钇变质Al7合金显微组织研究

1、沈 阳 航 空 航 天 大 学材料科学与工程学院(综合实验研究)课题题目: 钇变质Al-7%Si合金显微组织研究班 级 14110202 学 号 姓 名 马也 指导教师 王艳晶 2014年10月1日沈阳航空航天大学材料科学与工程学院 本科生（综合实验研究）任务书专 业材料成型及控制工程班 级14110202学 号姓 名马也题 目钇变质Al-7%Si合金显微组织研究时 间 课题内容及要求1、查阅资料，掌握铝合金熔炼、变质原理，掌握钇对铝硅合金组织影响的机理。2、完成合金配料、熔炼、变质、浇注工艺。3、掌握冷却速度对变质效果的影响。4、合金显微组织分析。5、团结协作、提倡新思路、新见解。6、按要求

2、完成综合实验研究论文，字数5000-10000字。主 要 参 考 资 料1罗启全，铝合金熔炼与铸造M广州：广东科技出版社,2002.3接金川，钇元素对ZL101A合金组织和性能的影响J. 哈尔滨：哈尔滨工业大 学，2008.4 刘 政，谌庆春，郭 颂.铝钇共晶反应及其产物对亚共晶铝硅合金初生相的细化研究J.稀有金属2013.37（9）:7085潘复生,张丁非.铝合金及其应用M.北京:化学工业出版社,2006.指导教师王艳晶日 期钇变质Al-7%Si合金显微组织研究摘要：本实验的目的通过向Al-7%Si合金中加入不同含量的 Y 元素，研究了Y 元素对Al-7%Si组织的影响，通过在光学显微镜下对

3、铸态组织的观察，分析钇元素的加入量及变质时间的改变对铸态组织的影响。研究发现：铸态条件下，Al-7%Si合金在 750保温时，在一定范围内（本实验数据为0.5%至0.8%）随Y的加入量的增加和变质时间的延长-Al相树枝晶逐渐细化;少量Y元素(实验最少量为0.2%Y）就可以使Al-7%Si合金的共晶硅分布更加均匀，而且一定量的Y元素（实验为0.5%至0.8%）可以有良好的变质作用，使尖锐的共晶硅相变质为短棒状或等轴状，极大改善了共晶硅对机体的割裂状况；另外，通过将钇变质试样与原始铸态试样的宏观观察，发现少量的Y元素便可对去除铝合金中气体有显著的效果。关键词：亚共晶铝硅合金 稀土钇 显微铸态组织

4、变质处理Al-7% Si Alloy Microstructure of yttrium metamorphicAbstract: By adding different amounts of Y element into Al-7%Si alloy, the paper studied the effects of Y elements on the Al-7%Si tissue. By observing microscope cast structure under the optical microscope , we analyzed the impact of the cast m

5、icrostructure changes and the addition of yttrium deterioration of time. Under low magnification microscopy conditions, we observed that the as-cast condition at 750 incubated Al-7% Si alloy, in a certain range with the increase in the amount of yttrium is added （0.5%-0.8%）and the deterioration time

6、 of the extension phase -Al dendrite gradually refined.Which make a sharp deterioration of the eutectic silicon phase shorter rod or equiaxed；Under high power microscope observation that a small amount of Y element （0.2%）can make the eutectic silicon Al-7% Si alloy is more evenly distributed,And a c

7、ertain amount of Y element （0.5%-0.8%）can have a good metamorphism,greatly improving the eutectic silicon on the body fragmented situation；Furthermore, the deterioration of macro observation of the sample and Y the original as-cast sample, we find that the removal of the aluminum alloy element Y gas

8、es have significant effect.Keywords :Hypoeutectic Al-Si alloys Yttrium Microscopic cast microstructure Modification目 录第一章 概述11.1亚共晶铝合金概况 11.2 硅元素对亚共晶铝合金的影响.1 1.3 Al-Si合金的变质1 1.4亚共晶铝合金的组织 2 1.4.1亚共晶铝合金的组织特点 2 1.4.2亚共晶铝合金的性能特点 21.5 稀土元素对铝硅合金的影响2 1.6 实验目的及意义3第二章 实验用原材料、仪器设备及实验方法4 2.1 实验材料4 2.2 实验设备42.3

9、 实验方法4第三章 实验结果及分析 63.1 实验结果63.2 组织分析 10 3.2.1 Y对-Al的细化作用分析 10 3.2.2 Y对共晶硅的变质作用分析 11第四章 结论12参考文献 13第1章 概述1.1 亚共晶铝合金概况 随着近代机械制造工业如航空、航海、汽车工业、石油化工、电信和原子能及空间技术等工业的崛起，铝合金使用量在日益增加，而且对结构件及零部件材料提出了越来越高的要求，不仅要求其具有优良的性能（如强度），而且必须具备良好的环境协调性。Al-Si合金是使用较为广泛的一种铝合金，它的铸造性能、焊接性能以及耐腐蚀性能较好，在各个行业都有广泛的应用，在国民经济中占有重要的地位1。

10、另外，Al-Si更显著的特点是拥有密度低、熔点低，并且除了氢元素在其溶解度较大外其他气体的溶解度均比较少。Al-7%Si拥有良好的铸造性能、焊接性能、抗压性能以及抗腐蚀性能。经过热处理的Al-7%Si可以拥有良好的拉伸性能和其他力学性能，从而在航空航天、汽车、造船等国民领域获得了广泛的应用2。稀土元素加入铝合金中可以显著改善铝合金的金相组织，细化晶粒，去除铝合金中气体和有害杂质，减少铝合金的裂纹源，从而会提高合金的强度，稀土铝合金已经成为性能优良、用途广泛的新型材料。钇元素作为一种重稀土元素，性质比较活泼，研究钇元素对Al-7%Si合金组织和性能的影响非常有必要，在生产实际中有重要的意义3。1

11、.2 硅元素对亚共晶铝合金的影响Si是Al-Si组织中的第二相，Si的含量的提高大大改善了合金的铸造性能，根据Al-Si的二元相图，共晶成分是Si=12.6%。根据液态金属停止流动机理，合金凝固时，其共晶温度范围越宽，枝晶就越发达，液流前段析出相对较少的固相，在较短的时间内液体就停止流动，ZL102的Si的质量分数为 6.5-7.5%，Si的含量偏上限时，其共晶温度范围越窄，有利于提高其流动性。 Si元素的含量是合金流动性的主要影响因素，通过形成金属间化合物，改变熔体凝固过程中的热场环境和原子扩散环境，改变熔体凝固过程，影响合金熔体的流动性4。1.3 Al-Si 合金的变质 没有处理的Al-S

12、i合金中，Si相呈出粗大的片状或者针状，这样的Si严重割裂基体，并在硅相的尖端和棱角处容易形成应力集中，导致材料塑性、切削加工性能降低。因此，为了提高Al-Si合金的机械性能，改善合金的切削加工性能，通常需对Al-Si合金进行变质处理。 1.4亚共晶铝合金的组织亚共晶铝合金的组织特点 亚共晶铝合金原始铸态组织枝晶粗大，Si相呈出粗大的片状或者针状，割裂基体严重。造成力学性能不足，并且有缩松和气孔倾向。图1.1 原始铸态亚共晶Al-Si显微组织亚共晶铝合金的性能特点亚共晶铝合金可以进行热处理强化，具有自然时效能力，强度较高，塑性较好。该合金的铸造性能优良,流动性好、线收缩小，热裂倾向低、气密性高

13、,但稍有产生气孔和缩孔倾向。合金的耐蚀性高，焊接性好，切削加工性能一般。力学性能：表1.1 亚共晶铝合金的力学性能抗拉强度 屈服强度 伸长率 硬度 b (MPa) b（MPa) 5 (%) (HB ) 220 180 2 6595热处理规范： 淬火:535±5,提温2h,升至535，保温812h，65水冷，小于45S，退火、时效或回火:180±5，保温48h；然后空冷。铸造方法： 砂型铸造加变质处理、熔模铸造加变质处理、壳型铸造加变质处理（SB.RB.KB)1.5 稀土元素对铝硅合金的影响稀土对铝及铝合金的作用，一般可归纳为除气、除杂、变质、强化等作用。加入稀土后能明显地改

14、善铝及铝合金的铸造性能，提高铸件的质量；提高强度、抗裂性能和耐磨性能；提高合金的耐热、抗氧化耐腐蚀性能。目前制备稀土铝合金的方法有3 种：混熔法、电解法、铝热还原法。混熔法因为要先生产稀土金属，成本较高，所以应用较少；大量的生产方法是电解法。铝热还原法近年来发展迅速。电解法和铝热还原法都是很有发展前途的生产方法。目前需要做的是加强基础理论工作，尤其是稀土对铝合金作用机理，稀土在铝合金中存在状态和分布，要深入研究。深入地对稀土铝合金生产的熔盐物理化学过程、熔体组成及形态、电流对合金电沉积的影响、控制因素以及稀土的加入工艺、加入方式、数量、稀土种类的系统研究，这是非常重要的，以促使稀土铝合金的制备

15、方法在理论和实践上都有更大进展5。尹卓湘6研究了稀土对亚共晶铝硅合金性能的影响，铸态下合金的抗拉强度和伸长率在一定浓度范围随稀土含量增加而同步增长，添加剂稀土的有效加入0.4%-0.45%RE(质量)，稀土对合金也有一定的变质作用。钟声7研究了稀土变质剂对铝硅系铸造合金时效过程的影响，结果表明提高或合金中仅含合金元素Si和Mg时，稀土使时效峰提前，如ZL101A和ZL104合金。稀土变质Al-Si铸造合金时效处理使其硬度普遍升高。A. Knuutinen等人对Y元素对A356 的变质效果作了研究，并与Ba、Ca、Yb等的变质效果作了对比，实验发现Y仅能使共晶硅变成盘状，这和Yb的变质效果相近，

16、而Ba、Ca能使共晶硅变质成纤维状。其变质机理8是加入Y元素之后使共晶形核方式发生了改变，并且使共晶生长更加依赖热流方向。与此同时，他们还研究了A356中加入以上几种元素对形成缩松的影响9，发现Y元素使合金共晶凝固从表面向中间凝固，从而阻塞了补缩通道，使缩松容易形成。1.6 实验目的及意义通过本次试验，深入了解铝硅合金应用现状和发展前景、组织形态、合金的熔炼、变质工艺等，对比观察前后组织变化，巩固及运用以前学习的铸造原理及铸造合金及熔炼等方面的专业知识具有重要意义。第2章 实验用原材料、仪器设备及实验方法 2.1 实验材料 试验用的原材料是高纯铝、Al-12%Si中间合金、纯钇。 Al-12%

17、Si中间合金采用工业ZL102合金锭。其化学成分见表2.1。表2.1 ZL102合金的化学成分（质量分数,%c) Si Mg Ti Fe AL 12.0 0.1 0.20 0.000 0.700 余量2.2 实验设备 光学金相显微镜，电阻炉，电动抛光机，石墨坩埚，石墨铸型。2.3 实验方法1烘干坩埚 为防止增铁选用石墨坩埚。将新的石墨坩埚放入电阻炉中，加热至至800，保温两小时。以保证坩埚中水分充分去除。2 制备Al-7%Si合金1）将纯铝，Al-12% Si合金放入石墨坩埚中，在电阻坩埚炉内加热至750下保温。2）将炉内温度下降至730，加入0.5%六氯乙烷除气，快速浇入石墨铸型，得到Al-

18、7%Si铸件。3Y变质Al-7%Si合金将获得的Al-7%Si等分成8份，分别作如下处理： 第一份加热至750，使Al-7%Si合金完全融化，将温度降至730，六氯乙烷除气后加入0.2%的纯钇，保温30分钟，扒渣快浇，记铸件为1号铸件。 第二、三、四份加热至750，使Al-7%Si完全融化，将温度降至730，六氯乙烷除气后加入0.5%的纯钇，分别保温30分钟、60分钟、120分钟，扒渣快浇，分别记为21,22,23号铸件。 第五、六、七份加热至750，使Al-7%Si完全融化，将温度降至730，六氯乙烷除气后加入0.8%的纯钇，分别保温30分钟、60分钟、120分钟，扒渣快浇，分别记为31,3

19、2,33号铸件。 第四组不作任何处理，保留原始铸态组织，作为对照组，记为4号铸件。表2.2 热处理工艺参数编号 温度 Y加入量 保温 1 750降至730 0.2% 30min 21 750降至730 0.5% 30min22 750降至730 0.5% 60min23 750降至730 0.5% 120min31 750降至730 0.8% 30min32 750降至730 0.8% 60min33 750降至730 0.8% 120min4 不做处理 4金相试样制备与组织观察 试验将铸件用金相切割机切成2.5*1*1（cm）尺寸的试样，并按照个铸件的编号将试样分成18号。将试样经240#、

20、400#、600#、800#、1000#的普通砂纸预磨，每变更一种砂纸序号，让磨削方向更换 90 度，并保证上一次的磨痕完全看不到，磨光完毕后，再用从大到小号的金相砂纸抛光后用抛光机抛光，抛光布采用海军呢材质，先用研磨液，成分是刚玉粉末悬浮液，并不断在金相显微镜下观察，显微镜视野中无明显划痕后，换用短绒抛光布加洗洁精清洗液。清洗完后用清水冲洗，用吹风机吹干。之后用5%氢氟酸腐蚀，均腐蚀10s，清水冲洗后吹干，最后后在金相显微镜下观察、照相。照片分8组，每组的3个倍数下照3张。8组的宏观组织1张。第3章 实验结果及分析 3.1 实验结果 a)b)图3.1 经0.2%Y变质（a）和未变质（b）的铝

21、硅合金显微组织图3.1（a）为经0.2%Y变质的铝硅合金显微组织，和图3.1（b）为未变质的铝硅合金显微组织。白色基体为-Al，黑色相为共晶硅。未变质组织中初生-Al多呈多呈树枝状，晶粒的形貌和尺寸都极不理想，树枝晶的一次、二次枝晶粗大，同是存在三次枝晶。共晶硅以针片状为主，且分布很不均匀，在晶界处偏聚，降低合金的强度以及延伸率。 添加0.2%Y的铝硅合金初生相多为树枝晶，一次晶柱粗大，二次枝晶熔断。通过对比（a）和（b）的金相组织我们发现，加入Y0.2%铸件中（a）共晶硅的分布较原始铸件组织（b）更加均匀。 a)b)c)d)h)g)f)e)图3.2 不同Y加入量及变质时间的铝硅合金显微组织（

22、a）未变质铝硅合金显微组织 （b）0.2%Y变质30min的铝硅合金显微组织（c）0.5%Y变质30min的铝硅合金显微组织 （d）0.8%Y变质30min的铝硅合金显微组织（e）0.5%Y变质60min的铝硅合金显微组织 （f）0.8%Y变质60min的铝硅合金显微组织 （g）0.5%Y变质120min的铝硅合金显微组织（h）0.8%Y变质120min的铝硅合金显微组织对比图3.2 a、b、c、d，若对铝合金变质30分钟，当钇加入量小于等于0.5%时，钇含量的增加对-Al的细化作用并不明显，反而有少许粗化现象，但钇元素加入量为0.8%时，对-Al有明显的细化作用，初生相为树枝晶，但部分枝晶已

23、转变为蔷薇花状晶粒，树枝晶一次晶柱较大，无三次枝晶出现，部分二次枝晶熔断成球状晶粒和条状晶粒。对比图3.2 c、e、g，若延长保温时间，含Y0.5%也可以观察到-Al发生明显细化，且随着保温时间延长，晶粒细化程度提高，初生相为树枝晶，但随着保温时间延长，枝晶转变为蔷薇花状晶粒增多。对比图3.2 d、f、h，Y0.8%变质的铝合金也可以观察到-Al随着保温时间延长，树枝晶细化程度明显提高，晶粒尺寸变小，圆整度提高，但加入量与保温时间最佳范围还需做进一步实验来确定。b)a)c)d)e)f)g)h)图3.3 不同Y加入量及变质时间的铝硅合金显微组织 （a）未变质铝硅合金显微组织 （b）0.2%Y变质

24、30min的铝硅合金显微组织 （c）0.5%Y变质30min的铝硅合金显微组织 （d）0.8%Y变质30min的铝硅合金显微组织 （e）0.5%Y变质60min的铝硅合金显微组织 （f）0.8%Y变质60min的铝硅合金显微组织 （g）0.5%Y变质120min的铝硅合金显微组织 （h）0.8%Y变质120min的铝硅合金显微组织对比a、b、c、d的共晶硅组织形态我们发现，若对铝合金变质30min，当钇加入量0.2%时，对共晶硅的细化作用并不明显，但钇元素加入量大于0.5%时，对共晶硅有明显的变质作用，使尖锐的板条状共晶硅逐渐变为短棒状或等轴状，尖角逐渐消失,树枝晶熔断，晶粒逐渐均匀，圆整度提

25、高。对比c、e、g ，d、f、h可知，若延长保温时间，且随着保温时间延长，树枝晶熔断，圆整度提高，共晶硅变质效果提高，且在保温时间相同的条件下，0.8%Y变质的结果较0.5%变质的结果更好，晶粒尺寸变小，共晶硅的圆整度提高。abcdefgh图3.4 不同Y加入量及变质时间的铝硅合金宏观组织 （a）0.2%Y变质30min的铝硅合金宏观组织 （b）0.5%Y变质30min的铝硅合金宏观组织 （c）0.5%Y变质30min的铝硅合金宏观组织 （d）0.5%Y变质30min的铝硅合金宏观组织 （e）未变质铝硅合金宏观组织 （f）0.8%Y变质 60min的铝硅合金宏观组织 （g）0.8%Y变质120

26、min的铝硅合金宏观组织 （h）0.8%Y变质120min的铝硅合金宏观组织对比a、b、c、d、e、f、g、h的宏观组织的观察我们发现，发现少量的Y元素便可对去除铝合金中气体有显著的效果。3.2 组织分析3.2.1 Y对-Al的细化作用分析Y元素对-Al的影响可以从影响形核及影响长大两方面来看，即纯钇的加入对于-Al起孕育剂和变质剂的作用。首先分析Y元素对-Al形核过程的影响，由 Al-Y 相图10可知在 637 时，富铝端有一共晶反应: L-Al + Al3Y。根据Bramfitt二位点阵错配度理论的匹配程度计算公式如下 式中，（hkl)s是基底的一个低指数面，uvws是（hkl）s晶面上的

27、一个低指数方向，（hkl）n形核相的一个低指数晶面，uvwn是（hkl）n晶面上的一个低指数方向,duvws是沿uvwn方向的原子间距，duvwn是沿uvwn方向的院子间距，是uvws和uvwn的夹角。江西理工大学刘政、郭颂10等计算得两种不同晶格类型物质的二维错配度为10.14% 15.00%。即 Al3Y 可作为异质形核的质点并达到中等有效形核。计算的结果表明，在利用稀土细化铝合金时，除了稀土与铝在一定温度下( 与稀土种类有关) 产生共晶反应的产物: -Al可有效地细化铝合金中的初生相；而共晶反应的另一产物: 稀土铝化合物，若其与初生 相的二维错配度比较小，满足异质形核质点的要求，可进一步

28、提高铝合金初生 相的细化效果。铝合金在结晶过程中首先析出的是-Al相，由于Y的原子半径较大，在-Al的长大过程中，稀土原子进入-Al中，引起较大的晶格畸变。为减小-Al的晶格畸变，使系统自由能降低，稀土原子在原子排列不规则的晶界上富集，这种晶粒生长表面富集的Y元素层阻碍了初生相的生长，细化了晶粒12。 利用稀土 L 细化铝硅合金初生相是可行且有效果的，其细化机制与Y在铝硅合金中产生的Al-Y共晶反应:L-Al + Al3Y有关"该共晶反应的产物-Al和Al3Y皆可作为铝硅合金凝固时的形核核心，从而达到细化合金初生相的作用。除此外，Y元素对于-Al相的成长过程造成了相对较大的成分过冷，

29、在钇元素添加量较少时，由于孕育、变质效果不明显。 3.2.2 Y对共晶硅的变质作用分析 在Al-7%Si合金中加入Y后，随着凝固过程的开始，稀土元素在析出的硅相前沿形成较大的成分过冷，抑制了硅相在原生长方向的迅速生长，使共晶硅细化。另外，Y元素可吸附和阻碍硅的生长，引发共晶硅的多重孪晶，孪晶数量的增加使硅的尺寸发生变化，板片状硅晶体变成短棒状共晶硅，达到变质效果。 第四章 结论1. Y元素对-Al具有良好的细化效果，且随当纯钇加入量小于0.8%时，随加入量的增加变质时间延长细化效果越来越好，-Al树枝晶明显细化，枝晶间距越来越小。2. Y对共晶硅具有良好的变质效果，且随当纯钇加入量小于0.8%时，随加入量的增加变质时间延长共晶硅的变质效果越来越好，圆整度明显提高。3. 选用Y稀土作为Al合金的细化剂时，稀土铝化合物与-Al的