稀土处理对zl108合金性能的影响

稀土处理对zl108合金性能的影响

铝密度是钢铁的1.3，比强度高。这是一个重要的工业合金。由于其良好的铸造性能、较高的强度、较低的密度和良好的耐腐蚀性，它被广泛应用于航空、车辆等机械制造领域。但是气孔和夹杂的存在使铝合金铸件的机械性能变坏,抗腐蚀性能下降,因此,除夹杂和除气是提高铝合金机械性能的关键。氢是铝合金中的主要气体成分,占总量的85%以上,铝合金的去气实际上就是脱氢。已有的研究表明稀土对改善铝合金的组织、提高铝合金的性能以及去除其中的氢都有较好的作用。本研究在前人工作的基础上,通过研究富镧稀土对ZL108合金组织与性能的影响,以进一步探讨稀土对ZL108合金的精炼、变质、细化晶粒以及除气等特点。1研究和实验方法1.1以原材料中的硅材料为实验用铝合金由不同的原材料组成,实验用原材料分别为:99.7%铝锭,98%结晶硅,99.95%镁锭,紫铜以及Al-10%RE(混合稀土)中间合金。1.2试样棒和光谱分析在60kW的电阻坩埚炉内熔化合金,熔清,加入混合稀土加以变质处理,稀土总量预期在0.3%左右。实验过程控制温度在740±10℃。分别在原料的熔化态和稀土加入后5,10,20,30min浇注Φ12标准试样棒和光谱分析样品,以进行机械性能测试和化学分析用。稀土加入并熔化后,合金稳定的化学成分见表1,化学成分分析采用DV-6型直读光谱仪完成,实际稀土含量为0.24%。2结果2.1稀土对铝合金强度和延伸率的影响采用INSTRON4208型机械性能拉伸机测试合金的机械性能,结果见表2和图1。从机械性能结果可知,未加稀土时合金的抗拉强度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,铝合金的抗拉强度提高了23%,达到了213.39MPa,其延伸率也比未加稀土时提高了79.4%。而稀土加入后合金的机械性能随处理时间的延长略有下降,此后变化程度不大,即稀土对合金机械性能的影响在较短的时间内就趋于稳定,换言之,通过稀土与合金之间的作用来改善合金机械性能的过程比较简便。2.2拉伸断口形貌及断口分析从ZL108铝合金稀土处理前后的金相组织来看,稀土加入前合金组织中的共晶硅呈粗大的针片状,分布于基体中的比例相当大,如图2(a)所示,这种针片状的共晶硅较硬且脆,对基体的强度和韧性都有较大的危害性,因此其强度和韧性均较低。而加入混合稀土处理5min后的合金组织形貌见图2(b)所示,针片状的共晶硅已得到很好的细化,同时也使α-Al相得到了一定程度的细化,从而使其强度和韧性得以提高。断口情况,见图3(a)和3(b)所示。图3(a)是未加稀土的合金拉伸断口扫描电镜形貌。从图中可看出,未加稀土的铝合金断口表面呈准解理和韧窝状态,表现出脆性与韧性结合的混合断裂特征,这种局部区域内准解理花样向周围发散的现象遍布于整个断口。能谱分析结果说明解理中心部位的硅含量较高,图3(a)中不同部位的硅含量的能谱分析结果见图4。图3(b)是加入混合稀土处理合金5min后样品的拉伸断口形貌,清晰地表明了断口的韧性特征,其上以韧窝为主,断面具有明显的塑性变形和撕裂的痕迹,脆性断裂的特征大大减少。说明稀土元素的加入细化了合金中的共晶硅和基体α-Al,从而抑制了诱发合金脆性断裂的因素,提高了合金的机械性能。2.3稀土对合金中氢的总含量的影响将相同实验条件下的浇注试棒制成合适的样品,用LecoRH-402型定氢分析仪测定了固态试样中的氢含量。结果见图5所示。由图5可以看出,稀土处理前试样中氢的总含量要略高于稀土处理后的样品,在未加入稀土处理时,合金中氢的总含量为0.29ml/100g(Al),采用稀土处理后,合金中氢的总含量有所下降,但基本保持在相同的水平上,表明稀土加入后仍有相当部分的氢留在了合金中。结合稀土对合金机械性能及组织形态的改变情况,说明稀土的加入在改变合金组织的同时也改变了氢的存在状态。由于稀土的加入细化了合金组织,减小了二次枝晶的间距,提高了合金的抗拉强度和延伸率,降低了合金的针孔率,在冷却过程中使部分氢从合金中溢出,稀土与氢又比较容易形成稀土氢化物,可改变氢的存在状态,减少合金内部可能发生的游离氢聚集现象,有利于合金性能的提高。3稀土增加了铝及铝合金中氢的等采用富镧混合稀土处理ZL108合金的实验结果表明,稀土的加入提高了合金的抗拉强度和延伸率,细化了基体、共晶硅及二次枝晶的晶粒度,对改善合金的机械性能极有帮助。从孪晶生长的角度考虑,变质剂原子半径大小是衡量其变质能力的首要条件,最合适的半径比是r变质剂/rSi≈1.65,则合适的变质剂原子半径应在0.181nm以上,由于本研究所用的稀土元素的原子半径大于该值,所以对共晶硅具有明显的变质效果。一般认为,当稀土加入到铝中时,形成α(Al)+Al4RE共晶,共晶温度高于ZL108铝合金的液相线温度,当熔体开始凝固时,来自上述共晶体中的α(Al)成为结晶的核心,起到了细化晶粒和二次枝晶的效果。尽管钢铁材料中氢的聚集容易诱发脆断,且这方面的工作有过大量、深入的工作,但氢影响铝合金性能的研究较少。一般说来,铝及铝合金中出现氢致脆性断口时所需分子氢含量仅约0.01ml/100g(Al),比钢铁中低一到两个数量级,可见控制铝合金中的分子态氢含量,或改变氢的存在状态十分重要。氢是铝及铝合金中唯一的有明显溶解度的气体,可通过下列反应生成氢并为铝液吸收,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)低温下由(1)式生成的Al(OH)3在高温下发生分解,2Al(OH)3→Al2O3+3H2O(g)(3)分解出的水蒸气按式(2)与铝液作用生成[H]而溶于铝液中。氢在液态和固态铝合金中的溶解度相差较大,当合金凝固时,有大量的气泡从熔体中析出,从而使留在铝合金中的氢大大降低,但气泡析出过程中容易使合金内部产生针孔及成分偏析等。残留在铝合金中的氢主要有3种,固溶态、化合态和分子态。在凝固过程中,氢比较容易在合金中的氧化物夹杂和粗大的共晶硅处“形核”和长大。也比较容易在这些位置形成针孔等缺陷。文献的研究也表明,由于氢与夹杂有共生效应,铝合金的除气(氢)即除夹杂。在铸铝合金中,不可避免存在氧化铝等夹杂物存在,加入稀土后,由于稀土对氧的亲和力大于铝与氧的亲和力,所以稀土能将氧化铝等夹杂还原,形成比重较铝及氧化铝更大的稀土氧化物,从而降低了铝液中悬浮夹杂的数量,减少了氢的形核核心。另外,稀土加入后对粗大共晶硅进行变质,进一步减少了因氢聚集而导致的脆性诱发因素。从实验结果看,氢的总含量在稀土加入前后变化不大,但合金组织形态发生明显变化,说明稀土的加入改变了合金中氢的存在方式,即氢从分子(原子)态或固溶态转变为化合态,这种存在方式的改变大大降低了合金发生脆断的可能性。这与有关文献提出的固氢理论相一致,即稀土与氢发生如下反应,[RE]+2[H]=[REH2](4)从而减少了游离氢的存在,避免了因氢聚集而发生脆性断裂的问题。稀土元素如La,Ce等与氢的电负性差别较大,可在熔炼温度下与氢形成稳定的氢化物,并且随着温度的降低,这种氢化物越来越稳定,也就达到了固氢的作用。总之,稀土在改善合金组织形态的同时,也改变了氢的存在方式,这种综合作用使合金的力学性能有了较大的提高。4稀土处理的金