稀土處理對zl108合金性能的影響

稀土處理對zl108合金性能的影響

鋁密度是鋼鐵的1.3，比強度高。這是一個重要的工業(yè)合金。由于其良好的鑄造性能、較高的強度、較低的密度和良好的耐腐蝕性，它被廣泛應(yīng)用于航空、車輛等機械制造領(lǐng)域。但是氣孔和夾雜的存在使鋁合金鑄件的機械性能變壞,抗腐蝕性能下降,因此,除夾雜和除氣是提高鋁合金機械性能的關(guān)鍵。氫是鋁合金中的主要氣體成分,占總量的85%以上,鋁合金的去氣實際上就是脫氫。已有的研究表明稀土對改善鋁合金的組織、提高鋁合金的性能以及去除其中的氫都有較好的作用。本研究在前人工作的基礎(chǔ)上,通過研究富鑭稀土對ZL108合金組織與性能的影響,以進一步探討稀土對ZL108合金的精煉、變質(zhì)、細化晶粒以及除氣等特點。1研究和實驗方法1.1以原材料中的硅材料為實驗用鋁合金由不同的原材料組成,實驗用原材料分別為:99.7%鋁錠,98%結(jié)晶硅,99.95%鎂錠,紫銅以及Al-10%RE(混合稀土)中間合金。1.2試樣棒和光譜分析在60kW的電阻坩堝爐內(nèi)熔化合金,熔清,加入混合稀土加以變質(zhì)處理,稀土總量預(yù)期在0.3%左右。實驗過程控制溫度在740±10℃。分別在原料的熔化態(tài)和稀土加入后5,10,20,30min澆注Φ12標(biāo)準(zhǔn)試樣棒和光譜分析樣品,以進行機械性能測試和化學(xué)分析用。稀土加入并熔化后,合金穩(wěn)定的化學(xué)成分見表1,化學(xué)成分分析采用DV-6型直讀光譜儀完成,實際稀土含量為0.24%。2結(jié)果2.1稀土對鋁合金強度和延伸率的影響采用INSTRON4208型機械性能拉伸機測試合金的機械性能,結(jié)果見表2和圖1。從機械性能結(jié)果可知,未加稀土?xí)r合金的抗拉強度σb和延伸率δ(均比加入稀土的合金要低。在加入0.24%的稀土元素后,鋁合金的抗拉強度提高了23%,達到了213.39MPa,其延伸率也比未加稀土?xí)r提高了79.4%。而稀土加入后合金的機械性能隨處理時間的延長略有下降,此后變化程度不大,即稀土對合金機械性能的影響在較短的時間內(nèi)就趨于穩(wěn)定,換言之,通過稀土與合金之間的作用來改善合金機械性能的過程比較簡便。2.2拉伸斷口形貌及斷口分析從ZL108鋁合金稀土處理前后的金相組織來看,稀土加入前合金組織中的共晶硅呈粗大的針片狀,分布于基體中的比例相當(dāng)大,如圖2(a)所示,這種針片狀的共晶硅較硬且脆,對基體的強度和韌性都有較大的危害性,因此其強度和韌性均較低。而加入混合稀土處理5min后的合金組織形貌見圖2(b)所示,針片狀的共晶硅已得到很好的細化,同時也使α-Al相得到了一定程度的細化,從而使其強度和韌性得以提高。斷口情況,見圖3(a)和3(b)所示。圖3(a)是未加稀土的合金拉伸斷口掃描電鏡形貌。從圖中可看出,未加稀土的鋁合金斷口表面呈準(zhǔn)解理和韌窩狀態(tài),表現(xiàn)出脆性與韌性結(jié)合的混合斷裂特征,這種局部區(qū)域內(nèi)準(zhǔn)解理花樣向周圍發(fā)散的現(xiàn)象遍布于整個斷口。能譜分析結(jié)果說明解理中心部位的硅含量較高,圖3(a)中不同部位的硅含量的能譜分析結(jié)果見圖4。圖3(b)是加入混合稀土處理合金5min后樣品的拉伸斷口形貌,清晰地表明了斷口的韌性特征,其上以韌窩為主,斷面具有明顯的塑性變形和撕裂的痕跡,脆性斷裂的特征大大減少。說明稀土元素的加入細化了合金中的共晶硅和基體α-Al,從而抑制了誘發(fā)合金脆性斷裂的因素,提高了合金的機械性能。2.3稀土對合金中氫的總含量的影響將相同實驗條件下的澆注試棒制成合適的樣品,用LecoRH-402型定氫分析儀測定了固態(tài)試樣中的氫含量。結(jié)果見圖5所示。由圖5可以看出,稀土處理前試樣中氫的總含量要略高于稀土處理后的樣品,在未加入稀土處理時,合金中氫的總含量為0.29ml/100g(Al),采用稀土處理后,合金中氫的總含量有所下降,但基本保持在相同的水平上,表明稀土加入后仍有相當(dāng)部分的氫留在了合金中。結(jié)合稀土對合金機械性能及組織形態(tài)的改變情況,說明稀土的加入在改變合金組織的同時也改變了氫的存在狀態(tài)。由于稀土的加入細化了合金組織,減小了二次枝晶的間距,提高了合金的抗拉強度和延伸率,降低了合金的針孔率,在冷卻過程中使部分氫從合金中溢出,稀土與氫又比較容易形成稀土氫化物,可改變氫的存在狀態(tài),減少合金內(nèi)部可能發(fā)生的游離氫聚集現(xiàn)象,有利于合金性能的提高。3稀土增加了鋁及鋁合金中氫的等采用富鑭混合稀土處理ZL108合金的實驗結(jié)果表明,稀土的加入提高了合金的抗拉強度和延伸率,細化了基體、共晶硅及二次枝晶的晶粒度,對改善合金的機械性能極有幫助。從孿晶生長的角度考慮,變質(zhì)劑原子半徑大小是衡量其變質(zhì)能力的首要條件,最合適的半徑比是r變質(zhì)劑/rSi≈1.65,則合適的變質(zhì)劑原子半徑應(yīng)在0.181nm以上,由于本研究所用的稀土元素的原子半徑大于該值,所以對共晶硅具有明顯的變質(zhì)效果。一般認(rèn)為,當(dāng)稀土加入到鋁中時,形成α(Al)+Al4RE共晶,共晶溫度高于ZL108鋁合金的液相線溫度,當(dāng)熔體開始凝固時,來自上述共晶體中的α(Al)成為結(jié)晶的核心,起到了細化晶粒和二次枝晶的效果。盡管鋼鐵材料中氫的聚集容易誘發(fā)脆斷,且這方面的工作有過大量、深入的工作,但氫影響鋁合金性能的研究較少。一般說來,鋁及鋁合金中出現(xiàn)氫致脆性斷口時所需分子氫含量僅約0.01ml/100g(Al),比鋼鐵中低一到兩個數(shù)量級,可見控制鋁合金中的分子態(tài)氫含量,或改變氫的存在狀態(tài)十分重要。氫是鋁及鋁合金中唯一的有明顯溶解度的氣體,可通過下列反應(yīng)生成氫并為鋁液吸收,Al(s)+3H2O(g)?→??<250℃Al(OH)3+32H2(g)(1)Al(s)+3Η2Ο(g)→<250℃Al(ΟΗ)3+32Η2(g)(1)Al(l)+32H2O(g)?→??>660℃12Al2O3+3[H](2)Al(l)+32Η2Ο(g)→>660℃12Al2Ο3+3[Η](2)低溫下由(1)式生成的Al(OH)3在高溫下發(fā)生分解,2Al(OH)3→Al2O3+3H2O(g)(3)分解出的水蒸氣按式(2)與鋁液作用生成[H]而溶于鋁液中。氫在液態(tài)和固態(tài)鋁合金中的溶解度相差較大,當(dāng)合金凝固時,有大量的氣泡從熔體中析出,從而使留在鋁合金中的氫大大降低,但氣泡析出過程中容易使合金內(nèi)部產(chǎn)生針孔及成分偏析等。殘留在鋁合金中的氫主要有3種,固溶態(tài)、化合態(tài)和分子態(tài)。在凝固過程中,氫比較容易在合金中的氧化物夾雜和粗大的共晶硅處“形核”和長大。也比較容易在這些位置形成針孔等缺陷。文獻的研究也表明,由于氫與夾雜有共生效應(yīng),鋁合金的除氣(氫)即除夾雜。在鑄鋁合金中,不可避免存在氧化鋁等夾雜物存在,加入稀土后,由于稀土對氧的親和力大于鋁與氧的親和力,所以稀土能將氧化鋁等夾雜還原,形成比重較鋁及氧化鋁更大的稀土氧化物,從而降低了鋁液中懸浮夾雜的數(shù)量,減少了氫的形核核心。另外,稀土加入后對粗大共晶硅進行變質(zhì),進一步減少了因氫聚集而導(dǎo)致的脆性誘發(fā)因素。從實驗結(jié)果看,氫的總含量在稀土加入前后變化不大,但合金組織形態(tài)發(fā)生明顯變化,說明稀土的加入改變了合金中氫的存在方式,即氫從分子(原子)態(tài)或固溶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛蠎B(tài),這種存在方式的改變大大降低了合金發(fā)生脆斷的可能性。這與有關(guān)文獻提出的固氫理論相一致,即稀土與氫發(fā)生如下反應(yīng),[RE]+2[H]=[REH2](4)從而減少了游離氫的存在,避免了因氫聚集而發(fā)生脆性斷裂的問題。稀土元素如La,Ce等與氫的電負(fù)性差別較大,可在熔煉溫度下與氫形成穩(wěn)定的氫化物,并且隨著溫度的降低,這種氫化物越來越穩(wěn)定,也就達到了固氫的作用?？傊?稀土在改善合金組織形態(tài)的同時,也改變了氫的存在方式,這種綜合作用使合金的力學(xué)性能有了較大的提高。4稀土處理的金