0.144 nm，而Ce的原子半徑為0. 27 nm，與Al的原子半徑相差較大，錯配度超過15%，因此，Ce在Al中固溶度較小，且為活性元素。為降低自由能，易于填補界面處缺陷一，在凝固過程中，Ce易于在堆積析出相Al3 Ti凝固前沿形成富集。富集于凝固前沿的Ce，由于具有較大的原子半徑，其擴散速率較低，富集層將阻礙Al原子和Ti原子從熔體中向Al3 Ti相擴散，因此，抑制了Al3 Ti相長大，從而細化Al3 Ti。另外，第二相前沿Ce富集也會造成成分過冷，促使Al3 Ti相發(fā)生熔斷，并由條狀轉(zhuǎn)變?yōu)橛鹈珷睢?/span>
Mg-30Ce合金中的Ce主要存在于MgCel0.3中，Mg-30Ce合金添加到AI-5Ti熔體中后，Mg在合金熔體中發(fā)生了再分配，合金的Al3 Ti相與Al的界面處發(fā)現(xiàn)了富Mg相，Mg的原子半徑為0.160 nm，大于Al的原子半徑，可以推測Mg元素在凝固過程中也會富集于Al3 Ti相前沿，輔助Ce元素降低Al3 Ti相尺寸。
比較Al-5Ti和Al-5T1-0. 7Mg-0. 3Ce兩種細化劑對Al-Si合金中α-Al的細化效果，發(fā)現(xiàn)Al-5Ti-0. 7Mg-0. 3Ce的細化效果明顯高于Al-5Ti，這是由于Al-5 Ti-0. 7Mg-0. 3Ce中的Al3 Ti尺寸明顯低于Al-5Ti，因此增加了異質(zhì)形核數(shù)量，使細化效果更顯著；此外，Mg和Ce填補于α-Al樹枝晶與共晶Si界面處，阻礙α-Al樹枝晶生長，也有利于細化效果提高。
3 結(jié) 論
(1) Al-5Ti合金基體上分布著大量粗大的Ti-Al相，該相呈條狀，徑向尺寸為50～100 μm，軸向尺寸在200 μm以上。
(2) Al-5Ti中添加0.3%稀土Ce后，Ti-Al相形貌轉(zhuǎn)變?yōu)橛鹈珷�，徑向尺寸�?0～50μm之間；添加Mg后Ti-Al相轉(zhuǎn)變?yōu)榧殫l狀，徑向尺寸在10～20μm之間，在Ti-Al相和Al基體界面附件發(fā)現(xiàn)富Mg相。
(3)與Al-5 Ti相比，Al-5Ti-0. 7Mg-0. 3Ce對Al-7Si合金中α-Al枝晶細化效果更顯著。
4 摘 要
研究了稀土Ce及Mg-Ce對Al-5 Ti合金微觀結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，AI-5 Ti合金基體上分布著條狀的Al-Ti相，徑向尺寸為5o～100 μm，軸向尺寸在200 μm以上；添加o．3%的Ce后，形核相Al -Ti粒子轉(zhuǎn)變?yōu)榧氂鹈珷�，尺寸明顯減小，徑向尺寸降低至10～50 μm，分布變得均勻彌散；而添加1%的Mg-30Ce后，A1-5 Ti合金中的Al- Ti粒子轉(zhuǎn)變?yōu)榧氠槧�，軸向尺寸降低至20 μm左右，徑向尺寸降低至10～20 μm,Mg元素的添加使Al-Ti粒子尺寸進一步降低，并在Al- Ti相的界面前沿發(fā)現(xiàn)富Mg顆粒相析出。比較Ai-s Ti和Al-5Ti-1(Mg-30Ce)的細化效果發(fā)現(xiàn)，Al-5 Ti-l(Mg-30Ce)對Al- Si合金的細化效果顯著優(yōu)于Al-5 Ti合金。
