（材料加工工程专业论文）铁相对铸造铝合金组织性能影响及净化方法的研究.pdf

2 0 0 8 年上海大学硕士学位论文 摘要 随着社会的不断进步，制造业的飞速发展，人们对可持续发展材料日趋关注。 铝及其合金具有密度小，比强度高，塑性好，可重复利用，自然界储藏量较丰富 等优点，是可持续发展材料之一。随着国民经济的持续发展，特别是汽车工业的 快速发展，对铸造铝合金的需求越来越大，给铝合金的上游生产厂家增加了很大 的压力。由于国家对电解铝等高能耗企业的宏观调控政策影响，限制了电解铝企 业的扩张规模，从而也从侧面促进了铝合金再生市场的迅速发展。但是铝合金废 料回收时会带入一系列的合金元素，形成杂质元素，在各种杂质中，铁相一直被 认为是铝及其合金制品中最为有害的杂质。铁易与其他杂质以金属间化合物的形 态存在，常见的有a 铁相和p 铁相两种，对铝硅合金有不利作用的主要是0 铁 相。为此需要控制铁相的形貌，去除铸造铝合金中的铁相并达到净化合金的目的。 本文首先应用光学显微镜、万能试验机、x 射线衍射仪( x r d ) 、扫描电 镜( s e m ) 以及相关处理软件研究了不同浸蚀条件对铁相的侵蚀效果，不同铁含 量下铁相的主要存在形态以及不同铁相形貌对铝合金铸件性能的影响，研究发现 使用h 2 s 0 4 ：h 2 0 为l ：4 的硫酸浸蚀剂来浸蚀铝硅合金中的铁相效果较好，浸蚀 时间为1 8 0 s 。随着f e 含量的升高，铁相存在方式由a a 1 8 s i f e 2 相( 四方晶型， a = b = 1 2 4 ，c = 2 6 2 3 ；q = b = y = 9 0 。) 向b a 1 5 f e s i 相( 单斜晶型，a = b = 6 1 2 ， c - - 4 1 5 ；b = 9 1 。，q = y = 9 0 。) 转变，铸件中当含f e 量不同其铁相形貌也不同。 一般说，含f e o 8 时，铸件组织中仅出现鱼骨状的a 铁相。当合金中含f e 0 8 时，a 铁相逐渐向b 铁相转变，铸件组织中易析出针状b 铁相，合金的力 学性能也出现较大的变化，当f e 达到1 o 左右时，合金中仍然存在少量的a 铁相，但基本以针状的d 铁相形态存在，针状的b 铁相极易割裂伐a 1 基体，因 此当f e 含量 0 8 时，合金的力学性能下降较快。 改善铁相的存在形貌，控制铁相形貌使之以a 铁相形式析出的方法主要有 加入中和元素、改变冷速、搅拌等，本文第二部分主要应用光学显微镜、万能 试验机、数据采集系统、电磁搅拌实验平台以及相应的软件，研究了在铝合金中 加入m n ，稀土l a ，钛盐以及冷却速度和电磁搅拌对铁相形貌的影响，发现在铝 2 0 0 8 年上海大学硕士学位论文 合金中按一定的比例加入m n ，l a 或者t i 之后，针状的b 一铁相逐渐向骨骼状的 a 铁相转变，冷却速度对铁相的大小有很大的影响，当冷却速度很小的时候，铁 相长大比较充分。利用电磁搅拌作用力对初生针状富铁相进行搅拌作用并抑制各 向异性生长，从而实现合金中铁相的细化，甚至在部分区域由于铁相的迁移，铁 相的形貌发生了转变。 在改善铁相形貌的同时，如果能在铝合金熔融再生的过程中去除部分铁相， 净化再生铝合金的话，对铝合金再生回收及铝合金相关产业来说意义重大。本文 第三部分主要应用光学显微镜、电磁搅拌实验平台以及t h e r m o c a l c 软件，研究 了在回收铝合金中加入m n 进行重力沉降以及电磁搅拌对去除铁相、净化铝合金 的影响，发现在f e 含量稍高( 之1 0 ) 的铸造铝合金中，按一定的比例加入m n ， 并在较低的温度下( 6 2 0 ) 保温一定的时间( 3 0 m i n ) 后，熔体中的f e 有大部 分沉降到试样的底部。利用电磁搅拌的旋转作用，在较低温度下进行电磁搅拌， 发现圆柱试样的中心和外围的铁相含量出现一定的区别，初生富铁相在电磁力的 作用下旋转并由于离心力的作用而迁移到圆柱试样的外围，为分离铁相、净化铸 造铝合金创造了条件。 关键词：铝合金；铁相；中和元素；电磁搅拌；力学性能 2 0 0 8 年上海大学硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h ea d v a n c e m e n to fs o c i e t ya n dd e v e l o p m e n to fm a n u f a c t u r e ，t h e s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n tm a t e r i a li s p a i dm o r ea t t e n t i o n p u r ea l u m i n i u ma n d a l u m i n i u ma l l o y s ，o n eo ft h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n tm a t e r a i l s ，h a v em a n y a d v a n t a g e s ，s u c ha sl o w e rd e n s i t y , h i g h e rs t r e n g t ht om a s sr a t i o ( o b p ) ，b e t t e rp l a s t i l i t y , e a s i l yr e c y c l ea n da b u n d a n tr e s e r v e s t h ed e m a n do nt h ea l u m i n u mc a s t i n ga l l o yi s i n c r e a s e e dm o r ea n dm o r ea c c o r d i n gt ot h ec o n t i n u i s l yd e v e l o p m e n to fn a t i o n a l e c o n o m y , e s p e c i a l l yt h eg r e a td e m a n df r o ma u t oi n d u s t r y d u et ot h es t r i c tn a t i o n a l m a c r o - e c o n o m i cc o n t r o lp o l i c ya b o u tt h et l i g l le n e r g yc o n s u m i n gi n d u s t r y ( i n c l u d i n g e l e c t r o l y t i ca l u m i n u m ) ，i tr e s t r i c t st h ee x p a n s i o no fe l e c t r o l y t i ca l u m i n u mi n d u s t r y a n da l s op r o m o t e st h ed e v e l o p m e n to f r e c y c l em a r k e to fa l u m i n u ma l l o y t h e r ea r e a s e r i e so fe l e m e n t sb r o u g h ti n t or e c y c l ep r o c e s sa n ds o m eo ft h e mt u r nt oi n c l u s i o n t h ei r o np h a s ei sr e g a r d e da st h em o s th a r m f u li n c l u s i o n i r o ni se a s yt ob ee x i s t e da s t h ei n t e r m e t a l l i c 、析t ho t h e ri n c u s i o n s t h e ya r ea i r o np h a s ea n df l - i r o np h a s ei n g e n e r a l ，a n d1 3 - i r o np h a s eh a sh a r m f u le f f e c to na 1 一s ia l l o y s o ，i ti sn e c e s s a r yt o c o n t r o lt h em o r p h l o g yo fi r o np h a s e ，r e m o v et h ei r o np h a s ea n dp u r i f yt h ea l u m i n u m c a s t i n ga l l o ya n ds oo n f i r s to ft h i sp a p e r , t h ee t c h i n ge f f e c to fi r o np h a s eu n d e rd i f f e r e n te t c h i n g c o n d i t i o n s ，t h em a i na p p e a r a n c eo fi r o np h a s eb yd i f f e r e n ti r o nc o n t e n ta n dt h ee f f e c t o fd i f f e r e n ti r o np h a s e so nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo fa l u m i n u mc a s t i n ga l l o ya r e s t u d i e db yo p t i c a lm i c r o s c o p e ，m a t e r i a lt e s te q u i p m e n t ，x r d ，s e ma n dr e l a t e d q u a n t i t a t i v ei m a g ea n a l y s i ss o f t w a r e i ti sf o u n dt h a tt h ee t c h i n ge f f e c to f v i t r i o l e t c h i n ga g e n c yw i t hh 2 s 0 4 h 2 0a s1 ：4s h o u l db eb e t t e r , a n dt h ee t c h i n gt i m es h o u l d b e18 0 s t h ei r o np h a s ec o u l db ec h a n g e df r o m0 【一a l s s i f e 2 ( s q u a r e ，a = b = 12 4 ， c = 2 6 2 3 ；0 【= p = 丫= 9 0 0 ) t o1 3 - a 1 5 f e s i ( m o n o c l i n e ，a = b = 6 12 ，c - - - 41 5 ；p = 91 ，a = q , = 9 0 0 ) w i t ht h ei n c r e a s eo fi r o nc o n t e n t t h e r ec o u l db e b o n e s h a p e da a l s s i f e 2o n l yw h e n t h ei r o nc o n t e n ti sn om o r et h a n0 8 ，w h e nt h ei r o nc o n t e n ti sb e t w e e no 8 t o1 o ， t h ei r o np h a s ei sc h a n g e df r o mb o n e - s h p e dt on e d d l e s h a p e da n dt h et e n s i l es t r e n g t h a l s ob ed e c r e a s e dg r e a t l y a n dt h ei r o np h a s es h o u l db en e d d l e s h a p e d1 3 - a 1 5 f e s i i w h e nt h en o nc o n t e n ti sm o r et h a n1 o g e n e r a l l y , a d d i n gt h en e u t r a l i z a t i o ne l e m e n t s ，c h a n g i n gt h ec o o l i n gr a t e , s t i r r i n ga n ds oo na r et h em o s te f f e c t i v em e t h o d sf o rc o n t r o lt h ei r o np h a s e r r i o r p h o l o g y a d d i n gm n , r e ( l a ) a n dt i ，t h ee f f e c to fc o o l i n gr a t ea n d e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n go nt h ei r o np h a s em o r p h o l o g ya r es t u d i e di nt h es e c o n dp a r t o ft h i sp a p e rb yu s i n g o p t i c a lm i c r o s c o p e ，m a t e r i a lt e s te q u i p m e n ta n dd a t ac o l l e c t i o n s y s t e m i ti sf o u n dt h a tn e d d l e - s h a p e d1 3 - a 1 5 f e s ii sc h a n g e dt ob o n e s h a p e d n a l s s i f e 2w h e na d dm n ，l ao rt ii na l u m i n u ma l l o y t h ee f f e c to fc o o l i n gr a t eo n t h ei r o np h a s em o r p h o l o g yi sg r e a t ，a n dt h e r es h o u l db en e d d l e - s h a p e d1 3 - a l s f e s i w h e nt h ec o o l i n gr a t ei sv e r yl o w t h es t i r r i n ge f f e c ta n dc o n t r o l l i n go f a n i s o t r o p i c g r o w t hi so b t a i n e db ye l e c t r o m a n g n e t i cs t i r r i n gw i t ht h ee l e c t r o m a g n e t i cf o r c eo nt h e p r i m a r yi r o np h a s e t h ep h a s es i z ei sr e d u c e da n dt h ei r o np h a s em o r p h o l o g yi s c h a n g e df r o mn e d d l es h a p et ob o n es h a p ei ns o m ea r e ab e c a u s eo ft h em i g r a t i o no f i r o np h a s e r e m o v i n gs o m ei r o np h a s ea n dr e d u c i n gt h ei r o nc o n t e n to fr e c y c l e da l u m i n u m a l l o ys h o u l db ev e r ys i g n i f i c a n ti na l u m i n u ma l l o yr e c y c l ei n d u s t r y t h ee f f e c to f a d d i n gm n a n di m p l e m e n t i n gg r a v i t a t i o n a ls e t t l i n g ，e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n ga n ds oo n o nt h ep u r i f i c a t i o no fa l u m i n u ma l l o ya r es t u d i e di nt h et h i r dp a r to ft h i sp a p e r b y u s i n go p t i c a lm i c r o s c o p e ，e l e c t r o m a g n e t i cs t i r r i n ge x p e r i m e n tp l a t f o r ma n d t h e r m o c a l cs o f t - w a r e i ti sf o u n dt h a tm o s to fi r o ni nt h es m e l t i n ga l l o yi ss e t t l e dt o b o t t o mw h e na d d i n gm na n dg r a v a t i o n a ls e t t l i n ga tal o w e rt e m p e r a t u r e ( 6 2 0 。c ) w i t h p r o p e rt i m e ( m o r et h a n3 0m i n u t e s ) t h e r ei sd i f f e r e n c ea b o u tt h ei r o nc o n t e n t b e t w e e nt h ec o r ea n de x t e r n a lo fc o l u m nc a s t i n ga f t e rt r e a t e db ye l e c t r o m a g n e t i c s t i r r i n ga tal o wt e m p e r a t u r e p r i m a r yi r o np h a s ei sr o t a t e db ye l e c t e o m a g n e t i cf o r c e a n dm o v e dt oe x t e r n a la r e ab yt h ec e n t r i f u g a lf o r c e t h a tc r e a t e st h ep o s s i b i l i t yt o s e p a r a t et h ei r o np h a s ea n dp u r i f yt h ea l u m i n u mc a s t i n ga l l o yd u r i n gs m e l t i n g k e y w o r d s ：a l u m i n u ma l l o y ；i r o np h a s e ；n e u t r a l i z a t i o ne l e m e n t s ；e l e c t r o m a g n e t i c s t i r r i n g ；m e c h a n i c a lp r o p e r t y i v 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：k 堕峻日期：2 = 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用 学位论文的规定，即：学校有权保留论文及 送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 2 0 0 8 年上海大学硕士学位论文 1 1 前言 1 1 1 铝及铝合金 第一章绪论 随着社会的进步，制造业的飞速发展，人类物质生活不断提高，出现了资源 和能源逐渐枯竭，生存环境逐渐恶化的严重问题。这迫使人们不断的寻求能够可 持续发展的材料。另一方面，在节能、节材的要求下，材料又向着轻量化方向发 展，以减轻自重、提高功率质量比，达到高速、高效、节能和减轻污染的目的【l 】。 本文研究的铝及其合金就是符合可持续发展的材料之一。 1 ) 铝占地壳总量的8 1 3 ( 质量分数) ，是金属元素中蕴藏量最丰富的元素之 ： 2 ) 铝的重量轻，比重是2 7 ( g c m 3 ) ，与铜( 8 9 9 e r a 3 ) 或铁( 7 9 9 c m ) 比较，约为它 们的1 3 ； 3 ) 比强度好，铝的机械性能不如钢铁，但可以通过添加铜、镁、锰、铬等合金 元素，制成铝合金，再经热处理，而得到很高的强度； 4 ) 易加工，铝的延展性优良，易于挤出中空型材和拉伸加工； 5 ) 耐低温，是理想的低温装置材料； 6 ) 耐蚀性、耐气候性好，铝及其合金，因为表面能生成硬而致密的氧化膜，具 有防腐蚀作用； 7 ) 导热、导电性好，导热、导电率仅次于铜，约为钢铁的3 4 倍。 8 ) 可循环利用，在循环再造时，铝合金所需的能源要远比再造钢铁少。 因此，铝及其合金广泛应用于航空、航天、航海、民用建筑、电力、医疗、 运输车辆等工业领域，成为除钢铁材料外使用最为广泛的基础金属材料。 汽车工业是我国国民经济的支柱产业，因此汽车工业的每一次科技进步，都 会带来显著的经济和社会效益。降低能耗，减少环境污染以及在轻量化制造业方 面，研究开发高性能的材料成为汽车工业、航空航空等工业发展的一个重要课题 2 0 0 8 年上海大学硕士学位论文 之一。因此，汽车轻型化将成为未来汽车发展的方向，所采取的措施之一就是采 用轻质材料。其中铸造铝合金因其具有冶炼工艺简单，铸造性能优良和合适的力 学性能，受到汽车制造企业的欢迎，可采用重力铸造，低压铸造，压力铸造等各 种铸造工艺制造铸铝零件，其中压力铸造工艺可制造表面质量好，尺寸精度高， 成品率高的零部件。铸造铝合金主要用于制造发动机汽缸体，变速箱壳体，离合 器壳体，液压泵体等。发动机部件用铝合金制造轻量化的效果最明显，成为重点 研究对象【2 】。 现在，汽车用铝合金的使用不仅减轻车身的重量，而且轻盈车身带来的好处 是性能表现更好，操控更灵活，除此之外，耗油量亦会大幅下降。据国外一家技 术公司的研究报告称，从理论上来说，只靠减轻车身质量就可以减少油耗的3 1 。因此，如何用质轻的铝和塑料材料来代替目前占汽车质量约7 0 的钢材是 未来汽车面临的重要研究课题，也是汽车工业在发展过程中所必须解决的问题 【3 1 。 1 1 2 铝合金再生及循环经济 国民经济高速发展，特别是汽车工业突飞猛进，压铸生产持续增长，铝合 金的用量剧增，这给铝合金的上游生产厂家增加了很大的压力。由于国家对电解 铝等高能耗企业的宏观调控政策影响，限制了电解铝企业的扩张规模，从而也从 侧面促进了铝合金再生市场的迅速发展，铝合金废料的回收利用具有十分重大的 经济价值和社会意义。 进入2 1 世纪，由于汽车工业的突飞猛进，2 0 0 3 年全国压铸件总产量达到 7 0 8 ，0 6 0 吨，年增长率为1 3 5 ，其中铝压铸件为4 7 4 ，5 8 0 吨，占压铸件总产量的 6 7 4 , 5 】。压铸业的高速发展，为再生铝的生产和经营提供了前所未有的发展机遇。 林帼秀掣6 】提出，在后工业社会背景下，从可持续发展的观念出发，要求改变传 统经济发展模式，发展集约型和资源节约型的经济模式。循环经济是在人类生存 条件平等的基础上，以全社会经济福利最大化为目标，通过控制废物产生和资源循 环利用，维护自然生态平衡，它是同时实现经济利益、环境利益和社会效益的“多 赢经济”。 2 2 0 0 8 年上海大学硕士学位论文 前国家环保总局局长解振华指出【7 】，以社会与自然和谐发展的系统生态学为 指导，通过区域发展战略、社会经济运行模式、公众行为意识等全方位向可持续 发展的轨道转变，实现物质的良性循环和社会经济系统的高效、和谐，从而实现 可再生能源及可再生材料的循环利用，这对于国民经济的发展及人与自然的和谐 发展意义重大。 1 1 3 铝合金中铁相的形貌及对性能的影响 铝及其合金以其优异的性能得到世界范围内的广泛应用。但其杂质的存在， 成为在某些领域中应用的最大障碍【8 9 】。在各种杂质中，铁相一直被认为是铝及其 合金制品中最为有害的杂质。铁易与其他杂质以金属间化合物的形态存在，常见 的有q 铁相和b 铁相两种，其晶体结构分别为六角晶型( 也有认为是立方晶型) 和单斜晶型，q a l s s i f e 2 相通常以汉字状( 或骨骼状) 的形式存在，b a l s f e s i 则以 针状( 立体为板状) 形式存在【1 0 1 。丌m 9 3 a 1 8 f e s i 6 相出现在含镁的合金中，在固溶热 处理过程中会溶入到基体中去。 对铝硅合金有不利作用的主要是b 铁相，在正常的凝固条件下，铁更倾向于以 针状b a 1 5 f e s i 相结晶，又易粗大化。这种针状相对基体会产生割裂作用。添加元 素的加入可以改变铁相的形貌，添加剂元素的不同，形成的铁相也各不相同。当加 入添加剂后，铁相形貌从针状改变成汉字状、骨骼状等形状时，一般文献上仍称为 q 相 1 1 啦】。但其晶体结构是否仍是q 相，添加元素是否在q 相晶格点阵上简单地 取代铁原子，在这些问题上，还不十分明确。关于b 相，几乎大多数文献中一致认为 其金相形貌只有针状( 立体为板状) 一种，但a n a n t h anl 等【1 3 】也发现经热处理以后， 也能成为粒状。 所谓q 相和b 相是从相图角度来说的，它们对应着一种成分构成和晶体结构； 而针状相和汉字状相则是从微观形貌区分的。常常把它们等同起来是由于q 相常 以汉字状出现，而b 相常以针状相出现。但b 相并不总是以针状出现，q 相除了汉 字状以外，还会有鱼骨状、星形、多边形、块形等，尤其在经均匀化热处理后，单从 形貌更难区分 1 1 , 1 2 】。当a 1 f e s i 中加入其它元素后铁相的确定就更复杂。虽然一 般仍能从形貌上区别q 相或者b 相，但实际上组元成分的变化也会产生相结构的 3 2 0 0 8 年上海大学硕士学位论文 变化。如在加铍的合金中出现的多角形相，早期依旧把它们称之q 相，而现在经测 定，发现它同q 相有完全不同的相结构【1 4 1 。 室温时，铁在铝中的溶解度很少。在铸造铝合金中，铁含量一般在0 2 - - - - 1 o 的范围内，因此，大部分铁通常以化合物形态存在。最常见的针状化合物形态如 f e a l 3 ，f e s i a l 5 或称t 2 相掣1 5 】，它们随着铸件截面的增厚，铸造冷却速度的递降，可 以长得非常粗大：反之在薄壁的压铸件中由于结晶凝固速度快，铁相呈细小高密度 针状形态分布。它们割裂了金属基体的连续性，使力学性能严重恶化。因此，铁是 铝合金中有害的杂质元素，其含量必须严格加以限制f 1 6 1 。 不论采用何种铝合金，几乎所有生产厂家都把f e 当作铝合金的有害杂质加 以控制。这是由于f e 在铝合金铸件中能形成粗大的针状铁相或其它形状的铁相， 它们都会降低合金的机械性能。其中，尤以针状铁相危害最大。 1 2 国内外对铝合金中的铁相的研究现状 刘伏梅等发现，以针状存在的铁相对合金的力学性能非常有害，而以汉 字状存在的铁相其有害作用表现就不明显。m u r f l is 等【1 8 之0 1 指出在正常凝固条件 下，铁更倾向于以针状相结晶，而且这种针状的铁相又易粗大化。针状铁相对合 金力学性能的影响程度，与合金的含铁量有关。只有当含铁量增加到使针状铁相 的数量和尺寸达到一定程度时，才开始对合金的力学性能起作用。 在生产工艺不变的情况下，合金中不同的含f e 量其影响亦不同，一般说，含f e o 6 时，铸件组织中仅出现鱼骨状的q 铁相( a 1 8 s i f e 2 ) ；当合金中含f e 0 6 时， 铸件组织中易析出亮白色的b 针状铁相( a 1 5 f e s i ) ；但铁相的变化绝不仅仅受含f e 量高低的影响，有时合金中含f e 量很低，也可能析出针状铁相 2 l 】，这就说明它变化 的原因是很复杂的。 1 2 1 各合金元素对铁相的影响 铝硅合金中的各合金元素含量的比例以及百分数的大小对于铁相的形貌具 有很大的影响。 4 2 0 0 8 年上海大学硕士学位论文 1 硅含量的影响 k h u d o k o r m o v 等【捌指出在同样的铁锰含量下，由于含硅量的不同，铁相的形貌 有很大的差别。对于高达1 4 的含铁量，按铁锰比为2 加入0 7 的锰。在冷速 6 s 的微观组织中，铁相基本上以q 一铁相形式出现。但同样是q 一铁相，两种样 品在形貌上有很大的区别。对亚共晶合金，a 一铁相形成一种细密的树枝状结构， 它实际上就是所谓的鱼骨状，只是由于铁锰含量较高，组织更为致密。在共晶合金 中，q 铁相则长成为粗大的骨骼状，这是一种初生铁相。 不同的含硅量导致铁相形貌如此大的区别，无疑是由于两种铝硅合金凝固模 式的不同造成的。对共晶合金而言，熔体在共晶温度点凝固；对亚共晶合金，熔体在 液相线温度开始析出初生q 一铝，该液相线温度随含硅量的降低而升高。反映在 对铁相凝固行为的影响上，共晶合金中，初生铁相一旦形核，在熔体发生共晶凝固 前，具有更多的自由生长时间；而亚共晶合金，在初生铁相析出长大过后的生长过 程中，初生a 一铝树枝晶的形成，将阻碍铁相的自由生长。随后，q 一铁相与初生q 一铝树枝晶开始一种共生生长关系，形成细密的树枝状a 一铁相，这实际上是a 一 铁相与q 一铝的二元共晶组织 2 3 1 。因此，亚共晶铝硅合金中初生铁相的大小，与铁 相形成温度和初生q 铝形成温度差值的大小有关。当初生q 一铝形成高于铁相形 成温度时，就不易产生初生铁相。 印飞等【2 4 】指出，对低含铁量合金，只要把铁相结构从b 一相改变成d 一相，由 于铁锰含量都较低，通常以细小的汉字状或骨骼状形式出现，弥散分布在三元共晶 组织中，能明显减轻其有害作用。而当含铁量较高时，即使铁相以q 一相晶体结构 析出，在共晶合金中也易形成粗大的初生铁相，影响合金的机械性能，此时，对铁相 控制的要求也就更高。从微观组织结构来看，亚共晶合金中形成的存在于q 一铝 树枝晶中细密的树枝状铁相，与针状铁相相比，对合金性能的影响较小，甚至可以 作为铝硅合金初生a 一铝基体的强化相，但初生铁相的存在仍将恶化合金的机械 性能。由于含硅量降低将提高初生a 一铝析出温度，若进一步降低含硅量，应可避 免初生铁相的析出。 5 2 0 0 8 年上海大学硕士学位论文 2 锰含量的影响 在生产中，人们经常加入金属锰来中和f e 的害作用。a w a n oy 掣2 5 2 6 1 指出锰 是中和铁有害作用的有效元素，添加适量的锰可使针状铁相改变结晶形态为汉字 状、鱼骨状和花卉状等等，从而在一定程度上改善合金的力学性能，消除脆性。汉 字状、鱼骨状、花卉状等铁相a 1 8 s i ( f e m n ) 2 或a l s s i f e 2 即t1 相结晶形态，在各 种有关书刊和金相图谱中已为大家所熟悉 9 1 。为了充分发挥m n 元素对f e 有害 作用的中和作用，在实际运用中应特别注意原料的加料顺序和加入m n f e 的比例， 因地制宜适时调整有关工艺参数。锰能抑制针状铁相的析出，因此在实际运用中 常作为平衡铁的中和元素。 1 2 2 改善铁相存在形貌 从文献资料来看，控制铁相形貌使之以a 一铁相形式析出的方法主要有：加入 中和元素、熔体高温过热、改变冷却速率等 2 7 - 2 9 】。 l 加入中和元素 中和铁相是指加入特定的合金元素，通过促使汉字状等形态的a 铁相组织的 生成来抑制片状铁相的生成，并以此来改善合金的强度、塑性和物理性能等。可 以作中和剂的元素很多，最常用的是锰，其次还有钴、钼、铬、铍、硫等 2 7 1 。这 些元素都能不同程度地把针状铁相改变成为汉字状铁相。加锰能大大减少p 一铁 相的数量和尺寸，甚至使p 铁相完全消失。一般而言，锰的加入扩大了a 一铁相 区，使得即使在铁含量较高的情况下，汉字状的a 铁相也可能出现。当合金中含 锰时，a 一铁相是稳定相；对a 1 f e s i 三元合金来说，u a 1 8 s i f e 2 是准稳定相；对 a i m n s i 三元合金来说，a 1 1 2 m n 3 s i 2 是稳定槲2 9 1 。一般来说，抵消铁有害作用所 需的锰量没有定论。在a 1 s i 合金中，当w ( f e ) 1 5 ，添加w ( m n ) = o 5 可抑制 p - 铁相生成。当w ( f e ) 1 o 时p 铁相所引起的脆性。在a 1 s i 8 c u 3 合金中，按m ( m n ) ：m ( f e ) = ( o 6 , - - , 0 7 ) ：1 添加 锰，可提高合金的强度和延伸率，但降低了合金硬度。总之，通过适当添加锰， 可以逐渐减少p 铁相粒子的数量和尺寸，直至根本不出现b 铁相。 6 2 0 0 8 年上海大学硕士学位论文 钴的作用与锰相似，但加入量要稍高，以促使富铁相成球形。由于钴的凝固 偏析系数很小，所以，钴所产生的合金性能优于锰。在a i 7 s i 0 3 m g 合金中， 铬也能使粗片状的p a 1 5 f e s i 转变为汉字形貌的a a 1 3 ( f o ，c 0 4 s l d g 铁相【3 0 】。 在已知的一些对铁相形貌有改善作用的元素中，铍的加入量只需锰的十分之一。 加入或者同时加入铍和锰铬，可大大减少中和元素的总加入量，同时，也减少了 形成富铁中间相的型2 6 1 ，然而钼和铍的价格都较昂贵，选用这类元素作为添加剂， 会增加生产成本；另外，铍还是一种有毒元素，虽然铸件中铍的使用量远不会对 人体造成有害影响，但考虑环境保护和身体健康等因素，还是应该限制其使用。 稀土元素具有抑制铸造铝硅合金中粗片状富铁相出现的作用，且不同稀土元 素的作用是不同的。稀土元素的抑制作用是由于稀土元素可与铁、硅、铝生成多 种金属化合物，分布在共晶组织中，减少了独立生成针状铁相的可能性，并使己生 成的针状铁相细化【3 1 彤】。不同稀土抑制作用不同其原因可能与原子序数及价电 子层结构有关。稀土含量低时可抑制针状铁相，稀土含量大于一定量就会生成针 状的1 3 铁相，该针状相的长度随稀土含量的增加而增加【3 6 , 3 7 1 。 2 熔体高温过热 浇注前使熔体过热能减少富铁相的形核核心。在低的熔化温度下形成的丫 ( 舢) 相( 形成温度t 一 7 5 0 c ) 是d 一铁相的形核核心。而在充分过热的条件下，丫 ( a 1 ) 相就转化为0 【( 舢) 相，从而抑制p 铁相的出现【3 8 3 9 1 。李双寿等 4 0 h h 发现，随着 合金熔体过热度的增加，铸件中富铁的金属间化合物颗粒变得精细。熔体过热改 变铁相在很大程度上还依赖于其他因素，如合金成分、冷却速率等。含硅量低、 含有镁或冷却速率不够快，都有可能降低过热作用的影响。同时，还要注意，熔 体过热也会带来一些负面影响：当熔体过热到较高温度时可能会引起合金元素的 烧损、吸气甚至影响炉体的使用寿命：较高的熔体温度会使熔炼操作过程更易增 铁。 3 改变冷却速率 适当的冷却速率与添加中和元素的作用类似，都是通过提高临界铁含量来 阻止p 铁相的形成【4 2 1 。3 - 铁相为平衡凝固的产物。增加冷速，可以控制铝硅合金 7 2 0 0 8 年上海大学硕士学位论文 中的铁相生成准稳定相a a 1 8 s i f e 2 。 i g l e s s i s 4 3 】在解释三元a 1 s i f e 合金中稳定相和准稳定相的生长过程时，从生 长过冷度的角度出发，认为准稳定相和稳定相所需的过冷度t g 的大小决定了某 一相的生长优势，在凝固过程出现过冷时，先满足过冷条件的相将首先形成。 l a n a n a t h a 等【1 3 1 却认为，任何化合物的结晶，都必须考虑形核过冷和生长过冷，只 有当总的过冷，即形核过冷和生长过冷之和超过某临界值时，q 相才形成。反过来， b 相将在临界总过冷度之下形成。i g l e s s i s 只考虑生长过冷当然不够全 面，l a n a n t h a 把形核过冷和生长过冷之和作为一个整体考虑，似乎也有问题。形 核过冷与生长过冷是二个相互独立而又相互依赖的参数，当它们独立存在时，分别 具有明确的物理含义，而当把它们加在一起，所代表的意义就变得不够明确。当合 金处于某一过冷度时，一个相是否能够形核，取决于t n ，能否长大，取决于t g 。 若形核过冷小于生长过冷，表明该相易于形核但不易生长，形成的核心不一定能长 大；若形核过冷大于生长过冷，表明该相易于生长而不易形核，只要核心形成，晶体 就能长大。因而最终在非平衡状态下生成的铁相是准稳定相q 相，还是稳定相b 相，应该是准稳定相的t g 和t n 的较大者与稳定相的t g 和t n 中的较大者 进行比较，谁所需的过冷大，谁就更难生成。 其它关于过冷度的看法，有一点与l a n a n a t h a 的观点相一致的，即形核过冷 是一个较重要的量。从冷却曲线上可看到，随冷速或过热温度的提高，b 相的结晶 温度降低【4 4 1 。当然单从这一点，还难以令人相信形核过冷的重要性，因为冷速和过 热温度的提高，同样也会对生长过冷造成影响。 4 其他方法 上述的方法主要是在f e 元素超标的铝合金中首先加入m n ，c r 等中和元素， 以形成密度大( 相对于熔体) 的初生富铁相，然后根据密度差采用沉淀法、离心 法、或过滤法从熔体中去除初生富铁相，从而达到去除有害元素f e 的目的。或 者是利用过冷度的影响来改变初生富铁相的形核长大过程。 毛卫民 4 “7 1 等根据电磁分离的原理，尝试利用电磁搅拌的方法来替代传统的 机械搅拌，电磁搅拌对合金第二相的影响主要缘于电磁场引起熔体的旋转运动， 8 2 0 0 8 年上海大学硕士学位论文 熔体中固相和液相受到电磁力的作用从而实现合金组织细化，从而从一定程度上 改善铁相的形貌，特别是针状的1 3 铁相的晶粒大小。 1 2 3 除去铝合金中铁相的研究 有两种途径可以减轻或降低富铁相的有害影响一是避免长针状富铁相的产 生，让富铁相多以小球块的形态出现；二是设法降低铝及其合金中的铁含量，从根 本上杜绝此种有害的富铁相的出现 4 8 1 。 直接将f e 分离出来是一个理论上的好办法，1 9 5 4 年，美国的a k o l i n 和 d p a t e l 4 9 , 5 0 1 首先从理论上分析了磁场作用下通电流体中球形颗粒的行为。如果颗 粒导电率或导磁率与周围流体不一致，则颗粒将受到来自周围流体的挤压力作 用。在该挤压力作用下颗粒将产生迁移运动。随着周围流体所受电磁力的增大， 颗粒迁移速度也将大大增加，因此可利用这种现象来实现颗粒与流体分离。 为了寻找更有效的除f e 方法，j o o n p y o up a r k 5 1 】等开始采用电磁过滤法去除 铝合金熔体中的初生富铁相，该方法利用电磁铁产生稳恒磁场，并在熔体中通入 直流电，使两者交互作用产生电磁力。当熔体流过磁场时，不受电磁力作用的富铁 相向垂直流动方向的一侧偏移，即与熔体分离。电磁分离具有效率高、无污染和 稳定等特点。 由于杂质颗粒的形态对于电磁净化效果有很大影响，所以对杂质颗粒形貌的 研究和控制具有重要的意义。电磁分离效果取决于电磁力体积密度、熔体与颗粒 在磁场中被磁化而受到的磁场力的差异，此种分离类似于重力分离，电磁力和磁场 力成为分离驱动力5 2 , 5 3 】。 1 3 课题研究的目的和意义 铝不但蕴藏丰富而且具有密度小，塑性高，比强度( 6 d o ) 高等特点，此外在 其表面能形成致密的a 1 2 0 3 保护膜，因而在空气或是其他介质中具有良好的耐蚀 性能，因此被广泛应用于电力系统、汽车、航空航天等领域【州。 随着铝合金的应用越来越广泛，铝合金再生回收成为一个铝合金的一个重要 来源。但是由于铝合金再生回收的原料种类多，来源杂，在再次熔融冶炼的时候 9 2 0 0 8 年上海大学硕士学位论文 势必会带入大量的杂质元素，并且铁相在合金中有很明显的遗传性 5 5 1 。 目前，生产的铝硅合金的允许含铁量较低，生产中除要避免铁相以针状析出 外，更不允许有初生铁相的出现。而研究者把含铁量o 8 1 2 做为合金中铁 含量的敏感成分区间，从已有的研究成果，还很难确定对铝硅合金中的铁含量应 该作什么样的限制。提高铁的允许含量可提高材料的利用率，铁含量增加又会出 现针状铁相并限制材料的应用范围，如何尽量确切的界定铁含量的成分区间，并 且有效，经济的减小铁相的影响，提高铁含量的上限，成为一个亟待解决的问题。 而在铝合金中去除f e 特别是在回收铝合金中去除f e ，从而达到净化铝合金的目 的，将大大提高铝合金的产量，提高回收铝合金的产量，对资源再循环利用意义 重大。 1 4 本论文主要研究的内容 近年来铝合金在车辆上的使用受到广泛的重视，替代其它的材料( 如钢、塑 料等) 用作汽车零部件，成为地铁、列车、轻轨、高速列车等轻量化、现代化的 有效途径，并且在航空航天等其他产业也得到