含钪铝硅合金熔炼工艺研究模板

资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。1绪论工业生产中,特别是在运输机械的生产中,为了追求美观和减轻自重、减少油耗,从而采用铝合金代替钢铁材料的事实,已越来越为人们所公认。现代工程结构向大型、复杂和高强度化发展,优质铝合金铸件应用日益增多,对铝合金的综合性能也提出了更高的要求,既要求有较高的力学性能,又要求具有优异的铸造性能。当前应用广泛的Al-Si系铸造铝合金是一种具有优良铸造性的工程用铝合金材料,各国都有类似成分的牌号,见表1-1。表1-1各国铸造Al—Si合金牌号及技术参数国家牌号抗拉强度/MPa延伸率/%中国ZL1012201ZL101A2702ZL114A2902ZL1162902美国356.02073A356.02344A357.02833德国G-AlSi7Mg2302Wa/3.2371.6ISOAl-Si7Mg2301日本AC4C2263铝合金密度小而强度高,故在航空航天工业铸件中得到广泛的应用。在铝合金中,Al—Si系合金具有优良的铸造性能,如流动性好、气密性好、收缩小、热裂倾向小等,但在未经任何处理状态下其力学性能却一般。如果提高它的力学性能,特别是强度、韧性同时都较高,使其能更为广泛地应用,一直是人们所关注的问题。高纯净度的熔体、理想的细化和变质效果是铝合金潜力发挥的重要条件。在高效的熔体处理的基础上,经过适当的微合金化处理,在不显著降低合金韧性的前提下,进一步提高其强度[1]。钪(Sc)的密度低,在铝及铝合金中同时具有过渡金属和稀土金属这两类金属的作用,但效果却比这两类金属对铝合金的影响大。含Sc铝合金强度高、热稳定性好,有强烈的时效硬化效应,是发展高强度、高耐热性和高抗蚀性结构铝合金的一种新型微量添加元素。近十几年来,含Sc铝合金受到了材料界的重视,从基础理论到工业应用都进行了大量的研究工作。美国、日本和加拿大等国都作了不少研究工作,而中国在含Sc铝合金的研究方面还处于起步阶段。为了提高Al-Si系铸造铝合金的综合性能,许多研究机构从合金成分、熔炼工艺和热处理工艺等方面进行了大量的研究。1.1钪的概述金属钪属3d型过渡族金属,与Ti、V、Cr、Mn等同周期,与La、Ce、Pr、Nd等同族,因此它兼有稀土元素、过渡族元素的特性。Sc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,是到当前为止所发现的对优化铝合金性能最为有效的合金元素。在铝合金中添加微量钪(千分之几),就能对合金的结构和性能产生明显的影响,使其强度、耐腐蚀性能、焊接性能等得到很大提高,可制取超高强(σb≥650MPa,δ≥10%)、高强可焊(σb≥550MPa,焊接强度系数≥0195),新型耐高温(σb≥100MPa,工作温度t≥350℃)等一系列铝合金。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。铝钪合金因此是一种集高强、高韧、低密、耐热、耐蚀、可焊等优异性能于一体的新型结构材料,1.1.1金属钪(Sc):钪元素的原子序数21,是一种柔软、银白色的过渡性金属,常跟钆、铒等混合存在,产量很少,易溶于酸。一般在空气中迅速氧化而失去光泽,主要存在于极稀少的钪钇石中,可用以制特种玻璃及轻质耐高温合金等。钪的原子量44.96,原子半径1.664埃,没有4f电子。钪是一种很活泼的金属,溶点1539℃,沸点2832℃,密度为2.995g/cm3。金属钪易与酸起作用,生成相应的化合物,它在空气中容易失去金属光泽,在500℃～800℃的条件下能够被空气中的氧气所氧化,生成氧化钪。另外如果钪生成化合物以后,则呈稳定的正三价阳离子。例如,在一定条件下可生成Sc2O3、Sc(CH)3、ScCl3、ScF3、ScI3、Sc2(SO4)3和Sc(NO3)3等。由于金属钪具有许多特殊的化学性质和物理性质,致使科学家对它极感兴趣。因此,近年来钪的应用开拓,日益广泛,效果显著。钪的氧化物、硝酸盐、高氯酸盐和硫酸盐等盐类,往往带有结晶水,且性质稳定易溶于水。钪在水溶液中某些性质类似稀土,特别是重稀土,如生成草酸钪,氟化钪,硫酸钪复盐的沉淀物。钪与酒石酸铵作用生成复盐沉淀物,在600℃下则分解生成氧化钪由于钪及其化合物的制品获得的时间较晚,故致使对钪及其化合物的物理化学性质的研究很不够,基本参数不多,这在很大程度上限制了钪和其化合物用途的开发利用。图1-2给出了几种稀土元素的电负性。图1-2稀土金属电负性与稀土元素的关系1.1.270年代前,钪及其化合物的产量少,质量不高,用量不多,处于开拓用途的时期。80年代以来,随着高技术和新材料的飞跃发展,钪的各种制品相应地增加了品种,提高了质量,扩大了产量,用途较广。当前钪的制品已用于国防、冶金、化工、航天、核能、超导体、电光源、电子元器件和医疗等部门,它们对钪制品用量的要求越来越高。据报导,钪制品用于特种玻璃,轻质耐高温合金和新型电光源材料等的用量较大。但最引人注目的是钪用于第三代激光晶体、第三代新光源和新型彩色显像管阴极。(1)作为新型电光源材料。用碘化钪与碘化钠制成的钪—钠卤素灯是当前一种最新型的照明灯。每只灯用氧化钪(纯度≥99.9%)0.1—10毫克,用钪制成的光源材料属于第三代新光源材料。实用后证明,钪卤素灯具有光度高、光色好、节电能、寿命长、破雾力强等优点。钪灯比白炽灯节电约80%,使用的寿命达5000—25000小时(白炽灯为100小时),因而此灯在世界各国发展较快。(2)作为激光单晶材料。在激光材料中加入钪是发展第三代激光单晶的关键。当前加钪的激光器的发射功率比同体积其它激光器提高三倍,并可达到大功率化和小型化的激光装置。在制备单晶中,每炉料3～5公斤加入氧化钪1公斤左右,氧化钪为≥99.9%。制成的GSGG激光器在军工工业的应用日益广泛,并逐步推向民用工业,预计今后在军用和民用具有很大潜力。(3)作为氧化阴极的激活剂。高纯氧化钪用于彩色电视显像管阴极电子枪的氧化阴极激活剂,效果很好。另外,在镁硫化物中加入杭的阴极射线管,用于办公室自动化机器,以提高办公效率。(4)作为醇的酯化催化剂。用氧化钪≥99%作催化剂具有较好的活性,如2—乙基已醇在220℃下酯化反应,用氧化钪催化时,可提高其精化率。经3小时催化的精化率为94.97%,6小时可达99.73%,比其它催化剂的活性强,不产生副作用,”三废”量小,(5)作为合金的添加剂。钪加入铝合金中,对合金起着变质作用,从而可细化合金的组织,提高再结晶温度,改进合金的强度、硬度和耐热性。如铝合金中加入钪,生成Al3Sc合金,使其起变质作用,加入钪的量小于0.4%,可取得最佳效果。如在Al-Li-Mg-Zr系加入Sc0.1～0.3%后,所得Al-Li-Mg-Sc-Zr合金,使用性能大为提高。另外,钪是铁的优良改性剂。向铁水加入钪可显著改进铸铁的性能;在TiC中加入少量的钪可明显提高强度;在铜中加入钪可作军舰优良的耐腐蚀材料;在Ba-Cu-O材料中加入Sc生成Sc-Ba-Cu-O超导体,其临界温度达98K的水平,创制了新的超导体材料。(6)作为铌酸锂晶体材料。LiNbO3用于参数频率选择器、波导管和光导开关等重要光学材料,其缺点是耐光腐蚀性能较低,特别是在激光等高强度光的照射时更低。在LiNbO3中加入5%的MgO,可提高耐光腐蚀性能,但生产高质量的单晶体更加困难,而再加入氧化钪1.0%后,不但可保持优良的耐光腐蚀性能、降低单晶的二次光折射率,而且可生产高质量的单晶体材料。(7)其它材料的应用。钪在其它材料方面的应用也十分引人注目。如含钪氧化物已用于计算机和磁芯材料钪基或含钪合金用于火箭、宇航和核能工业结构材料。金属钪用于中子过滤器,在核燃料UO2中加钪可防止UO2发生相变;在光学玻璃、硅酸盐玻璃和硼玻璃中加入钪,可提高玻璃折射指标;碳酸钪被用于制药;具有高导电率和高熔点的含钪亚硝酸盐用于电子与无线电工业。综上所述,钪的用途广泛,其地位越来越高。特别是在高技术,新材料和尖端科学上的应用,已经变得越来越重要。随着国民经济各部门的发展,钪制品的用量将会迅猛增长。1.1.3钪在地壳中的存在较为分散,但并不稀少,它的克拉克值为(5—6)×10-40%。与As的丰度相近,比稀土元素的Eu、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu及一些常见元素Sb、Bi、Au更丰富。中国A层土壤中钪的含量很高,在10×10-50以上。自然界中均以Sc45存在,且没有放射性。据查明,已知在自然界中钪的矿物多达800余种,且仅有几种单独矿物存在,如含钪较高的钪钇矿(含钪为21.1—2409%),水磷钪矿(含钪为20—25.7%)和铌钛硅酸稀金矿(含抗为18—20%),虽然上述矿物含钪较高,但矿源极少。钪的大量资源广泛分散在其它矿物(钛铁矿、锆英石、铝土矿、钒钦磁铁矿、钨矿和钠矿等矿物)中,但矿物中钪的含量较低。据报导,1992年中国湖南省发现一个大型独立钪矿,这为中国今后开发和利用钪矿生产钪制品提供了很好的资源条件。中国是世界上钪资源较多的国家,且矿物品种繁多。特别是70年代以来,中国不断发现含钪矿物,分布在浙江的钨铍石英脉矿、江西的钨锡矿、福建的磁铁矿、广东的砂锡矿和钛铁矿、广西的黑钨矿及钒钦磁铁矿、内蒙古的白云鄂博铁稀土矿和铌铁矿、江西的稀土矿、四川攀枝花的钒钛磁铁矿及湖南的独立钪矿等,有较丰富的储量和可利用的含钪资源。因此,中国可称为钪的资源大国。国外的钪资源也不少,分布较广。例如,挪威、马达加斯加和莫桑比克的钪钇石,美国的水磷钪石和钨铀矿的副产物,加拿大和澳大利亚的铀矿的副产物,前苏联钛矿的副产物,捷克、德国和日本等也有少量的钪资源。从世界范围看,钪的资源较多的国家为:中国占首位,美国为第二,前苏联为第三。总之,世界各国钪资源的开发利用还很不够,因此,中国对钪资源的开发和利用更为重视。1.1.4当前世界上生产钪及其化合物的主要国家有中国、前苏联、日本、美国和法国等,一般是生产金属钪、氧化钪和钪卤化物等[5]。生产钪及其化合物的原料为多种矿物,且较为复杂。例如工业用的有钨锡矿、钛铁矿、稀土矿、铝土矿、铀钍矿和铁矿等矿物。在生产中产生的冶金渣,燃烧烟尘和废液中回收钪。由于从废物中生产钪制品,故使生产工艺较为复杂,即用不同的钪原料应选择不同的生产方法。(1)金属钪的生产。用氟化钪作原料时以钙热还原法生产钪是当前生产钪的常见方法。其工艺流程为:氟化钪配料→钙还原→蒸馏提纯→高纯金属钪(Sc≥99.99%),用氯化钪作原料以焙盐电解法生产金属钪,其生产流程为:氯化钪配料→焙盐电解→蒸馏提纯→金属钪(Sc≥98%),此法所得金属钪的纯度低,如要获得高纯金属钪,需再进行蒸馏提纯。(2)氧化钪的生产。一般是以含钪的冶金渣、烟灰和废液为原料,需经过钪的富集、净化及提纯三个阶段,才可获得高纯氧化钪。按当前的提取工艺而论,主要采用萃取→沉淀→离子交换法,或者采用萃取→沉淀→萃取法,但后者较为常见。具体的工艺流程为:原料→化学富集→配料→分馏萃取→草酸沉淀提纯→高纯氧化钪(氧化钪达99.9—99.99%)。草酸钪从溶液沉淀出来是一种较好的化学提纯方法。分馏萃取一般在盐酸介质中进行,选用的萃取剂有TBP、P—204和P—507等。从当前看,生产高纯氧化钪的工艺技术是比较成熟的。中国均以含钪的渣、烟灰和废液为原料,生产回收高纯氧化钪。据统计,近十年来中国已建成30多条生产线生产氧化钪和金属钪,Sc和氧化钪产量猛增。(3)钪的卤化物生产。用氧化钪99.9%为原料,选用碘化法生产ScI3产品,用氟化法可生产ScF3。另外,还可生产少量钪的无机盐和有机盐。总之,钪的制品当前尚少,有待开发。1.2铝硅合金概述铝合金的密度小、比强度高,在承受同样载荷条件下采用铝合金制件,能够减轻结构的重量,因而铝合金制件的应用非常广泛[3]。按照加工方法的不同,铝合金可分为铸造铝合金和压力加工铝合金两大类。在铸造铝合金中又依加入主要合金元素的不同而分为四个系列,即铸造铝硅合金、铸造铝铜合金、铸造铝镁合金、铸造铝锌合金。铝硅合金的枝晶不发达,结晶温度间隔是几类铸造铝合金中最小的,在凝固过程开始后的一段时间内合金液仍可流动,而且在固相线附近的温度下有较高的强度,因而其铸造性能也是最好的。铝硅合金的铸造工艺方法很多,有高压铸造、低压铸造、砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、壳型铸造等。当前,对于重量较大的铝硅合金铸件(如高压开关用重量在25Kg以上的铝硅合金铸件)1.2.1铝硅合金是一种以铝、硅为主成分的锻造和铸造合金。一般含硅11％。同时加入少量铜、铁、镍以提高强度。密度2.6～2.7g/cm3。导热系数101～126W/(m·℃)。杨氏模量71.0GPa,冲击值7～8.5J,疲劳极限±45MPa。铝硅合金因其本身的优良品质在工业中广泛应用,是汽车、造船、航空航天及其它制造业的重要结构材料,特别在航空工业中的应用日益广泛。1.2.2单一合金元素对铝硅合金在铝硅二元合金中,铸件的力学性能在很大程度上取决于Si在基体组织中的形状和分布。图1-3表明,在含Si量由6%增加到8%的过程中,抗拉强度呈上升趋势,伸长率下降,综合力学性能在含Si量为7%时为最好。同时,Si的加入能大大改进铝合金的流动性,故后续实验以含Si量为7%为基础进行实验。图1-3Si对Al—Si合金强度和伸长率的影响Cu在Al-Si合金中形成时效强化相Al2Cu及强化相Al4Mg6Cu4Si4,提高合金的强度。在Al-Si合金中加入Cu后,由图1-4表明,随着含Cu量的增加,其抗拉强度显著增加。Mg在铝硅合金中形成Mg2Si相,Mg2Si相作为固溶强化相在淬火时溶入,时效处理时以弥散相析出,使α固溶体的结晶点阵发生畸变,从而达到强化合金、提高硬度的作用。图1-5表明,随着Mg含量的增加,其抗拉强度逐渐提高。图1-4Cu对Al—Si合金强度和伸长率的影响图1-5Mg对Al—Si合金强度和伸长率的影响Mn在合金中与Cu共存时,能提高高温强度。形成Al10Mn2Si与Al6Mn,可部分消除铁的有害作用。Mn的强化作用包括两部分:一部分Mn熔入α固溶体,起固溶强化作用;另一部分Mn在合金中形成TMn相,热处理后大部分以二次TMn相质点弥散分布于基体中,起弥散强化作用,少部分以初次TMn呈不连续网状分布于α晶界。Mn对于伸长率有明显的影响,图1-6表明,随着Mn含量的增加,伸长率递增。图1-6Mn对Al—Si合金强度和伸长率的影响1.2.3熔炼工艺对有色合金的性能和缺陷有很大的影响,多数有色合金都易产生气孔和夹杂,铝硅合金亦是如此,因此有必要加以研究,以获得高质量的合金液。在常规的铝硅合金铸造生产中,铝硅合金熔炼只是成分合格的铝硅合金锭的二次熔化,期间也能够加入一些中间合金锭用以调整合金液的成分,而合金锭的配制则是由专业的熔炼企业完成的。其工艺流程如下:(1)选择铸件技术要求所规定的合金锭;(2)根据烧损率和成分要求进行配料计算;(3)检查和准备熔化用具;(4)按规定的次序加料熔化;(5)炉料熔化后进行精炼处理;(6)根据需要进行变质处理和细化组织处理;(7)调整温度,进行浇注。1.2.4(1)对含铁量的改进铝硅合金中的铁元素大多数以化合态的形式存在,比较常见的以FeAl3、β相(Fe2Si2Al9)或α相(AlFeSi)等形式存在。砂型铸造条件下,由于冷却速度比较慢,β相能够充分长大成为粗大的针状或片状穿晶组织,严重割裂了金属基体的连续性,大大降低了金属的力学性能,特别是韧性。含铁量过多时,还会降低铝硅合金的流动性,恶化合金的充型性能。粗大β相的存在又增加了铸件的加工难度,降低了刀具的使用寿命。因此,铁在铸造铝合金中一直被认为是一种主要的有害杂质。在国家标准中对其作了明确的限制,GB1173—86规定中国铝硅合金活塞的铁含量小于0.7%。各企业对其控制更为严格,一般要求小于0.5%,甚至更低。对于压铸铝合金来说,由于冷却速度高,β相无法进行充分的长大,一般以细小针状或片状的形式存在,对铝合金基体的切割作用被大大减少。这些均匀、弥散分布的细小β相反而能够作为强化相,提高铝合金的强度和硬度[8]。”粘型”缺陷是铝硅合金压铸生产过程中常见的缺陷。当压铸铝硅合金中的含铁量比较高时,能够使合金液表面的氧化膜失去连续性,提高了合金液的表面张力,从而改进了铝硅合金容易”粘型”的缺陷。如果含铁量较低时,还更容易产生”粘型”现象。因此,适当地提高压铸铝合金中的含铁量,不但能够减少压铸铝合金的”粘型”缺陷,在生产过程中产生的浇冒口等压铸废料又能够经过简单处理后,作为回炉料直接加入到熔化炉回收使用。这样既提高了生产效率,又降低了原材料的成本。对于用于活塞生产的铝合金来说,为了提高活塞的高温力学性能,往往也需要增加铝合金中的含铁量。一般用途的压铸铝合金中含铁量能够放松到1.0%。(2)对含锰量得改进锰在国家标准中作为杂质元素,一般要求其含量≤0.5%,一些企业甚至要求含锰量在0.1%～0.25%之间。这么低的含锰量导致铝合金以针状形式存在,极大地提高了铸件的脆性,降低铸件的韧性,甚至在压铸件脱型过程中就会出现铸件断裂的现象。对于锰、铁含量都很低的合金会产生很严重的”粘型”缺陷。其实锰在压铸铝合金中是一种有益的元素,它能够与铝合金中的针状或片状的β相(Fe2Si2Al9)一起生成球状多面体形态的(FeMn)3SiAl15相。该相在压铸工艺的快速冷却条件下,容易形成体积细小的、呈均匀分布的(FeMn)3SiAl15相,能够大大减少含铁相对铝合金基体的切割作用,改进铝合金的力学性能。适当提高含锰量还能够降低铝合金的”粘型”倾向。因此,在压铸铝合金中,适当提高含铁量的同时,也要适当提高含锰量,让合金具有比较合理的铁锰比。一般来说,铁和锰的总含量控制在1.2%以下。近年来,一些压铸件需要具有较高的强度和延展性。降低铝合金中的含铁量能够改进这方面的性能。可是随之而来的是铝合金的”粘型”现象很严重。把铝合金的含铁量降低到0.15%以下,同时增加含锰量为0.5%～0.8%,不但能够改进铸件组织,而且防止在压铸过程中产生”粘型”现象。经过Sr长效变质剂变质处理,压铸件能够进行热处理和焊接。1.2.5砂型铸件要求在铝合金熔炼过程中对铝合金液进行精练和变质处理,从而改进材料的组织结构,提高材料的力学性能。在压铸生产过程中,由于压铸生产需要的铝合金液不可能一次用完,往往需要在保温炉中停留一段时间。为了防止由于处理好的铝合金长时间没有及时使用发生变质退化,影响变质效果。同时,压铸型的快速冷却能力本身也能够细化金属晶体。因此,对于一些要求不太高的零件,经过适当增加含铁量和含锰量从而提高铸件的力学性能要比经过变质处理改进力学性能效果更明显。对这类零件来说,变质处理不是压铸铝合金的必要处理工艺,能够省略。对于力学性能要求比较高的零件,在选择变质剂的时候最好选择使用Sr等长效变质剂。可是,对回炉料的使用应该严格控制,防止变质剂的”遗传”导致合金力学性能恶化。1.3课题研究内容和目的意义铝硅合金在中国有着广大的需求市场,但在某些方面,铝硅合金的强度达不到产品要求。钪能够增强法铝硅合金抗拉强度,改进铝硅合金组织性能,是铝硅合金更适合各种工业需求。中国拥有丰富的钪资源,在资源开发与钪的提取方面都取得了突破性进展,而中国自后已成为世界排名第一的产铝大国。且在稀土铝的生产中积累了丰富的经验。因此,以轻量化、节能降耗、有益环保为目标,积极研发钪铝合金及其在航空航天、陆运、海运交通工具上的应用,同时扩展它们在民品开发方面的技术和市场规模,利资源、技术、国内市场(如自行车)等优势,有着极大的研发与应用前景。此课题主要研究含钪铝硅合金的熔炼工艺,以及在熔炼过程中加入的中间合金对铝硅合金组织性能的影响。此课题能够改进铝硅合金的熔炼工艺,更为铝硅合金熔炼工艺提供更可靠的事实依据。1.4设计说明书的结构安排第一章为绪论,主要介绍铝硅合金和钪的各种性能和用途,以及国内外对此课题的研究进展、发展趋势等。第二章为铝硅合金熔炼工艺,主要介绍实验设计、实施过程,以及在实验中要注意的事项等内容。第三章为变质处理,主要介绍实验中加入的钪和锶变质剂对铝硅合金的影响。第四章为细化处理,主要介绍实验中加入的铝钛硼细化剂对铝硅合金的影响。第五章为结论部分,主要阐述此次实验过程所得出的经验结论和此课题未来发展的展望。最后为参考文献和致谢。2熔炼工艺2.1熔炼前准备2.1.1合金成分设计本实验用ZL702合金作为研究对象。在此次试验中,钪、锶、钛、铜、锰的含量都要变化,为了科学准确的进行实验,做了五组实验进行对比。表2.1各组合金成分表序号SiMgCuMnSrTiSc17%0.5%1.5%0.1%0.06%0.15%27%0.5%1.5%0.1%0.06%0.15%37%0.5%1.5%0.1%0.06%0.15%0.05%47%0.5%1.5%0.1%0.06%0.15%0.1%57%0.5%1.5%0.1%0.06%0.15%0.2%2.1.2配料计算按铝锭重量计算,这种算法能以现有铝锭质量直接投料,不必切割铝锭,可节省工时,计算公式如下:X=A/(1—∑C/B—∑D)(2.1)Y=XC/B(2.2)Z=XD(2.3)式中:A——已知铝锭的总质量,g;B——各种中间合金内所含合金元素的百分数,不带百分号;C——以中间合金形式加入的合金牌号所要求的合金元素百分数,不带百分号;D——牌号要求的以纯金属形式加入的合金元素百分数,带百分号;X——每一炉次投料总量,g,待求;Y——各种中间合金配料量,g,待求;Z——以纯金属形式加入的合金元素质量,g,待求;本实验不用回炉料,一次配料浇注拉力试棒4根。此次试验中的金属有一定的烧损率,下表将给出各个合金元素的烧损率。表2.2各种元素在电磁炉中的烧损率元素种类AlSiMnCuMg合金纯Mg烧损率(%)1-1.50.5-10.5-10.5-12-315-30本次实验一共做五组,下面以第一组为例,说明计算课程。Al:1.825Kg(考虑损耗),要求含Si量为7%,含Mg量为0.5%,含Cu量为1.5%,含Mn量为0.1%,含Sr量为0.06%,含Ti量为0.15%.总量X=1.825/(1—0.07—1.5/50—0.005—0.1/10)=2.062Kg其中:0.07——Si在投料总量中的百分含量(7%);0.005——Mg在投料总量中的百分含量(0.5%);1.5——Cu在投料总量中的百分含量(1.5%);50——Cu在Al-50Cu中的百分含量(50%);0.1——Mn在投料总量中的百分含量(0.1%);10——Mn在Al-10Mn中的百分含量(10%);熔炼过程中,Si有1%的损耗,因此,Si的用量Si=X×7%×(1+1%)=2.062×7%×1.01=0.14578Kg熔炼过程中,Al-50Cu有1%的损耗,因此,Al-50Cu的用量Al-50Cu=X×1.5%/50%×1.01=2.062×1.5%/50%×1.01=0.0625Kg熔炼过程中,Mg有20%的损耗,因此,Mg的用量Mg=X×0.5%×(1+20%)=2.062×0.5%×(1+20%)=0.012372Kg熔炼过程中,Al-10Mn有1%的损耗,因此,Al-10Mn的用量Al-10Mn=X×0.1%/10%×1.01=2.062×0.1%/10%×1.01=0.02062Kg熔炼过程中,Al-10Sr不考虑损耗,且Sr在投料总量中的百分含量为0.06%,因此,Al-10Sr的用量Al-10Sr=X×0.06%/10%=2.062×0.06%/10%=0.0124Kg熔炼过程中,Al-5Ti-B不考虑损耗,且Ti在投料总量中的百分含量为0.15%,因此,Al-5Ti-B的用量Al-5Ti-B=X×0.15%/5%=2.062×0.15%/5%=0.06186KgC2Cl6占投料总量的0.6%,因此,C2Cl6的用量C2Cl6=X×0.6%=2.062×0.6%=0.0124Kg按上述方法计算,下面列举第二组至第五组的计算结果。表2.3配料计算结果(单位:Kg)金属第一组第二组第三组第四组第五组总量2.0622.0111.8761.9442.490Si0.1460.1420.1330.1370.176Al-50Cu0.0630.0610.0570.0590.075Mg0.0120.0120.0110.0120.015Al-10Mn0.0210.0200.0190.0200.025Al-10Sr0.0120.0120.0110.0120.015Al-5Ti-B0.0620.0600.0560.0580.075Al-2.2Sc————0.0430.0880.226C2Cl60.0120.120.0110.0120.0152.2熔炼前准备2.2.1实验工艺路线设计钪能显著提高铝合金的性能。将钪加入铝硅合金中,合金的组织与性能均有明显的改进。国内外对含钪铝硅合金开展了较多的研究,可是实验结果仍需改进。本实验把钪、锶等微量合金元素加入到ZL702中,分析合金铸件的性能,观察金相组织,主要研究钪对铝硅合金组织和性能的影响。整个熔炼工艺路线如下图所示:图2-1工艺路线2.2.2砂型制备本实验采用砂型浇注来完成,因此,在开始实验前就应该造好足够的砂型,并使其干燥。所用原材料:硅砂/PEPSET树脂自硬砂、1#树脂粘结剂、2#树脂粘结剂、滑石粉。设备:一台型号为SHY-A的混砂机,木制模型,夯实板。砂型模具制备过程:①按所用模型的大小称出适量的砂子,倒入搅拌机搅拌;②按每1千克砂子中倒入1毫升粘结剂的比例,在搅拌机中倒入适量的1#树脂粘结剂,搅拌一分钟;③倒入等量的2#树脂粘结剂,再搅拌1.5分钟;④将砂子取出,放在盆里使其混合均匀,立即填入已经安装好的模型并夯实刮平;⑤凝固成型后,翻模,起模。本实验采用砂型铸造中的重力浇注法,一套完整的砂型是由、由直浇道(冒口)、横浇道、试棒模三部分组成。直浇道要造的高而细,以保证在浇注过程中有足够的重力,使浇注充分。横浇道起到了分渣的作用。图2-2砂型制备2.3熔炼过程2.3.1坩埚电阻炉:SG2,见下图2-3;温度控制器:RSW-8D-16;测氢仪:HYSCANⅡ;其它工具:石墨坩埚、石墨搅拌棒、配套的热电偶、天平、钟罩、撒渣勺、浇勺、夹钳等。图2-3坩埚电阻炉图2-4温度控制器2.3.2①加全部的Si和2/3的Al于预热发红的坩埚内,进行快速熔化。当Al完全熔化时,铝比硅先熔化,并覆盖在硅的上面,然后加入余留的1/3的Al,防止硅浮在铝液上不能完全的熔化。待全部的Al完全熔化后,把温度设定在820℃左右,保温30min,使铝硅完全熔化成二元合金②降低温度,当温度达到740℃～750℃在搅动金属液体时,一定不能将硅块弄到熔体表面上,因为硅被氧化会生成高熔点的氧化物。当金属完全熔化后,加入AL—10Mn和Al—50Cu中间合金,并适当搅拌,然后保温半小时,使其完全熔化。③熔体的细化继续降低温度,当温度降至720℃～730℃之间时,加入细化剂Al—5Ti—④设定温度于730℃～740℃,达到温度要求时,加入Al—⑤设定温度于730℃～740℃,达到温度要求时,加入⑥设定温度于720℃～730℃,达到温度要求时,加入Mg(用钟罩将Mg压入距离溶液100mm⑦熔体的精炼将温度调整到730℃～740℃左右,将占炉料总重0.6%的C2Cl6用铝箔包好,用钟罩将其压入铝液中离坩埚底部约10cm⑧精炼完毕后测氢的含量,氢含量<0.15ml/100g,并进行炉前检查。最后,扒渣,在700℃熔炼的加料顺序为:Si、2/3Al、余Al、Al-Mn、Al-Cu、Al-Ti-B细化剂、Al-Sr变质剂、Mg、C2Cl6精炼剂。先将全部的结晶硅和2/3的铝块放入预热发红的坩埚内,然后进行快速熔化。当铝完全熔化后,铝比硅先熔化,并覆盖在硅的上面,然后加入剩余的1/3铝块,防止硅浮在铝液上不能完全的熔化,待全部的铝完全熔化,把熔体的温度控制在820℃2.3.3本实验采用氯盐C2Cl6精炼,是属于浮游法。其基本原理是经过向合金液内加入溶剂与合金液发生反应,获得无氢气泡,然后利用这些小汽泡在上浮过程吸附氢气和氧化物夹杂,并将其挟带到合金液面而实现除气和去渣。C2Cl6加入到铝合金溶液中后,会发生如下反应:3C2Cl6+2Al→3C2Cl4↑+2AlCl3C2Cl6→C2Cl4↑+C12↑3C12+Al→2AlCl3另外,由于C2Cl6不吸潮、且保存和使用都很方便,应用比较广泛。但其在使用过程中遇热会分解成CCl4和Cl2这些刺激性气体会对操作者和环境产生有害影响。使用C2Cl6精炼时,其使用量一般为炉料总质量的0.2%-0.6%,用钟罩压入,精炼时间为3min-5min,而精炼温度一般控制在720℃-730℃。当精炼完成后,一般静置2.4热处理工艺1、热处理设备:淬火-时效一体炉,型号:RCU-9-6。2、热处理过程:(1)固溶淬火:①490℃4小时;②520℃6小时;③(2)时效处理:170℃2.5小结熔炼过程中,熔炼温度不能过高,否则将造成铝液过热而吸收大量的氢气。熔炼时间过长,不但费时,还可能增加熔体的吸气量。因此,在保证完全熔化的前提下,时间越短越好。另外,在实验过程中,要注意浇注缺陷,应小心操作,尽量减少操作失误和误差等造成的各种缺陷。3微量合金变质机理3.1钪在铝合金中的微合金化作用机理到当前为止,Sc是人们所发现的对铝合金最为有效的合金化元素,它对铝合金的合金化作用非常显著,只要加入千分之几的钪就能对铝合金起强烈的变质作用,使合金的结构和性能发生明显变化。微量钪加入到铝合金中不但能显著细化铝合金晶粒,抑制合金再结晶,而且可显著提高合金的强度、塑性、高温性能、抗蚀性能及焊接性能。3.1.11、Al—Sc合金的发展史与现状钪(Sc)自1876年发现后的100多年问一直未受到重视,直至20世纪60年代才由前苏联学者HAYMKHH等拉开了A1—Sc合金研究的序幕,并在1965年公布了第1张A1—Sc相图。其后,MURRAY于1998年公布了近年来被国际材料界公认的A1—Sc二元相图,如图2-1所示。图3-1Al—Sc二元平衡相图含钪铝合金中,钪作为微量元素加入到铝基体中,以改进合金的结构与性能,因此了解铝钪相图富铝角对研究合金结构与性能具有重大意义。HAYMKHH等认为A1—Sc系二元系富铝角是包晶反应,反应温度为665℃,反应式为:A13Sc+L—Al(α)。可是,最近的研究认为其实质是共晶反应L→Al+Al3Sc,如图2-2所示,其共晶温度为655℃,共晶点浓度为0.6％Sc,化合物A13Sc为LI2型结构,面心立方晶格(AuCu3型),点阵常数a=(O.4106±0.007)图3-2Al—Sc二元状态富铝角2、钪在铝合金中的作用原子序数为21的钪在周期表中是铝、钛的近邻,在元素发现史上曾被称作为”类铝”,作为合金添加元素有着巨大的应用潜力[13]。自20世纪60年代末以来,前苏联经多年系统研究,认定钪在铝中起弥散强化剂、晶粒细化剂、再结晶抑制剂的作用,钪还能提高焊料合金的可焊性及铝合金的抗蚀性。(1)抑制再结晶更具体说来,用钪改性或用钪增强的铝合金和其它高强铝合金相比,其特点之一是能够抑制或完全防止再结晶。对于大多数高强沉淀强化铝合金说来,它们的固溶热处理皆在再结晶温度以上的温度下进行,因此处理前所进行的热加工和冷加工量往往经受一定程度的再结晶,从而导致强度的损失。可是钪可将铝合金的再结晶温度提高到600℃以上,恰好高于所有常见可热处理铝合金的固溶热处理温度。但在实际操作中,添加钪要与添加锆协同进行,经过形成极细的热稳定相Al3(Zr3Sc1-x)(2)强化效应添加O.2％～0.6％(质量分数)的钪到铝合金中能产生高度强化效应。属于7×××系的A1—Zn—Mg—Cu合金是铝合金在室温和低温下强度最高的品种,其低温(77K)和室温(298K)强度分别为670～720MPa和570～630MPa,加入0.15％Sc和起协同效应的0.1％Zr后,其强度和延性均有明显提高,在T6制度下,室温屈服强度达760～805MPa,极限拉伸强度达770～8l0MPa,延伸率3％～9％,温度下降至77K,延伸率虽有所下降,但强度明显提高,屈服强度1005～1065MPa,极限拉伸强度1010～1065MPa。用钪和锆协同改性,在延性水平维持5.8％的条件下极限拉伸强度最高可达820MPa。一般地说,每添加0.1％Sc(原子分数),强度提高约97MPa。故A1—Mg合金添加钪形成的Al—Mg—Sc合金在强度和断裂韧性上达到了Al—2024—T3合金的水平。(3)晶粒细化效应钪具有细化晶粒的能力,能实现铸造结构的强烈改性。铝中加入钪,还能获得具有非枝晶组织的连续铸锭坯。钪是能形成稳定的Al3Sc相的过渡元素,与铝基体类质同晶。因此Al3Sc在A1—Sc合金内形核的激活能小,而高度弥散和强化的颗粒在某些有利条件下的沉淀密度就大。某些含钪铸造铝合金当钪含量达到0．2％～0．4％的饱和度时,所形成的Al3Sc颗粒的最小晶粒尺寸达30～60μm。实验表明,当冷却速率为105～106℃·s-1,钪含量介于0.3％～1％,晶粒可细化到10～lμm。铸造合金晶粒尺寸的细化将明显改进合金的显微组织。对于变形铝合金而言,如添加锆的A1—Mg—Sc合金,除Al3Sc和Al3Zr弥散体协同的强化作用外,晶粒细化还产生了额外的强化作用,从而保证了合金在预期使用温度下的力学性能与合金的热稳定性。美国宇航局在评估的C557Al—Mg—Sc合金有可能在-184℃～107℃(4)抗蚀性最近对Al-Mg-Sc合金腐蚀行为进行的研究表明,Al-2.5Mg-0.1Sc在3．5％NaCl溶液中经800h浸泡后,和常见的5456和6061铝镁合金比,其腐蚀率从每年0.038mm·g-1下降到0．023mm·g-1。被蚀重量下降的原因是形成了一层拜耳石(β—Al203·H2O)或一水软铝石(Al2O3·H2O)(亦称勃姆石)构成的保护膜。对它们点蚀坑的研究还表明,A1-Mg-Sc合金的蚀坑电位较A16061,A16013,A12024,3.1.2铝合金中添加少量元素钪,强度、塑性、抗蚀性与可焊性都有很大提高。因此,在20世纪60年代前苏联研发的基础上,俄罗斯、乌克兰及美、日、加等国于近十几年来研发出多种含钪铝合金,形成了包括Al—Mg—Sc,A1—Zn—Mg—Sc,A1—Mg—Li—Sc,Al—Cu—Li—Sc,Al—Zn—Mg—Sc近20个含钪铝合金牌号。可是钪价昂贵,据称美国市场99％纯Sc2O3的价格为700美元/千克,以金属价格是其原始化合物两倍推算,估计每千克钪价约1400美元。据美国铝业公司物理冶金实验室的A1-Sc二元相图,钪在铝中的最高平衡溶解度为0.35％～O.4％,其在铝中的过饱和溶液也仅为近0.6％。铝合金中钪的添加量一般以0.1％～0.5％为宜。这个添加量使铝合金的成本甚至于陡长了数倍,但钪在某些应用中其性能提高带来的巨大效益完全能够化解其在成本上带来的压力。3.2锶变质对Al—Si合金组织的影响铝硅合金的性能在很大程度上取决于变质剂的选择和变质工艺的合理制定。当前,钠盐仍是中国普遍采用的铝硅合金变质剂。钠变容易衰退,影响合金的内在质量。另外,钠盐腐蚀铸铁坩锅,给操作带来许多困难。锶(Sr)是一种长效变质剂,无污染。锶变质在国外已有三十年历史,在北美得到普遍应用。1973年全世界锶用量仅为40吨,1987年猛增至400吨,锶已成为新一代的变质剂。当前,西方世界对它的变质工艺、变质剂的制造皆进行了深入、系统的研究。最近十年来,在中国锶及锶盐的变质效果和生产工艺日益受到重视,现已进入应用阶段,主要用于亚共晶铝硅合金和共晶铝硅合金的变质。3.2.1锶属于碱土族元索,化学性质活泼。纯锶放置空气中,可与氧气或水蒸气作用,几分钟内可在表面形成一层SrO、SrO2、Sr(OH)2和(CaSr)NO3的混合物。因此,纯锶不易保存,也不宜直接加入铝液中。锶的熔点为768℃。锶在固态铝中溶解度甚微,但可与铝组成多种金属间化合物,如Al4Sr、Al2Sr和AlSr。据报导,Al4Sr、Al2Sr和AlSr的熔点或分解点分别为1025℃、925℃和664℃。锶在铝硅合金中除可形成上述金属间化合物外,还能够形成铝锶硅化合物,如SrAl2Si2。锶3.2.21、变质机理关于Sr的变质机理比较多,主要有下列几种[18]:Shamsuzzoha提出的TPRE机制认为,共晶生长中硅片的结晶生长前沿往往是孪晶凹谷。变质后,铝液中变质剂原子选择性地吸附富集在孪晶凹谷处,阻滞了硅原子向孪晶凹谷处长上去的速度,使生长受到抑制,晶体生长大部分被迫改变方向,导致硅晶体生长形态发生变化,同时也促使硅晶体发生高度分枝。Shamsuzzoha和Hogan提出的Zigzag孪晶生长模型支持了TPRE机制,她们认为导致孪晶Zigzag生长是由于Sr的毒化作用,Sr原子排推到AD界面前不断积累,降低了Si的生长速度,直到侧面的AB孪晶胚获得显著的生长优势。Sr的加入导致孪晶密度的增加原因是Sr吸附在Si晶体的{111}面上,降低了孪晶边界能。Dowling等人于1987年提出了侧面微观生长模型,对TPRE机制提出了质疑,她们发现Sr变质的共晶Si纤维是高度分枝的,在分枝中存在大量的非常薄的孪晶和堆积层错。同时,她们用透射电子显微镜在Si纤维终端没有发现任何微观台阶,因此对TPRE的机制的沿着孪晶凹谷生长方式提出了疑问。当前,最为流行的理论是1987年在台阶生长机制的基础上,LU和Hellawell提出的杂质诱导孪晶理论。该理论认为:变质元素吸附在硅的生长台阶上,阻碍硅以台阶生长机制长成片状,而且变质元素的原子在硅相表面的吸附改变了硅原子的堆积次序,从而在硅晶体中造成大量孪晶的产生,共晶硅相转而以孪晶凹谷机制生长。2、Sr对Al—Si合金凝固过程的影响L.LIU和A.M.SAMUEL等人系统地研究了Sr对几种铝合金凝固过程中共晶温度和凝固时间的影响情况,发现锶的加入降低了Al-Si共晶凝固温度,如表3.1。表3.1Sr对共晶温度和凝固时间的影响合金合金编号共晶温度/℃ 凝固时间/ｓ糊状区时间铝硅共晶时间总时间Al-7%SiA7S537.0150195351Al-7%Si+SrA7SS565.0189172360Al-12%SiA12S573.6411411Al-12%Si+SrA12SS566.734365399356A7SM570.1159156461356+SrA7SMS563.8194154479319A7SC563.7169130517319+SrA7SCS555.8195129529经过表3.1能够看出,在这些二元合金中,所有的凝固时间大概为糊状区和共晶凝固时间的总和,其中Al-12Si合金的全部凝固时间等于它的共晶凝固时间。然而,对于356和319合金而言,其总的凝固时间比其它两个的总时间都长的多。比较两种合金在无锶和有锶情况下的时间值,发现变质合金的糊状区时间变长了,可是两种情况下共晶凝固时间几乎一样。文献18的报道也证实了加入Sr以后,合金共晶反应的糊状区加大了。可是,Sr的加入使得合金液表面张力降低,而且降低了合金液在枝晶间的流动性,降低了补缩能力,这会导致合金中气孔数量增加。3、Sr变质对Al—Si合金组织的影响(1)未变质共晶硅的形态和微观结构①未变质共晶硅的形态图3-3为未变质时Al—Si合金的金相组织,共晶硅呈片状或针状。经过改变试样的冷却速度(厚壁砂型、薄壁SiC型、金属型)得到了不同形态的共晶硅,如图3-3所示。根据其共晶硅形态与分枝特征,可分为粗大片状共晶硅、片状共晶硅和针状共晶硅。针状共晶硅长20～40μm,宽约3μm,表面存在孪晶沟槽的片状分枝,片状共晶硅尺寸较大,无论是针状还是片状共晶硅,其边缘棱上均存在细小的锯齿状沟槽。图3-3未变质Al—Si合金相组织图3-4a为典型的粗大片状共晶硅形态,它的生长特征具有明显的立体形态与三维分枝特征,由于它逐渐生长、分枝,从而形成一簇发达的共晶硅,其特征为具有不断分枝和连续生长的特征。片状共晶硅的典型形态如图3-4b所示,其立体特征不明显,但硅表面存在各种缺陷。共晶硅沿着某择优生长方向延伸,呈细长片状,并在表面形成凸起等生长缺陷。图3-4c为典型针状共晶硅形态,其特征是硅片细长、挺直,一部分呈均匀的纤维状,另一部分则呈片状。其中许多共晶硅最初为具有片状分枝的纤维状图3-4Al—Si合金中未变质共晶硅形态②未变质共晶硅的微观结构从上面分析可知,Al—Si合金中共晶硅形态随冷却速度的加快从片状向针状转变,也可呈具有树枝分布特征的条状。为弄清楚共晶硅的生长特征,有必要分析它们的晶体学特征和微观结构。硅晶体的吉布斯因子α值接近2(大约为1.8),因此人们认为硅的生长应具有小平面的生长特征;而具有小平面生长特征的晶体,在生长过程中,晶体中的缺陷对生长起很大的作用,从而能够看出硅的小平面生长特征。典型的共晶硅形态如图3-5所示,在TEM下观察共晶硅具有明显的棱面特征,硅片内部含有{111}孪晶,但在端部很少看到凹角。硅片表面常有各种扰动,只是在与孪晶平面平行的{111}侧面才趋于光滑。图3-5Al—Si合金中共晶硅的微观结构(TEM)(2)加Sr变质对Al—Si合金组织的影响图3-6为加Al—10Sr变质后Al—Si合金中共晶硅形态,从图中可明显看出加Sr变质后的共晶硅成束分布,频繁分枝,连续生长。由图3-6a可见,当冷却速度较小时(砂型,慢冷),共晶硅基本上呈针状,部分呈片状,并有明显的成束分布特征,同一束共晶硅的生长方向趋于一致,但任意一共晶硅的生长和分枝都具有很大的灵活性;由图3-6b可见,当生长速度较快时(砂型,较快冷),共晶硅呈不规则的珊瑚状分布,主干和分枝都不断改变生长方向。图3-6c则表明,当生长速度进一步增大(金属型,快冷)时,共晶硅开始具有树枝分布特征,在部分区域能够看到较挺直的树枝主干,主干与主干之间的二次分枝都产生新的分枝。与未变质Al—Si合金中共晶硅形态比较,加Sr变质后,共晶硅形态发生很大变化;共晶硅大多呈针状,即使在较低的生长速度下,也只有少量的共晶硅呈片状,在生长速度较大时,共晶硅树枝晶主干和分枝处呈细长片状。也就是说,加图3-6加Al—10Sr变质后Al—Si合金中共晶形态①Sr加入量对共晶硅形态的影响加入不同量的Sr变质后,共晶硅的形态如图3-7所示。变质元素Sr的加入量在0.01%～0.07%范围内时,同未变质的合金相比,均取得明显的变质效果,随着Sr加入量的增加,共晶硅形貌尺寸均发生很大的变化。当Sr加入量为0.01%时,未变质时的片状共晶硅已转变为细小片状和枝晶,但共晶硅相尺寸相差很大,在约40μm和几个微米之间变化,而且形态差异较大,片状、树枝状和纤维状交织在一起,使组织分布不均匀。某些局部区域没有达到充分变质的效果,存在大尺寸片状共晶硅(如图3-7a)。当Sr加入量为0.03%时,共晶硅呈珊瑚状均匀分布,此时已达到良好的变质效果,组织不均匀性已得到明显改进,而且共晶硅尺寸进一步减小(如图3-7b)。当Sr加入量为0.05%时,共晶硅的形态尺寸分布已经非常均匀,此时已达到非常良好的变质效果,随着Sr量的进一步增加,共晶硅变均匀、细小。此时共晶Si形态已经完全转变为纤维状,尺寸在几个微米之间变化,与Sr加入量为0.03%时相比,组织更加细小、均匀(如图3-7c)。当加入量为0.07%时,亦没有发现过变质现象(如图3-7d)。由以上分析可知,随Sr加入量的增加,共晶硅的形貌变化为由片状变成针片状和图3-7Sr加入量对共晶硅形貌的影响②Sr加入温度对共晶硅形态的影响图3-8所示是采用不同温度加Sr变质时共晶硅的形态。由图可见,变质元素Sr的加入温度对共晶硅形貌和尺寸有很大的影响。在较低温度(700℃)加入时,存在尺寸较大的块状或片状共晶硅,纤维状共晶硅较少,尺寸也较粗大,表明变质元素Sr的作用得不到充分发挥。随着加入温度的提高,纤维状共晶硅增多,组织逐渐得到细化,形态差异逐渐减少,尺寸分布均匀。当加入温度为740℃时,已获得完全呈细小均匀分布的纤维状加少量层片状组织。当加入温度进一步提高时,组织变化不明显图3-8加入温度对Al2Si合金共晶硅形貌的影响4铝钛硼的细化机理晶粒细化是获得优良性能铝合金的重要手段之一。在所有的晶粒细化手段中,向铝熔体中添加晶粒细化剂是最简单、有效的方法。Al-Ti-B中间合金一直是铝行业中广泛使用的细化剂,该细化剂具有较好的细化效果,但其内部的TiB2聚集、沉淀以及Cr、Zr等元素的中毒现象使得细化效果衰退甚至消失。因此,人们开发了Al-Ti-C中间合金,但由于碳和铝不润湿,制备工艺非常复杂,并没有取得更好的细化效果。后来,人们尝试将稀土的变质、净化等性能与Al-Ti-B的细化作用结合起来,从而综合提升细化剂的性能[16]。有关Al-Ti-B中间合金的细化机理,至今没有统一的认识,但都肯定了TiAl3和TiB2的共同作用,这两种相的数量、尺寸、形态、分布决定了最终的细化效果。对于稀土在Al-Ti-B中的作用,一些学者认为:稀土本身就有非均质形核作用,由于在铝熔体中的溶解度非常小,会汇聚在固液界面前沿形成成分过冷,促进形核。稀土能够降低铝熔体面活化能,提高铝熔体在TiAl3和TiB2表面的润湿性,使其形核更充分,稀土能够阻碍TiB2的聚集、沉淀。有学者提出铝钛稀土化合物的非均质形核作用,但没有提出确切的作用机制。实验表明,稀土与TiAl3结合生成Ti2Al20RE,尺寸为几十微米,因此不应该作为异质晶核核心,否则经细化后的铝材不可能轧制几十微米厚的铂材。有人提出铝钛稀土相在铝熔体中会重新熔解,起细化作用的依然是TiAl3与Al的包晶反应,但稀土能够阻碍新相分解,提高细化长效性,这一观点还缺乏系统的证明。添加稀土元素可使TiAl3尺寸减小、TiB2分布更均匀弥散,是提高细化效果和延长作用时间的一个重要原因。当稀土含量达到3.53%时,中间合金中TiAl3尺寸最小,TiB2也比较均匀,取得了很好的细化效果,体现出了Ti2Al20RE和TiB2的共同作用;但具体的细化机制以及稀土如何发挥作用还需要作进一步研究。5结论与展望5.1结论本文依据材料强化的理论,以铝硅合金为基础,对其进行了成分及工艺的优化设计,较系统的研究了合金元素、变质剂以及热处理工艺对合金显微组织及力学性能的影响。经过实验研究,得出的主要结论如下:(1)将Sc加入铝硅合金后,抗拉强度得到明显的提升;Mn元素为主要的影响韧性的合金元素,加入Mn元素后,断后延伸率得到明显改进。(2)经过实验,四种合金元素相互作用,得到主要元素成分搭配方案:Si(7%),Cu(1.5%),Mg(0.5%),Mn(0.1%),使合金的抗拉轻度和延伸率比普通的合金得到大幅度的提高。(3)对ZL702铝合金熔炼过程进行研究。熔炼过程中,在820℃下保温30min,硅可完全熔化;在720℃～730℃之间,加入细化剂Al—5Ti—B;在730℃～740℃时,加入Al—10Sr中间合金变质剂;在730℃～740℃时,加入Al-Sc中间合金细化剂;在730℃～740℃时加入C(4)经过实验可确定最优配比为Sr0.06%,Ti0.15%,Sc0.05%,C2Cl6精炼剂的含量为0.6%。(5)经过热处理工艺(固溶淬火:490℃×4小时+520℃×6小时+540℃×9小时;时效处理:170℃×9小时,空冷)后,性能明显提升。(6)最后的验证实验的结果:σb=361MPa,δ=8.4%,比普通铝合金的强韧性有了大幅度的提高。5.2发展展望铝钪合金作为一种集诸多优异性能于一体的新型结构材料,日益引起广泛关注。一些文献预言,Al-Sc合金是未来适合航空航天的具有高强、高韧、耐热性的理想材料。而事实上,将来含钪铝合金在船舶、航天工业、火箭、导弹、核能等高新尖技术部门应用会十分广泛。可见铝钪合金发展的前景是令人乐观的。钪作为发展新一代高性能铝合金最有希望的微合金化元素,其资源是很丰富的。它虽是分散性元素,但在地壳中的丰度为6×10-4%,比许多贵金属如金、银储量要大。中国属丰钪国家,Sc2O3产量已居世界第一,已成为钪生产和输出大国,故充分利用资源优势开展铝钪合金的研究对推动科技和经济发展是有重要意义的。然而尽管Sc不存在资源问题,但价格过高(曾一度超过黄金),仍是一大困难。要解决该问题,除进改Sc提取工艺外,更重要的是开发工艺合理、成本低廉的铝钪合金工业生产技术,使产品成本下降,以迅速拓展消费市场,从而获得更大进步。当前国外对钪在工业铝合金中的应用,已进行了许多研究。并取得了一些积极成果。中国的相应研究也有一定基础,以后重点是要在Sc与Mn、Cr、Zr、Ti等过渡族元素的复合合金化、时效制度,铝钪合金的抗蚀性、耐热性、焊接性等应用性能方面作深入探讨。相信在不远的将来,性能优异、价格合理的钪铝合金将以其特有的优势而拥有广阔的应用空间。参考文献[1]柏振海,熊俊,罗兵辉.钪在铝合金中的作用.合金与热处理.,24(6):33～37[2]王月.含钪铝合金的研究进展.上海金属,,1,25(1):36～40[3]杨遇春.大有作为的含钪铝合金.金属世界.,第一期:34～35[4]张明杰.铝钪合金的性质和生产.材料与冶金学报.,6,1(2)110～115[5]林河成.钪的工业及其市场,世界有色金属.1994,3,8～12[6]InternationalConferenceofScandium,AvstractofReports,Moscow,1994,10:18～19.[7]MousaviMG,CrossCE.EffectofScandiumandTitanium-boronongrainrefinementandhotcrackingofaluminumalloy7108〔J〕.ScienceandTechnologyJournal,1999,4(6):381～388[8]古秀莲.共晶铝硅合金的变质处理.1998,11:1～2[9]陆文华等铸造合金及其熔炼.北京-机械工业出版社,,8:299～339[10]李汉广,尹志民。钪的发展动态和发展战略。稀有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