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中北大学学位论文 合金化与过滤技术对铸造铝镁合金 组织与性能的影响 摘要 目前获得高性能铸造铝合金的途径包括合金化、纯化和净化。本文主要从这两个方 面出发，在查阅大量文献的基础上制定铸造工艺，设计模具，采用金属型铸造制备了十 种不同的合金，并对部分合金进行了过滤处理。测试了合金铸态下室温力学性能；采用 金相显微镜，s e m 观察了合金铸态组织结构；研究了微量钪、锆及过滤技术对合金力 学性能，组织结构的影响和变化规律，并从理论上对结果进行了分析探讨。结果表明： 采用正交试验方法分析，当合金中各元素满足s 0 0 4 z r 0 1 s i 0 1 5 时，抗拉强度 最好；分析合金元素对延伸率的影响，发现s c 0 2 - z r 0 2 s i 0 1 5 为最好的搭配方案： 研究s c 、z r 对z l 3 0 3 进行合金化发现。z l 3 0 3 的抗拉强度和延伸率都有所提高，而向 z l 3 0 3 中加入o 4 的钪时。抗拉强度提高明显，为3 5 。 观察金相组织，z l 3 0 3 晶粒尺寸粗大，并且枝晶发达，向z l 3 0 3 中加入了o 2 的z r 和复合添加了o 1 的z r 和o 2 的s c 时组织得到了一定的细化；合金中加入0 2 的 s c 时，在一定程度上消除了合金的枝晶组织；当加入0 4 s c 时，出现了较为明显的晶粒 细化现象；采用扫描电镜和能谱分析得到初生的a b s c 、a 1 3 ( s c , z r ) 。 采用过滤技术处理后的合金，抗拉强度和延伸率得到一定的提高。组织在一定程度 上也得到了细化。 本次实验中合金的强化包括m g 的固溶强化、添加微量钪和锆对合金铸锭产生的细 晶强化，初生a 1 3 ( s c ，z r ) 粒子在合金中引起的弥散析出强化，采用过滤技术带来的物理 强化。 关键词：合金元素，铸造铝镁合金，正交实验，过滤技术，组织与性能 中北大学学位论文 i n f l u e n c eo f a l l o y i n ga n df i l t r a t i o no nt h em i c r o s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e so fc a s t i n ga l - m ga l l o y a b s t r a c t t h em e 也o d so fo b t a i n i n gh i g hs t r e n s t h - t o u g h n e s si np 豫s e mi n c l u d ea l l o y i n g ， p u r i f i c a t i o na n dc l e a n i n g f r o m t h et o wa s p e c t s ，t h ec a s t i n gp r o c e s s i n gw a se s t a b l i s h e d ， m o u l dw a sd e s i g n e d a n dt e nd i f f e r e n ta l l o y sw e r ep r e p a r e da d o p t e dm e t a lm o i l l dc a s tb a s e d o n ag r e a td e a lo fr e f e r e n c e s a n df i l t r a t i o nt r e a t m e n tw a sd o n e t os o m ea l l o y s t h e r o o m - t e m p e r a t u r em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h e s ea l l o y sw e r et e s t e d t h em i c r o s t r u c t u r ea n d c o m p o s i t i o no f t h e s ea s - c a s ta l l o y sw e r ea n a l y z e db yu s i n go m a n ds e m t h ee f f e c ta n dl a w o fm i n o rs c ，z ra n df i l t r a t i o nt r e a t m e n to nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dm i c r o s t r u c t u r e so f a l l o y sw a si n v e s t i g a t e d t h er e s u l t sw e r et h e o r e t i c a la n a l y z e da l s o t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： w h e ne a c he l e m e n ts a t i s f i e sc o l l o c a t i o 璐d c m a n da ss c 0 4 z r 0 1 s i o 1 5 ，t h e h i g h e s tt e n s i l es t r e n g t hw a so b t a i n e db yo r t h o g o n a le x p e r i m e n t t h eb e s t s c h e m et o e l o n g a t i o ni s s c 0 - 2 一z r 0 2 一s i o 1 5 t h er e s e a r c ho fa l l o y i n gz l 3 0 3 谢t l is ca n dz r s h o w e dt h a tt e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o nw a si m p r o v e d e s p e c i a l l yw h i l et h ef i l l e dq u a n t i t y o f s cw a s0 4 t h et e n s i l es t r e n g t hw a so b v i o u s l yi m p r o v e dt o3 5 c m s s t i eg r a i ns i z ea n dd e v e l o pd e n d r i t e so fz l 3 0 3w a so b s e r v e dt h o u g ho p t i c a l m i c r o s c o p y a d d i n go 2 z ra l o n eo r0 2 s ca n do 1 z rt o g e t h e rt oz l 3 0 3c a nf m eg r a i n s i ns o m ed e g r e e f o rt h ea l l o yo fa d d i n g0 2 s c t h ed e n d r i t i cs t r u c t u r ei ss t i l lc o a r s eb u tt h e s e c o n d - p h a s ew i t h i nt h eg r a i n sd i s a p p e a r s a d d i n g0 4 s c t oz l 3 0 3o b t a i n se q u i a x e d s t r u c t u r e p r i m a r ya 1 3 s ca n da l s ( s c ，z r ) w e r eo b s e r v e dt h o u g hs e m a n de d x t e n s i l es t r e n g t ha n de l o n g a t i o nw e r ei m p r o v e dw i t hf i l t r a t i o nt r e a t m e n t m e a n w h i l e ， m i c r o s t r u c t u r e sw e r ef i n ei ns o m ed e g r e e t h es t r e n g t h e n i n gi n c l u d es o l u t i o ns t r e n g t h e n i n go fm g ，g r a i nf i n i n gs t r e n g t h e n i n go fs c a n dz r ，d i s p c 格o i ds t r e n g t h e n i n go f p r i m a r ya 1 3 s ca n da 1 3 ( s c ，z r ) a n dp h y s i c ss u e n g t h e n i n g o f f i l t r a t i o nt r e a t m e n t 中北大学学位论文 k e y w o r d s ：a l l o y i n ge l e m e n t s ，c a s t i n ga i - m ga l l o y , o r t h o g o n a le x p e r i m e n t , f i l t r a t i o n t r e a t m e n t ，p r o p e r t i e sa n dm i c r o s t r u c t u r e 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责 任由本人承担。 一 论文作者签名： ：隆，已区k日期：2 趔j ：生：g 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校 可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允 许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交 换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论 文在解密后遵守此规定) 。 _ 井 签 名：三照玉f 主l e i i t t l ：迎1 ：垡：旦一 导师签名：蓝己牟匙l 日期：- 二泣五乙。号l 中北大学学位论文 1 1 铸造铝合金的应用及发展概掘 1 引言 铸造铝合金因其强韧性稍逊使其应用范围受到较大的限制。许多重要用途如特种重 载车负重轮、航空用铝合金等多采用变形铝合金，而不是铸造铝合金。变形铝合金通过 挤压、轧制、锻造等手段减少了缺陷，细化了晶粒，提高了致密度，因而具有很高的强度、 优良的韧性以及良好的使用性能。但是，对设备和工装模具要求高工序多因此变形铝合 金生产周期长、成本很高。与变形铝合金相比，铸造铝合金具有价格低廉、组织各向同 性、可以获得特殊的组织、易于生产形状复杂的零件、可以小批量生产也可以大批量生 产等诸多优点。因此，开发出能够替代部分变形铝合金的高性能铸造铝合金材料及其铸 造成形工艺可以达到以铸代锻、缩短制造周期、降低制造成本的目的，具有重要的理论 意义和重大的实际应用价值。 铸造铝合金为传统的金属材料，由于其密度小、比强度高等特点，广泛地应用于航 空、航天、汽车、机械等各行业。随着现代工业及铸造新技术的发展，对铸造铝合金需 求量越来越大。例如，8 0 年代末到9 0 年代仞，在铸件总量停滞甚至下降的时候，日本的铝 铸件产量一直保持着年递增1 0 左右的高增长率【”。又以汽车工业为例，由于要降低能耗 汽车需要减重，各国广泛地采用铝等有色铸件代替钢铁铸件。到2 0 0 1 年，小汽车总重量将 降低为8 0 0 k g ，其中钢铁零部件为2 0 0 k g ，铝合金零部件为2 7 5 k g ，镁合金将增为4 0 k g 【2 1 ，而 汽车零部件7 0 为铸件。目前我国已把汽车工业作为重点发展产业之一，汽车总产量特 别是轿车产量将迅速增长，其中三大小轿车生产基地( 汽奥迪和高尔夫，二汽雪铁龙， 上海桑塔纳，北京切诺基，天津夏利，广州标致) 汽车产量大幅度增加，存在着巨大的铝 材潜在市场【3 】。我国汽车工业的迅速发展将带动铸件生产的飞速增长。随着汽车性能、 安全及排放要求的提高，汽车铸件生产向着轻量化强韧化、精密化、复合化方向发展。 轻量化的重要途径是采用密度小的有色金属，主要是铝合金或镁合金，特别是轿车采用 的铝铸件更多1 4 j 。由此可以看出，铸造铝合金的研究及应用将继续得到发展。 近些年来优化合金成分设计、提高纯度、发展新的热处理制度超细化合金的组织结 构、精确调控合金中强化相的最佳三维分布，成为发展高性能铝合金的重要方向1 5 q 。这 中北大学学位论文 些先进的工艺技术研究旨在改善铸造合金的工艺性，迸一步提高合金的性能，生产出优 质铸件，以满足人们对铸件的越来越高的要求。 从以上可以看出：( 1 ) 需求是发展的动力：( 2 ) 技术发展包含原有技术的改进及新技 术的创立，这二者是同等重要的。因此，如何使传统的铸造铝合金在新世纪继续保持发 展势头。如何开发研制新合金满足各种需要，使得铸造铝合金这种传统的合金材料焕发 新的光彩。是摆在我们面前的重要课题。 1 2 获得高性能铸造铝合金的途径 中国加入w t o 后，铸造业的发展势头强劲【刀，尤其对商性能铸件的需求剧增，在航 空航天等国防技术领域，大型铝合金构件的应用也越来越多，对构件的要求越来越高，除 了要保证其化学成分、力学性能和尺寸精度外，还不允许铸件有缩孔、气孔、渗漏、夹 渣等缺陷( s 1 。高强度铸造铝合金一般是单相合金，主要是通过合金化、纯化和细化来提高 合金的强度。我国在高强度铸造铝合金的研究方而处于世界领先地位。早在7 0 年代末， 发明了z l 2 0 5 a 。按技术标准( h t 3 9 6 2 8 6 ) 规定，典型性能o b 可达5 1 0 m p a ；是目前世界上 强度最高的高强度铸造铝合金。该合金己在航空、航天领域得到广泛应用 9 1 。 为进一步提高合金强度，各国学者一直致力于研究新的合金强化元素。合金元素s c 析出的 j ，s c 相有很好的时效强化作用。许多研究者认为该元素将成为新的铝合金强化 元素i 1 0 1 。在熔体净化技术的研究及应用方面，我国与发达国家的差距更大，在合金化的研 究日趋成熟、可挖掘的潜力越来越小的情况下，纯化和净化必将越来越引起人们的重视 1 1 1 】。目前获得高性能铸造铝合金的途径包括合金化、纯化和净化，晶粒细化。本论文主 要从合金化、净化两个方面来研究获得高性能铸造铝合金。 1 2 1 合金化 合金化是目前获得高性能铸造铝合金材料的主要途径之一。钪是铝的强化剂，是铝 合金强有力的晶粒细化剂和有效的再结晶抑制剂。若添加量按摩尔分数计算。钪对铝的 强化作用比任何其它元素都要大f 1 2 1 。铝钪合金因此是一种集高强、高韧、低密、耐热、 耐蚀、可焊等优异性能集一体的新型结构材料，越来越引起国际材料界的高度重视l n l 。 2 中北大学学位论文 前苏联主要把含钪铝合金用于航空等国防工业领域，如m i g 2 9 上就大量采用了含锍的铝 合金结构。美国把应用的重点集中于航空、汽车、卡车、高速列车和船只上，目的是减 轻重量提高机动性斛h 1 ，不仅把钪加入到各种变形铝合金中，而且也加入到铸造铝合金 如a 3 5 6 等以全面提高合金的性能【1 5 】。 1 2 1 1 钪的概述 1 8 7 1 年，门捷列夫在他的周期律的基础上曾预言有第2 l 号元素存在，这个元素是 金属。直到1 8 7 9 年尼尔松才从斯堪的纳维i l l i ( s c a n d i n a v i a ) 半岛的矿样中离析出来，因此 命名为钪( s c a n d i u m ) 。直到1 9 3 7 年才制得纯度为9 5 的金属钪。 钪的原子序数为2 1 ，在元素周期表中的第四周期第三副族，与镧系l a 、c c 、p f 、n d 等稀土金属同属于第m 副族，与钛( n ) 、钒( v ) 、铬( c r ) 等同属于3 d 型过渡金属【l “。 因此它兼有稀土元素、过渡族元素的特性。s c 在铝及铝合金中同时具有这两类金属的有 益作用，但其效果又优于这两类金属 1 7 - 1 8 1 ，是到目前为止所发现的对优化铝合金性能最 为有效的合金元素 1 9 1 。 表1 - 1 给出了钪的主要性质，虽然非常活泼，但它并不像l a 、c e 、n d 那样在空气 中就会发生强烈的氧化，而是在空气中可以长期保持金属的光泽。这也许是钪为什么是 以金属形态存在于自然界的唯一稀有金属的原因。 表卜1 铳的主要性质 图1 1 给出了几种稀土元素的电负性2 0 1 。 3 中北大学学位论文 1 2 手1 i 图1 - l 稀土金属电负性与稀土元素的关系 元素的电负性与其在周期表中的位置密切相关，因为电负性的高低可以近似地表示 它们与其它元素间的结合能。由图1 1 可知，s c 的电负性在稀土元素中是最高的，而其它 元素几乎相同( 只有铀和钇例外) 。 1 2 1 2 钪在铝合金中的作用 钪和铝生成的金属间化合物，由于其晶格的结构和尺寸与铝的几乎完全一致，对铝 合金的结构和性能能够产生最强烈的影响。在对铝合金的变性作用方面，到目前，还没有 发现任何别的合金化元素能超过钪，钪添加削能够使铝合金的强度提高7 0 1 5 0 m p a l 2 q 。 为了了解和掌握含s c 铝合金的成分、组织和性能，首先了解a 1 s c 二元合金的基本特性。 铝钪二元系富铝角相图【2 2 】如图l 。2 ， 圈1 2 铝钪二元状态图富铝角 4 中北大学学位论文 以前认为铝钪系二元富铝角是包晶反应，现在研究认为其实是共晶反应l _ a i + a 1 3 s c 。共晶温度为6 5 5 c ，共晶点浓度为o 5 5 s c ，化合物a 1 3 s c 为l i z 型结构。与铝基体 共格。面心立方结构，点阵常数a = 0 4 1 0 6 - j ：0 0 0 7 衄田, 2 4 1 。6 5 5 c 时，钪在铝中的固溶度为 0 2 7 ，温度降低时，溶解度急剧降低，所以能析出密度极高的a 1 3 s e 相。a 1 3 s e 化合物是 尺寸小、密度高、分布均匀的均质形核共格析出相，直到很高温度，甚至于在平衡状态下 仍能同基体保持共格关系，需要特别提出的是，弥散度极高的共格沉淀相的强化作用和 热稳定性比a i m n 、a i c r 、a i - z r 合金中l 1 2 型亚稳相a 1 3 z r 等高，因为后者经过短时间 时效，就会失去共格性而变成正方晶格的平衡相，失去强化作用。而a 1 3 s c 即使退火后仍 能保持共格性，这是任何其它铝合金所没有的。 s c 对铝和铝合金有强烈的晶粒细化作用，其效果比其它过渡族元素的大。在 a i 5 m g 合金中加入0 1 8 s o ( 质量百分数，下同) ，其铸态组织平均晶粒大小为3 0 8 0 1 a n ， 而没有添加s c 的相同a i 5 m g 合金的铸态组织平均晶粒大小为1 0 0 3 0 0 t t m l 2 5 1 。 图1 3 铝钪二元合金状态图 a i s c 合金相图如图1 3 所示，a 1 s c 二元系中有很多化合物，如a l s o 、a 1 2 s e 、a 1 3 s c 等，其中最稳定的是a 1 2 s c ，距铝最近的化合物是a 1 3 s c 。a i a 1 3 s c 是共晶反应，a b s e 是共晶反应：l 一舢+ a 1 3 s c 的产物，共晶温度为6 5 5 c ，共晶点成分是o 6 。钪在铝中 的溶解度在6 5 5 c 时为0 3 2 ，5 2 7 时d 0 7 室温下为零。可见溶解度髓温度降低丽 5 妒l耋摹声 中北大学学位论文 急剧降低，所以能析出密度极高的a 1 3 s c 相f 嘲。a 1 3 s c 是l 1 2 型结构，面心立方晶格 ( c u 3 a i 型) ，a = 0 4 1 0 6 r i m ；a 1 2 s c o v i g c u 2 ) 是c 1 5 型体心立方结构：a l s o 是b 2 型( c s c l ) 立方结构f 1 7 1 。 钪在共晶温度左右时，在铝中有较大的溶解度，这样就有利于生成含钪较多的固溶 体，又由于钪的晶格结构与铝有较大的错配度，因此有很好的固溶强化效果。另一方面， 含钪铝合金在结晶过程中，很容易有少量的初生a 1 3 s c 相生成，由于a 1 3 s c 相的晶体结 构与铝基体相同，都是l 1 2 型面心立方晶格，晶格错配度很小，只有1 6 3 ，因而极易成 为a 相的形核中心，又因为其晶粒极其弥散、细小，因而可起到良好的细化a 晶粒的效果。 正如a 1 r e 合金二元相图一样，在a 1 s c 二元系中也有很多化合物，如a 1 3 s c 、a 1 2 s c 、 a l s o 等。由于这些化合物具有很高的熔点，a 1 2 s c ( 1 4 2 0 1 2 ) ，a 1 3 s c ( 1 3 2 0 ) ，距铝较 近，而且液相线陡峭，所以，不能像其它铝中间合金那样，例如a l s r ，a i - r e ，a 1 l i 合金那 样中间合金具有较高的浓度，对于a 1 s c 中间合金，s c 的浓度在2 3 左右是适宜的。 s c 在a l 中的极限溶解度( 0 3 2 ) 虽然不高，但在一定的冷却速度下，除较少部分 以初生a 1 3 s c 形式结晶析出外，其余大部分s c 则倾向于形成非平衡态的过饱和固溶体， 这种过饱和固溶体在随后的工艺加热过程中会发生分解，形成非常弥散的与基体共格的 次生a 1 3 s c 质点，使合金剧烈强化。含s c 的过饱和固溶体与其它过渡金属在铝合金中形 成的过饱和固溶体相比是极不稳定的，钪含量越高，钪在铝中固溶体内的稳定性越低。 另一方面，由于钪在铝中的溶解度随温度变化非常剧烈，因此极易形成过饱和圃溶 体，通过时效处理，就可以得到大量的弥散的球形二次a 1 3 s c 沉淀析出相，加之a 1 3 s c 相是均质形核共格析出相，因而可起到很好的沉淀强化效果。又由于a 1 3 s c 相的熔点很 高，在高温下稳定性好，晶粒长大极其缓慢( 在3 5 0 时效7 0 小时，析出质点的平均尺寸 为5 n m ，在4 5 0 1 2 时效1 1 1 小时，质点也只能长大到5 0 r i m ) ，因而铝钪合金拥有极优异的 高温性能1 2 6 1 。 1 2 1 3 钪与铝合金元素中主要合金元素的作用关系 有m g 、s e 、z r 、s i 、m n 等的合金中，m g 与s c 不形成化合物，故在以这些元素为主 要合金组分的铝合金中加钪是合理的田, 2 5 3 0 l 。 硅：s i 不仅能与s c 形成化合物s c 2 a i s i 2 1 2 7 ) 1 4 2 】，而且还会改变含s c 铝合金固溶体的 6 中北大学学位论文 分解特性，即由连续分解变为不连续分解，不连续分解的产物粗大，在合金单位体积内， 其分布密度明显降低。因此，硅的存在会减小钪在铝中过饱和固溶体分解时的强化效应， 并会急剧降低含铳铝合金半成品的再结晶温度。鉴于硅的这些不利作用，含s c 铝合金中 硅含量不应超过o 1 5 2 r l 。 锰：锰与钪不起作用，不形成金属间化合物1 2 7 1 。在钪铝合金中加入锰，像在其它工 业铝合金中一样，能提高强度性能和改善合金的抗腐蚀稳定性。不过，用大量的m n 来合 金化会降低s c 的溶解度和减少金属间化合物的形成，故不宜大量添加，一般用量在0 2 0 5 之间鲫。 锆：在铝钪合金中加入一定的锫可以明显减少钪的加入量而不影响性能，甚至可以 获得更好的力学性能。加入钪的同时加入锆，一方面可提高铝合金的有益性能，另一方面 还可以减少昂贵的钪的加入量。大量试验表明，钪应该与锆同时加人到铝合金内。这是 因为z r 能颇大( 达5 0 ) 地溶于a 1 3 s c 相中，并形成从a 1 3 ( s c i x z r x ) 相v t a 舛。该相因其晶 格类型、点阵参数与a 1 3 s c 相差甚小，因此不仅保持了a 1 3 s c 的全部有益作用，而且在 高温加热下聚集倾向比a 1 3 s c 相小得多。厅的作用，在铝合金中钪含量较小时则更为显 著，例如当s c 含量从0 4 减少到o 2 时，其强化作用明显，此时，加z r 不仅起稳定剂作 用，而且还起到强化剂作用。同时，试验表明，具有锆溶解量最大的a 1 3 ( s c l xz r x ) 相质点 具有最小的聚集倾向，当分析性能最佳的合金成分时，发现其a 1 3 ( s c l 。z r x ) 相内有5 0 0 ：6 的 s c 原子被z r 原子置换。因此，在工业铝合金中s c 和z r 的含量之比应接近1 ：1 。但是， 实践表明，在高合金化和中合金化的铝合金中，特别是在浇铸大铸锭时乃含量超过 o 1 0 0 1 5 时会形成粗大的初生金属间化合物a 1 3 z r 。所以，用z r 合金化的含钪铝合 金乃含量取0 t 0 0 1 5 。但考虑到并非全部可能潜在的钪都被利用上了，因此，z r 的 含量应该提高到o 1 5 0 3 1 2 7 , 3 4 1 。 1 2 1 4 铝钪系合金中含钪量范围的选择 研制开发含镜铝合金的一个重要问题，就是如何选择钪的含量范围。据资料网介绍， 钪含量的选择应遵循以下原则：在相当于铝合金铸锭连续铸造的结晶条件下，要使大部 分s c 处于过饱和的固溶体内，在随后的工艺加热条件下，含s c 的固溶体分解并形成最大 弥散度的a 1 3 s c 二次化合物相质点，从而保证明显地提高再结晶温度和强化合金；另外 7 中北大学学位论文 少部分的s c 应该在结晶时以一次化合物a 1 3 s c 质点析出，对铸锭或焊缝内的铸造晶粒组 织起细化作用。为了解决这个问题，对a 1 s c 平衡相图进行了研究，钪与铝形成有限 固溶度的共晶类型平衡图。钪在铝内的最大溶解度为o 3 5 o 4 。但是，在相当于连续 铸造铸锭结晶的冷却速度条件下，钪在铝内会形成反常的过饱和固溶体( 达0 6 ) ，因 此，在含o 6 s c 左右的条件下，可以达到二元铝合金连续铸造铸锭获得的变形半成品的 最大的或接近最大的强化效果( 见表卜2 ) 。 卜2 不同钪含量a 1 s c 二元合金性能的比较田l 由上表可知，随着s c 含量从。增加到0 6 ，强化性能明显提高，但幅度逐渐减少。 因此，在s c 含量大于o 6 的情况下，强度性能的提高可能是不大的。而在s c 含量增加 到o 6 时强度性能的提高，只有在严格规定均匀化、压力加工工艺加热和热处理的温度 一时问参数的条件下，确保s c 在a l 中的过饱和固溶体的最佳分解度时才有可能。这是 因为铝合金中s c 的原始浓度越高。形成的过饱和固溶体越不稳定，分解速度越快，并且分 解产物二次a 1 3 s c 质点聚集倾向越大，聚集速度越高，从而会降低合金的优良性能。因此 在选择s c 的最佳浓度时，必须考虑以下因素：( 1 ) 在复杂的合金中s c 在a i 中的极限溶解 度会减少：( 2 ) 钪在铝中的固溶体不稳定：( 3 ) a 1 3 s c 质点有聚集倾向。另外，还要注意到 铸锭和半成品在生产条件下进行长时间的高温加热，会发生s c 在a 1 过饱和固溶体的完 全分解和分解产物的颇大聚集。鉴于上述原因，在工业用铝合金中采用o 6 s c 浓度不是 最理想的，而认为在各种铝合金中的s c 的最理想的极限含量时o ，l o 5 1 2 ”。 8 中北大学学位论文 1 2 1 5 含钪铝合金国内外研究概况 国外对含钪铝合金的研究始于上世纪6 0 年代中期，但直到8 0 年代，铝钪合金的研究 开发才受到应有的重视嗍。前苏联和俄罗斯是开展钪的研究最早的国家，尤其是近十余 年来，钪的研究、开发应用得到了极其迅速的发展。他们开发出了多种品牌的含钪铝合 金。它们有a i - m g 系的0 1 5 1 5 、0 1 5 2 3 、0 1 5 3 5 、0 1 5 4 5 、0 1 5 7 0 、0 1 5 7 1 ，0 1 5 7 5 等合 金，a 1 z n - m g 系的0 1 9 7 0 、0 1 9 7 5 等，a i - m g l i 系的0 1 4 2 1 、0 1 4 2 3 等；a i - c u - l i 系的0 1 4 6 0 等，a 1 z n m g l i 系的0 1 9 8 1 等【3 们，并使含钪铝合金获得了成功应用。在这方面全俄轻金 属研究所和全俄航空材料研究所起着重要的作用。铝合金中只要添加微量钪( o 1 8 o 3 5 ) ，其作用就非常明显。美、德还于苏联解体后聘请了一批俄罗斯专家，开展这方面 的研究工作叨，取得了很大的进展。 近十余年来，俄罗斯、乌克兰及美国、日本、加拿大开发的钪铝合金不断取得新进 展，譬如美国空军研究实验室与乌克兰材料科学问题研究所开展了用钪改性 a i z n - m g c u 合金低温力学性质的研究，表明添加0 4 9 s c ，在t 6 热处理制度下形成 了含初始a 1 3 ( s c ，z r ) 颗粒的细化而均匀的显微组织。再经热挤压和固溶处理，即形成室 温屈服强度、极限拉伸强度分别高达7 9 0 和8 2 0 m p a 、室温延伸率5 8 的强度与塑 性大幅度提高的高强铝合金。达到了与中等强度钛合金( 室温和7 7 k 低温强度分别为 6 6 0 m p a 和8 5 0 m p a ) 相抗衡的程度，鉴于钛的密度为铝的1 5 1 7 倍，从而开辟了用铝 代钛的可能性。 我国对含钪铝舍金的研究始于1 9 9 5 年，目前主要就钪对a i - m g 系、a i - z n - m g 系和 a 1 c u - m g - f e - n i 系合金的组织与性能的影响，钪对其再结晶温度的影响等开展了一些基 础研究工作，取得了一些成绩。目前，国内外的大量研究表明，添加钪对a i - m g 和 a i - z n - m g 合金的性能和结构影响最好。 表1 - 3 和表1 - 4 中分别列出了国外及国内研究的一些新型a i - m g s c 合金与传统 a i - m g 合金的力学性能比较。 9 中北大学学位论文 由上表中可以看出，铝合金中添加微量元素钪后，经变形处理后强度明显提高，同时 用m n 、c r 、z r 和s c 进行复合合金化，强化效果更加显著，表1 3 中含镁量约6 ，并添加 钪及锆等元素，从表中可以看出合金( 1 1 ) 的屈服强度可达3 0 0 m p a ，而未加钪时只有 1 8 0 m p a ，强度提高了6 0 以上。 1 。2 。2 纯化和净化 随着铝铸件在汽车制造、纺织机械等机电行业中的广泛应用，人们对铝铸件的品质 要求也越来越高，除了要保证其化学成分、力学性能和尺寸精度外，还不允许铸件有缩 孔、气孔、渗漏和夹渣等缺陷。因此人们更加重视对铸造铝合金溶液的净化，采取措施 排除其中的气体和夹杂物，制造优质的铝铸件。 气体、夹杂物和杂质元素的不利影响有：( 1 ) 生成一些不希望出现的相，如脆性相、 低熔点相等；( 2 ) 偏聚于晶界，降低晶界强度；( 3 ) 降低材料的致密度和连续性，如气孔、 疏松；( 4 ) 产生应力集中，如膜状夹杂物。没有高质量的铝合金熔液，即使以后的变质、 l o 中北大学学位论文 晶粒细化处理再有效，加工成形控制再先进，采取合理的铸造工艺以及热处理工艺，缺 陷一旦从开始就产生，仍然会顽固地存在，难以弥补，高质量的铸件也是很难想象的。 纯化和净化就是要降低材料中气体的含量、减少夹杂物、控制杂质元素的含量。近年来 铝熔体净化技术如旋转叶轮法、喷射熔剂法、过滤技术以及电磁分离非金属夹杂等得到 了较大发展【”- 4 0 l 。 过滤净化就是通过过滤介质除去铝液中携带的大块夹杂物及部分悬浮的细小夹杂 物，减少铝液中气体含量并除去铝液中的部分有害元素、提高铝材的力学性能的一种净 化技术。所以，本论文从研究过滤工艺对铝合金影响的规律出发，探讨其原理，对这项 技术更好的应用与实践有着十分重要的价值。 1 2 2 1 过滤技术的国内外现状 陶瓷过滤板因使用方便，过滤效果好，价格低，在全世界广泛使用。发达国家5 0 以上的铝合金熔体都采用泡沫陶瓷过滤板过滤】。该技术发展迅速，为满足高质量产品 对熔体质量的要求，过滤板的孔径越来越细。目前习惯以p p i ( 每英寸的孔数) 为单位来 表示过滤片上孔的数量。国外产品规格已从1 5 、2 0 、3 0 、4 0 、5 0 p p i 发展n 6 0 、7 0 p p i ， 同时还有不少新品种面世，较有前途的一种是s e l e e 公司的复合过滤板。品种规格有 3 0 1 5 0 - 3 0 7 0 p p i 等，复合过滤较普通的过滤板效率高，通过的金属量更大；另一种是 v e s u v i u sh i r e c hc e r a m i c s 生产的新型波浪高表面过滤板，此种过滤板的表面积比传统 过滤板多3 0 ，金属通过量有所增加。国内在9 0 年代初才开始研制生产泡沫陶瓷过滤板， 目前生产厂家众多，规模都较小，由于工业基础差，技术落后等原因，还基本未生产出 规格为4 0 p p i 的产品，而且普遍存在盲孔、通孔较多等缺点，有待进一步提高质量。 对于较高质量要求的制品，发达国家普遍采用双级泡沫陶瓷过滤板过滤，其前面一 级过滤板孔径较粗，后一级过滤板孔径较细，如3 0 5 0 ，3 0 6 0 p p i ，甚至4 0 7 0 p p i 配置等， 西南铝业公司对双磷铝箔、p s 板基、制罐料等产品的熔体也采用 3 0 5 0 p p i s t 叹级泡沫陶 瓷过滤板过滤，自行设计制造的双级保温过滤箱实现了安装一次过滤板可连续生产7 熔 次，大幅度降低了过滤成本。 中北大学学位论文 1 2 2 2 泡沫陶瓷过滤片的过滤机制 使用泡沫陶瓷过滤片的主要目的是清除铝熔体中的夹杂物。夹杂一般是指存在于液 相线温度以上的任何夹杂有氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等，大都以颗粒状或膜状 存在，典型的颗粒尺寸在1 3 0 p m 范围内。除来自炉料外，主要是由于熔化浇注过程中 铝与氧反应所形成的氧化铝、氧化镁、氧化硅等氧化物【4 2 】。 过滤是把熔体流经密堆球体、玻璃纤维织物、金属网、泡沫陶瓷过滤片或其他多孔 介质从而将夹杂物粒子从熔体中分离开来。泡沫陶瓷过滤的优势在于它可以清除直径比 它本身的通孔还小的多的夹杂物粒子。 泡沫陶瓷过滤片通过筛分、饼层、深床过滤这三种机制把夹杂物从熔体中分离出来。 陶瓷过滤片的过滤机制示意图见图1 4 ： 过滤片夹杂物铝渡 ( a ) 筛分模式( b ) 饼层模式( c ) 深床模式 图1 4 陶瓷过滤片的过滤机制示意图 泡沫陶瓷板过滤系统由细密的陶瓷枝干骨架构成的三维连续网状结构，其过滤机理 有三个方面：( 1 ) 筛分：当粒子或其团聚体的尺寸大于过滤片表面孔径时，夹杂物粒子堆 积在过滤片表面，如同筛予一样阻止大粒子通过，传统的玻璃纤维织物过滤即是这种机 理。( 2 ) 饼层：当较大粒子堆积越来越多，在过滤片表面形成一松散的饼层，熔体仍可 通过；随着饼层厚度增加能通过的粒子尺寸则越来越小，愈来愈多的夹杂物就会被捕获 在饼层的表面和饼层内部的空隙。在实际铝合金生产的过滤过程中，进入饼层机制的明 显标志就是观察到铝液的压头逐渐升高。( 3 ) 深床过滤：当熔体流经过滤片时，那些比 过滤片的孔径小的多的夹杂物随铝液进入过滤片后，与构成过滤片陶瓷部分的表面发生 接触，结果导致粒子附着在与熔体接触的表面上在陶瓷过滤片内部，熔体流经的路径蜿 1 2 中北大学学位论文 蜒曲折在小的局部区域内甚至有横流折返的现象，这主要起两个作用：可以大大增加 粒子与过滤介质接触的机会：使铝液的流速和流向变换较快。这就使得铝液中细小的 夹杂物很容易被碰撞后遗留在某一角落而滞留下来，有利于粒子的捕获。对直径较小、 数量不是很大的夹杂物而言，深层过滤机制是最有效的。使用4 0 p p i 的过滤片过滤一次可 清除5 0 的5 i l m 大小的夹杂物f 4 3 】。以上三种机制综合作用的结果，不但可以滤掉铝熔体 中小至1 0 2 0 p t m 的微细夹杂物颗粒，而且还能滤掉用一般过滤介质难以滤除的液态熔剂 夹杂及部分有害的金属元素1 4 4 。 1 3 本文的选题意义和研究内容 随着现代工业的发展，传统铸造铝合金的研究和应用也得到飞速发展，并日趋成熟。 随着对铸造铝合金铸件的需求增大，铸造铝合金的研究和应用将会进一步完善和发展。 通过添加微量钪这一途径，有希望在现有铝合金的基础上开发出一系列的新一代高 性能铝合金材料，诸如超高强高韧铝合金、高强耐蚀铝合金、高强度抗中子辐照用铝合 金等1 4 5 】。这些合金以其优异的综合性能，在航天、核能和舰船工业上将具有非常诱人的 应用前景。由于s c 的价格较贵，增加了合金的成本，严重影响了含钪铝合金的研究，开 发与应用。而采用s c 与z r 等过渡元素复合微合金化是一种十分有效的途径，可保证合金 在具有优异性能的前提下，来达到降低成本和增强增韧的目的。开展a l - s c 系合金的研 究，对发展我国高新技术国防建设用铝合金材料，具有划时代意义。 需要继续研究和开发高性能铸造铝合金材料，特别应在纯化和净化方面展开基础研 究和应用研究。过滤是去除铝熔体中非金属夹杂物最有效和最可靠的手段，可以减少铝 液中气体含量并除去铝液中的部分有害元素、提高铝材的力学性能。 本文的研究主要是针对铸造铝镁合金在组织与性能方面的改善，其研究内容包括五 个方面： ( 1 ) 制定铸造工艺并严格控制工艺制备一系列含s c 、z r 、s i 量不同的a i - m g - m _ n 合金； ( 2 ) 采用正交试验的方法分析研究合金元素对a i - m g m n 合金力学性能的影响； ( 3 ) 采用光学金相显微镜观察分析铸态下的金相组织，采用扫描电镜和能谱观察分析第 二相粒子形貌及其元素成分，并分析过滤与未过滤状态下的氧化夹杂情况及断口形 貌； 1 3 中北大学学位论文 ( 4 ) 探讨合金元素对z l 3 0 3 组织性能的影响及其作用机理； ( 5 ) 研究过滤技术对铸造铝合金组织性能的影响。 通过研究，确定合金的成分、性能和组织之间的关系，弄清单独添加合金元素和复 合添加时对铸造a i m g - m n 合金的作用，为合金的设计奠定理论基础和提供实验依据。 研究过滤技术对合金组织性能的影响，目的在于利用过滤技术来提高合金的性能， 这样不仅扩大了含s c 铝合金的应用范围，而且更能充分发挥合金的潜在优势，为这一新 型高性能铸造合金在我国高科技领域中的应用开辟新途径。 1 4 中北大学学位论文 2 1 合金的制备 2 合金制备和实验方法 大量研究表明，向a 1 m g 合金中加入微量的钪和锆，能使铝合金的再结晶起始和终了 温度大幅度提高，合金的耐蚀性能极大的改善9 】，用钪、锆微合金化的a i m g 系、 a 1 - z n - m g 系、a i c u - l i 系合金被认为是未来有竞争力的航天航空轻质结构材料 5 0 - 5 3 1 。 z l 3 0 3 为不可热处理强化的合金，具有中强度和良好的可焊性、耐蚀性和成型性p 4 】。本 次试验设计的部分合金是针对z l 3 0 3 ，通过添加合金元素的方法和过滤技术来优化其组 织和性能。本实验采用的具体工艺流程如图2 1 所示。 图2 1 工艺路线 1 5 中北大学学位论文 2 1 1 合金成分设计与配料 在查阅有关文献f 5 8 l 和预研工作的基础上，实验合金的成分设计是以合金 z l 3 0 3 ( a i - ( o 8 1 3 ) s i - ( 4 5 5 5 ) m g 一( 0 1 0 4 ) m n ) 为基础，通过添加微量s c ，z r 合金元 素来改善z l 3 0 3 的组织和性能，同时改变硅的含量，来研究硅元素对合金的影响。在本 次实验中钪、锆、硅的含量都要变化，为了科学准确的进行实验，采用正交实验设计法。 这种方法的优点是，能通过代表性很强的少次数实验，摸清各个因素对实验指标的影响 情况，确定因素的主次顺序，找出较好的生产条件或最优参数组合。探讨各元素对强度、 延伸率的影响规律，考察各元素问的交互作用及它们对力学性能的综合影响规律，确定 高强韧铝合金的成分范围；单一合金元素对力学性能的影响。合金的因素水平及名义成 分设计如表2 - 1 、2 - 2 ： 表2 - i 因素水平表 其中铝采用纯铝，镁采用工业纯镁，s c 、m n 、z r 、s i 以砧2 2 3 s e ，a i 1 0 m n , 1 6 中北大学学位论文 a 1 4 1 z r ，a l 。1 2 s i 中间合金的形式加人。合金中各组分的烧损率见表2 - 3 。为了叙述方 便，本文均采用合金名义成分表达。 2 - 3 合金各组分的烧损率 2 1 2 合金熔炼铸造 合金的熔炼、铸造试验在本系铸造工程中心实验室进行。熔炼采用坩埚电阻炉，坩 锅为石墨坩埚。先将纯铝熔化，熔炼温度为7 2 0 。c 7 4 0 。c ，接着依成分控制要求依次加 人各种原材料或中间合金，合金熔化后加入纯镁，然后加入覆盖剂光卤石，待其完全熔 化后进行精炼，采用六氯乙烷除气，充分搅拌静置、扒渣后开始浇铸。 铸造采用金属模铸造，空冷。浇注温度为7 0 0 ，浇注前模具预热至2 0 0