稀土在铸造铝合金中的作用.pdf

热 加 II艺 2 0 0 1 年第5 期 综 述 3 7 稀土在铸造铝合金中的作用 Ef f e c t o f Ra r e Ea r t h i n Ca s t i n g Al u mi nu m Al l o y 赖华 清 徐 翔 范 宏训 湖北汽车 工业 学院 材料工程 系 湖北 十堰 4 2 0 9 2 摘要 综 述了稀 土在 铸造 铝台金 中的作用和应用概况 指出 稀土添加在铸造铝台金中可 以起到细化组织 挣化 焙体 减少气体和夹杂物音量 降低台金线膨胀 系数 提 高台 金常温 和高温力学性能等多方面的 良好作用 关键词 稀 土 铸造铝台金 作用 中囤分 类号 T G2 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 1 4 2 0 0 1 0 5 0 0 3 7 一 明 稀 土在铸 造 铝合金 中的应 用 国外 开展 的较 早 如 德 国在二 战期 间就 研制 了 四种 稀土铝 合金 用于制 造 发 动 机 内燃 机 的复杂 零件 我 国在 这方 面的研究 和应 用 始于 2 0世纪 6 0年代 虽然起步较晚 但发展较快 从 机 理研 究 到 实 际应 用都 做 了大量 的工 作 已经 取得 了 一 些成果 1 稀土对铸造 铝合 金的变质作用 根据 最新 观 点 1 铝合 金变 质 处理 大致 可分 三类 第一类 是 晶粒 细化 处 理 主要 用来 细化 A1 晶 粒 第 二 类是 共晶体 变质 主要 用 于 铝硅共 晶合 金 第 三类 是 改善 杂质 相 组织 或 消 除 易溶 杂质 相 如 改 变粗 大 富 铁 相等 1 1 晶粒 细化 作 用 铝合 金 晶粒 细化 最 有 救 最实 用 的方法 是 舔 加 宙 B T i 等元 素 的 中间合 金 细 化 剂 除最 常用 的 Al Ti B 中间合 金 外 目前 稀 土元 素 的晶粒 细 化 作用 逐 渐 引起 人们的重视口 叫 文献 4 指 出 Al T i B中间合金中配 人 适量 的 R E 可 有效 地 抑 制细 化 衰 退现 象 其 原 因 是 稀土 元素 的表 面活 性作 用能 降低 铝 熔 体 的表 面 张 力 增加 铝熔 体 对 硼 化物 Ti B 的湿 润 性 增 大铝 熔体 在 硼化物颗 粒 表 面上 的铺展 系 数 既 能使 T i B z 的异 质 形 核作用 充分 发挥 又 能 防止 T I B 的 聚集 沉 淀 从 而 延 缓衰退 此外 稀 土本身 也能 够细 化晶粒 R E与 铝及 铝 中 的 F e S i 等 可形 成 高 熔 点 的细 小 化 合物 这 些化 合 物能起到非 自发形核的作用 使晶粒得到细化 1 2 对初 晶硅 细化 作用 高硅 铝合金 中初 晶硅 的细 化一般 都是 采用 加磷 处 理 现多 以磷铜 中间合金 或磷 盐 的形式加 入 魏 伯康 等 人 的研 究 结果 证 明 了 R E 对初 晶 硅 的 细 化作 用 高 硅铝合金 中加 入微 量 RE 0 0 2 初 晶硅形态 开始 发 生变化 出现孪 晶缺陷 并开始由规则八面体向不规则 多面体 转 化 加入 量 至 O 1 后 初 生硅形 态 发生 急 剧 变化 由多面 体型 向长 条形 并 随着 R E 量的增 加 进 而 向分枝生 长方 式转化 随着 R E 的增 加 初 晶硅数 目 增 加 尺 寸减 小 R E 达到 O 5 时 细 化效 果 最好 初 晶硅 可细化 至 5 0 u m 以下 但也 有研 究结 果认 为 稀 土 对初 晶硅 的细化 作用很 小 甚 至无变 质 作用 孙 宝德等 指 出 j 仅 仅加 入稀 土元 素 L a Y 不能 细化初 晶硅 尽 管 对稀 土 细化 初 晶硅 的作用 有分 歧 但 在磷 细化初 晶 硅 的基 础 上稀 土 可进 一 步 细 化初 晶 硅 的 认识 上 大家 意 见基 本 一致 所 以稀 土在 高 硅铝 台 金 中 的应 用 基本 上 是 与磷 复 合 构 成 双 重 变 质 剂使 用 以弥 补单 独 加 磷不 能 同时 细 化初 晶 硅 和 共 晶硅 的缺 点 这 在 高硅 铝 活塞材料 上得 到 了相 当成功 的应用 1 3 对共 晶体 变质作 用 长期 以来 铝合金 一 直采 用钠 盐作 变质 剂 钠 变质 有效 期短 且 腐蚀 设备 污染 环境 后 来发 展了 以 S r 为 代表的长救变质剂口 但 s r 会增 加铝 合金的畈氢倾 向 同时 S r的价 格较 贵 应用 受到 限制 近年来 关 于 稀 土对铝硅 合金 变质作 用 的研 究和 应 用 的报道不 断增 多 充 分 肯 定 了 稀 土 元 素 对 共 晶 硅 的 良 好 变 质 作 用 j 李 道韫等采 用 A1 一 R E 中间合金对 铝硅 共晶合 金进 行变 质处理 结 果表 明 微 量 R E可 使铝硅 共 晶 合 金获得完 全变 质组织 R E变质 具有 比钠盐变质 更好 的长 效性 及 重 熔 性 变 质 后 高温 保 持 4 h 重 熔两 次 时 变质作 用基本 不衰退 张启 运等 研 究 了摹一稀土 元 素 及混合稀 土对 共晶铝硅 合金 的变质 数果 l 发 现 E u 具 有最强 的变质 能力 La次之 C e P r Nd和混合 稀 土 的变质能力 稍低 于 L a 稀 土元 素 的变 质能力 随原子半 径的减小而迅 速降低 到 E r Y 已基本不具有变质能 力 RE的变质作 用对 冷速 敏感 适用 于 金属型铸 件 多 数 研究认 为 R E 的适 宜加 入 量 为 O 8 1 2 此 时 共 晶硅 由粗针 状 细 化为 短 杆 状或 球 粒状 变 质后 抗 拉 强 度 可 增 加 1 5 2 0 相 对 延 伸 率 增 加 1 5 2 0 收稿 日期 2 0 0 1 0 4 2 4 作 者 简 介 赖华 请 1 9 6 4 胃 江 西 大 余 硕 士 剐 教攫 维普资讯 3 8 REVI EW Ho t Wo r k i n g T e c h n o l o g y 2 0 0 1 No 5 倍 R E加入 量过 高共 晶硅 反而粗 化 但 当合 金 中含有 Mg时 随 Mg量 增 加 达到 完全 变质 所 需 的稀 土 用量 会 急剧 减少 因为 Mg对 稀 土 的变质有激 化作 用 稀 土 除 了以 中间 合金 形 式 加入 外 人 们还 研 究 了以稀 土 盐 如 氯化稀 土 和碳 酸 稀 土 进行 变 质处理 的技 术 一 稀 土盐 变质 比 中间合 金 变 质具 有 稀土 加 入 量少 工 艺 简便 变 质效 果 好 生 产 成本 低 稀 土元 素不 易 产 生偏 聚等 优点 值 得推 广应 用 1 4 改善 富铁杂 质相 作 用 文 献指 出 对含 有 较 高铁 的 铝硅 合金 采 用 单一 加 锰 的办 法 不 能完 全 消除铁 的危 害 虽 然锰 能 使粗 大 针 片 状 富铁 相 Al F e S i 转 化 为 团块状 的多 元化 合 物 A1 S i Mn F e 但 这 种 化 合 物 还 比较 粗 大 影 响 了性 能 的 进 一步提 高 稀 土 能够 细化 加锰 时形 成 的团块 状多元 化合物 而且稀 土 本身 也 有一定 的 去铁作 用 在 含有较 高铁的铝合金 中形成 C e F e z A1 和 L a F e 2 A 1 0 球状三元 化合物 这些化合物 相密度 较大 容易沉 积在坩 埚底 部 采用 0 6 Mn和 0 4 0 5 R E联合处理的方 法 可 以将 含铁 1 1 o H 1 3 0 的 Z I 1 6合金 的力 学 性 能 提 高 到 原合 金 不含 铁 时 的 水平 说 明 Mn RE联 合处 理 对消 除铁 的危害作 用 最有效 2 稀土对铸造铝合金 的精炼作用 2 1 除气 作 用 铝 合金 具 有 强烈 的吸 氢特 性 存在 于 铝合 金 中的 气 体 氢 占 8 5 以上 溶 于铝 液 中 的氢 是造 成 铝 合 金 针 L 缺 陷 的主要原 因 如 何 去除 铝液 中的氢 是人们 普 遍 关注的问题 文献 1 7 的研究 结果表明 稀土金属 L a Y R E 及 氯 化稀 土 R EC 1 加 入 铝液 后 可 使 铝 液 中氢含 量 明显减 少 针孔 率降 低 在 最佳 去氢工艺 条 件下 用 0 2 0 3 的稀 土金 属 或 0 4 0 5 的 氯 化 稀 土对 铝 液 进 行 去 气 处 理 可 以 达 到 或 超 过 用 Z n C I 0 3 及 C C 1 0 6 的去氢效果 文献 1 8 对混合稀土与常用精炼剂在铸铝合金 中去氢效果进行 了对 比 结 果如表 1 所 示 表 中数据 表 明 加入 0 2 0 3 混 合 稀 土后 可使 铝 合金 液 含 氢 量 降 低 2 6 表 1 混合 稀 与常用精炼剂在铸铝合金中去氢效果的对 比 6 O 对于 铝 硅合 金 随 着 含 硅量 的增 加 结 晶 区 间缩 小 稀土 的 去 氢作 用 逐渐 增 强 稀土 在 共 晶成 分 的 Al 一 1 2 5 S i 合 金 中去 氢效 果最 佳 最 大去 氢率 为6 0 5 去 氢效果优 于 C C l 和无毒精 炼剂 与稀土 对含 氢量影 响的变化 趋势 相 对应 在铝 硅 合金 中加入 适量 稀 土后 可 使在 残 压 减压 及 定 向凝 固条 件 下 的 针孔 率 和 L 隙 度 显 著下 降 当加 人 0 3 的 RE时 常 压下 的针 L 率 可降低 5 5 5 8 6 9 减压下 L 隙度可降低 6 9 7 8 3 0 导致 铝液 中 氢含 量 的减 少及针 L 率 降低 主要 原 因 是稀 土具 有 固氢 作 用 稀 土 与 氢 有很 大 的化 学 亲 合 力 在 高 温 下 极 易 与 氢 作 用 生 成 RE H R E H 等 稳 定 的氢化物 这 些稳 定 的氢化 物弥散 分布 于铝 液 中 使 得铝液 中游 离 氢的含 量 降低 而 随着 温度 的降低 这 些 以化合 物状 态 存在 的氢 并不 会 聚集 和生成 氢 气泡 此 外 稀 土是 表 面话性 元 素 能 使铝 液表 面张 力 降低 和流 动性提高 从而减小上浮气泡 的临界尺寸 使气泡被液 固界 面 推 开上 浮 逸 出 的 可能 性 增 大 这 是稀 土 降 低针 孔率 的另 一原 因 2 2 除 氧化 夹 杂作 用 铝合金 铸 件 中主 要 的 氧 化夹 杂 是 A 1 Al O 的 化学 稳 定 性极 高 熔 点高 达 2 0 1 5 1 5 C 在 铝 液 中不易 分 解 更 为 严重 的是 这 种 表面 粗 糙 带有 众 多缝 隙 的 一 A l o s 会 吸 附大 量氢 吸附氢 的 一 Al z o 又是温度下降时气泡形核的现成基底 所 以当铝合金 中 A l o 较多时 铝合金 的针孔率也随之增加 除气 必 须 除杂是 铝合 金 液精 炼应 遵 循 的原 则 表 2为在 Al 一 4 C u合金 中加入 常用精 炼剂 和加入适量富铈混 合 稀土后 夹 杂物降低 效果 的对 比 结 果表 明 当稀 土 加 人量 为 0 3 时效 果 最佳 优 于 C C l 及 铝合 金无 毒 精 炼剂 的效 果 表 2 稀土及精炼剂对 A I 4 C u中夹杂物相对 的彤响 圭 塑 苎 圭 l 曩 蔷 萼 童 地丛 稀 土加入铝液 后可 发 生下列 反应 2 RE AI 2 03 一 2 A1 RE2 O 3 从热 力学上讲 在 标准 状态 下 稀 土元 素 均能将 一 Al o 中的 A l 还原出来 使 Al 0 夹杂物明显降低 而反应生成物 R E 0 的密度和熔点很 高 在熔池 中迅 速沉降并淀积 富集在坩埚底部 从而显著减少铝液 中 氧化夹杂 和氢 的含量 3 提高耐热性和降低线膨胀 系数 为提高铝合金的高温强度 通常做法是在其 中加 维普资讯 热 加 I I 艺 2 0 0 1 年 第s 期 综 述 3 9 人镍 但 近年来 的一些研 究结 果 发现 加镍 对 铝台 盒高 温性 能并 无显 著 提高 并且 镍在 我 国属 于稀 缺 资源 价 格 昂 贵 在 多 元 铝 台 金 中 加 入 少 量 稀 土 能 生 成 AI 8 Cu Ce AI 4 Cu B Ce Mn Ce AI L a AI 等 高 熔 点 化 台 物 这些化 台 物在 高 温下很 稳 定 成 为 铝台金 中的 热强 相 呈弥散 分 布并 与基 体 牢 固结合 起 到强化 和 稳 定晶 界 的作用 延缓 合 金元 素在 高 温下 的扩 散速 度 从 而提 高 铝合金 的高 温强 度和耐 热性 据 报道C z a 添 加 0 5 o 1 5 RE的共 晶 铝硅合 金 6 6 1 与 不含 稀土 的共 晶 铝 硅 台 金 S A E3 2 8 相 比 高 温 3 0 0 C 强 度 提 高 了 3 3 高 温持久 强 度 3 0 0 C 1 0 0 0 h 提 高了 4 4 在 2 5 4 0 0 时 C e L a P r的 线膨 胀 系数 分 别 为 6 7 i 0 7 6Xi 0 8 5 1 0 6 而 铝 在 2 O i 0 0 C时 线 膨胀 系数 为 2 3 6 X1 0 由于稀 土 元素线膨 胀 系数 比铝 的小得 多 铝台盒 中加人 0 5 1 5 稀土可 降低其线膨胀系数 这对于诸如内燃机活 塞等在 高 温下 工作 并对 尺寸 稳 定性 有严格 要求 的零件 来说 是 十分 有益 的口 表 3为两 种过 共 晶铝 活塞 台金 性能 比较 1 可 以看 出 我 国开发 的 7 6 1 合 金 含稀土 在 2 0 0 时 的线 膨 胀 系 数 和 3 0 0 C时 的高 温 强 度 等性 能指 标均优 于德国 同类合 金 KS 2 8 0 含 镍 表 3 两种过共昌铝 硅台金性能比较 主要成分 o 9 0 0 线膨 高温 3 0 0 C 音 金 牌 号 数 1 0 叫 l 拉强度 MP a 61 中国 3 0 2 g S i 1 o 1 6 R E 1 9 5 1 6 6 l i 0 0 i i 0 K S 2 8 0 德国 9 0 3 2 S i 1 4 41 6 N i 1 1 7 5 41 8 5 l 9 3 i 0 0 4 结语 以上所 述 稀 土添 加在 铸 造铝 台金 中 可 以起到 细 化 组 织 净化 熔 体 减 少 气 体 和 夹杂 物 含量 降低 线 膨 胀 系 数 提高 台 金 常 温 和高 温 力 学 性 能等 多 方 面 的 良 好作用 更 具意 义 的是 稀 土对铝 熔体 的舔 加处理 工艺 过程 不会 对环境 造成 任何 污染 我 国稀土 资源 丰富 加 速 开 发稀 土 在铝 台 金 中的 应 用 更 好地 发 挥 我 国 的 资 源优 势 将对经 济建 设起 到推 动作 用 笔者认 为 今后还 需 在 以下几 个方 面做进 一 步 的工 作 1 研 究开 发稳 定 可 靠 的稀 土处 理 工 艺 如稀 土 的 最 佳添 加 方 式和 加 入 量 最 佳处理 温度 如何 使 稀 土不发 生 微观 偏 聚 以得 到 均 匀 的组 织 等 2 开 展 基 础 理论 的研 究 工 作 进 一 步 弄 清 稀土 对 铝台 金 的作 用 机 理 并 将 所 得 理 论用 于 指 导 生产 3 研究 改 进 铝 稀 土 中 间台 金 的 生 产方 法 降 低 生 产成本 提 高收得率 并 形 成标 准化 系列化 产 品 打 消稀土推 广应 用 的障碍 4 加强 现 有研 究成果 的应 用 推广 工作 以尽快 转化 为生 产力 参 考文献 1 陆文华 等 铸造台盘及其熔炼 M 北京 机械工业出版社 1 9 9 7 2 季双寿 等 J 特种铸造及有色合盒 2 0 0 0 1 2 3 3 韩芳洲 J 轻舍金加工技术 1 9 9 3 5 6 4 方旭升 J 特种铸造及有色音盘 1 9 9 6 2 1 8 5 魏伯康 等 J 特种讳造及有色台盘 i 9 9 3 3 6 6 孙宝德 等 j 上梅变通大学学报 1 9 9 9 7 7 9 5 7 赖华清 等 j 汽车科技 1 9 9 8 2 1 7 8 申以重 等 j 内燃机工程 1 9 8 3 2 1 9 3 盘大 等 口 特种铸造及有色音盘 1 9 8 8 2 8 1 0 3 G l e n i s t e r S M D E l l io t t R J Me t S c i A p r i l 1 9 8 1 i 8 1 1 1 季遭韫 等 j 稀土 1 9 8 3 2 5 9 1 2 F e r r o R e t a 1 J J o u r n a l o f R a r e e a r t h s 1 9 9 7 1 5 1 4 5 1 3 张启运 等 j 盘属学报 1 9 8 1 2 1 3 0 1 4 杜维玺 等 j 盘属科学与工艺 1 9 8 4 1 3 8 1 5 李垒富 等 j 机械工程材料t 1 9 9 8 1 0 1 6 雷正伦 等 j 特种铸造及有色舍金 1 9 9 0 5 4 0 1 季道韫 等 j 吉林工业大学学报 1 9 8 6 1 6 1 1 8 事道韫 等 3 3中国稀土学报 1 9 8 7 1 2 3 9 1 胡K u b s e h e w s k i 0 川 a 1 Me t a l l u r g i c a t h e r m o c h e m i s t r y M U K Pe r g a mo r P r e s s 1 9 7 9 3 26 4 0 7 2 0 雷广孝 j 轻合盘加工技术 1 9 9 0 2 J 5 2 1 倪红军 等 0 铸造 2 0 0 1 2 7 4 2 2 刘束久 稀土 M 北京 冶金工业出版社 1 9 8 3 上接第 3 6页 一 定的 位 向关 系 同与 7氧化铝 的某 一 晶 面有 一定 的位 向关 系是 一个 完全不 同的概 念 7氧 化铝 的 表面 不会 由一 种 晶面构 成 即使它 的 某一 种 晶 面适台 于 B 相 的形核 也不 一 定正巧平 行 于切线 3 结语 由上 可见 各 种 因素 对铝 硅台金 中的铁相 的微 观 结 构 的影 响 的表象 已有 所认 识 但 作用 机理仍 众说 纷 纭 因此 要真 正弄 清铝硅 台金 中铁 相的微观结 构 及其 转变规律 还有待于进一步的研究 参 考文 献 Z 1 Mu a z i m o g u M H j Me t a l l u r g i c a l a n d Ma t e r i a l s T r a n s t i o n 1 9 2 7 A 1 92 9 2 J h o n E H a t c h 铝的性能厦物理冶金 M 重庄 科学技术出版 社重庆分社 l 9 9 0 3 G u s t a f s s o n G e t a l J Me t a l l u r g i c a l T r a n s a c t io n s i 9 8 6 l 7 A 45 4