畢業(yè)論文稀土元素Ce對(duì)鋁銅合金組織性能影響的研究

1、18稀土元素ce對(duì)鋁銅合金組織性能影響的研究 第 頁(yè) 共 17 頁(yè)稀土元素ce對(duì)鋁銅合金組織性能影響的研究安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)技術(shù)學(xué)院 11機(jī)制 合肥230036摘要高強(qiáng)度鑄造鋁合金具有良好的室溫和高溫強(qiáng)度,但它的晶粒細(xì)化程度一直是制約其發(fā)展的瓶頸。通過(guò)對(duì)合金的結(jié)晶條件、細(xì)化晶粒和抑制其再結(jié)晶行為進(jìn)行測(cè)試,研究了微量合金元素(cu,si,ce,mg,mn)對(duì)鋁合金晶粒細(xì)化性能的影響。其結(jié)果表明，cu,si,ce,mg,mn合金元素能使鋁合金的晶粒細(xì)化程度提高;加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的si會(huì)使合金的再輝現(xiàn)象非常嚴(yán)重,導(dǎo)致合金不可能有很高的強(qiáng)度而很快斷裂;與其他alcu4.5si合金相比,alcu4.5s

2、i3合金具有很強(qiáng)的補(bǔ)縮能力,斷裂應(yīng)力值最高;la的加入能縮小二次枝晶間距,明顯提高合金的抗熱裂性能。關(guān)鍵詞:樹枝晶鑄造alcu合金 補(bǔ)縮 等軸晶 熱處理1、緒論隨著航空航天、新型高速列車、汽車、船舶制造業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的金屬材料已經(jīng)逐漸被工業(yè)生產(chǎn)淘汰，取之而來(lái)的是更為優(yōu)秀的新型合金材料。鎳合金、鈷合金、鈦合金、鋁合金、不銹鋼及其它特種金屬已經(jīng)是航空航天的主導(dǎo)材料。這些優(yōu)秀的新型材料會(huì)在保證使用強(qiáng)度的前提下，減輕使用的重量以及成本，以提高運(yùn)載能力和速度。密度小，強(qiáng)度高的合金當(dāng)然會(huì)取代傳統(tǒng)的金屬材料，成為21世紀(jì)最受歡迎的材料。因?yàn)樵诘貧ぶ袖X的含量為最高，所以成本比較低，強(qiáng)度也非常優(yōu)秀，所以

3、在工業(yè)生產(chǎn)制造中鋁合金成為工業(yè)中很受歡迎的發(fā)展對(duì)象。鋁合金優(yōu)點(diǎn)有：質(zhì)量輕，延展性好，強(qiáng)度高，可回收再造率高，較環(huán)保的一種新型材料。很多國(guó)家和領(lǐng)域都在不斷地探索和發(fā)覺鋁合金更大的潛力，并不斷的優(yōu)化其物理和化學(xué)性能，使其具有人們所需要的使用力學(xué)效果外，還具有抗化學(xué)變化的儲(chǔ)存和延長(zhǎng)其使用壽命效果。目前al-cu系鑄造鋁合金是一種具有優(yōu)秀鑄造性能的工程鋁合金材料世界各國(guó)都有類似的成分牌號(hào)。 表1-1 各國(guó)鑄造al-cu合金牌號(hào)及技術(shù)參數(shù)國(guó)家牌號(hào)抗拉強(qiáng)度/mpa延伸率/%中國(guó)zl2012201zl201a2702zl2022902zl2032902美國(guó)356.02073a356.02344a357.02

4、833德國(guó)almelec2703鋁合金密度小而強(qiáng)度高，因此在高端的航空領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在各種鋁合金中，al-cu系合金鑄造性能優(yōu)良，比如可塑性好，氣密性好，延展性好等，但是在自然界中經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的提取后其力學(xué)性能確實(shí)一般，因此要通過(guò)一些外界的干預(yù)，提高其力學(xué)性能，使其擁有較理想的強(qiáng)度和韌性，因此人們?cè)诓粩嗟奶剿鞲鼉?yōu)良的工藝及細(xì)化晶粒的催化劑。純度比較高的熔體、和理性的細(xì)化變質(zhì)效果是鋁合金潛力發(fā)揮的重要條件。因此，人們探索發(fā)現(xiàn)各種工藝和催化劑旨在于此。鈰（ce）的密度低，在鋁合金和鋁材料中同時(shí)具有過(guò)渡金屬和稀土金屬這兩類金屬的作用，效果卻比這兩類金屬對(duì)鋁合金組織性能的影響大。含ce鋁合金強(qiáng)度高，熱穩(wěn)定

5、性好，有強(qiáng)烈的失效硬化效應(yīng)，是發(fā)展高強(qiáng)度，耐高溫和抗腐蝕性結(jié)構(gòu)鋁合金的一種微量添加元素。近些年來(lái)，含ce鋁合金收到金屬材料界的重視，從大量的理論基礎(chǔ)和實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中都做了不少研究，西方歐美國(guó)家在這方面起步要比我過(guò)早，我國(guó)目前還處于起步階段。1.1鈰（ce）的概述鈰（shì），原子序數(shù)58，原子量140.115，元素名來(lái)源于小行星谷神星的英文名。1803年德國(guó)化學(xué)家克拉普羅特、瑞典化學(xué)家貝采利烏斯分別發(fā)現(xiàn)了鈰的氧化物。鈰的天然穩(wěn)定同位素有4種：鈰136、138、140、142。鈰在地殼中的含量約0.0046%，是稀土元素中豐度最高的。為鐵灰色金屬，有延展性，熔點(diǎn)799°c，沸

6、點(diǎn)3426°c，密度6.657克/厘米³。鈰是除銪外稀土元素中最活潑的。鈰在室溫下很容易氧化;在冷水中緩慢分解，在熱水中反應(yīng)加快;大多數(shù)鈰鹽及其溶液為橙紅色到橙黃色，具有反磁性和強(qiáng)氧化性。二氧化鈰用于拋光精密玻璃制品，也可做玻璃去色劑和用于生產(chǎn)有色玻璃，硝酸鈰用于制造白熾燈罩。1.1.1鈰的性質(zhì)金屬鈰（ce）：鈰元素的原子序數(shù)58，鈰是一種銀灰色的活潑金屬，粉末在空氣中易自燃，易溶于酸。主要存在獨(dú)居石和氟碳鈰礦中，也存在于鈾、釷、钚的裂變產(chǎn)物中。常由氧化鈰用鎂粉還原，或由電解熔融的氯化鈰而制得。在地殼中的含量約0.0046%，是稀土元素中豐度最高的。鈰主要存在獨(dú)居石和氟碳鈰

7、礦中，也存在于鈾、釷、钚的裂變產(chǎn)物中。常由氧化鈰用鎂粉還原，或由電解熔融的氯化鈰而制得。鈰在室溫下很容易氧化，在空氣中很容易失去光澤，用刀刮即可在空氣中燃燒（純的鈰不易自燃，但稍氧化或與鐵生成合金時(shí)，極易自燃）。加熱時(shí)，在空氣中燃燒生成二氧化鈰。能與沸水作用產(chǎn)生氫氧化鈰，溶于酸，不溶于堿。鈰也能在鹵素中燃燒，如在氯氣中燃燒，產(chǎn)生三氯化鈰(cecl)：2 ce + 3 cl=(或點(diǎn)燃)= 2 cecl。受低溫和高壓時(shí)，出現(xiàn)一種反磁性體，比普通形式的鈰致密18%。用于制造打火石、陶瓷和合金等。鈰是除銪外稀土元素中最活潑的。鈰在冷水中緩慢反應(yīng)，在熱水中反應(yīng)加快。1.1.2鈰的用途用作合金添加劑，及用

8、于生產(chǎn)鈰鹽等，也用于醫(yī)藥、制革、玻璃、紡織等工業(yè)。鈰可作催化劑、電弧電極、特種玻璃等。鈰的合金耐高熱，可以用來(lái)制造噴氣推進(jìn)器零件。1：鈰作為玻璃添加劑，能吸收紫外線與紅外線，現(xiàn)已被大量應(yīng)用于汽車玻璃。不僅能防紫外線，還可降低車內(nèi)度，從而節(jié)約空調(diào)用電。從1997年起，日本汽車玻璃全加入氧化鈰，1996年用于汽車玻璃的氧化鈰至少有2000噸，美國(guó)約1000多噸。2：目前正將鈰應(yīng)用到汽車尾氣凈化催化劑中，可有效防止大量汽車廢氣排到空氣中美國(guó)在這方面的消費(fèi)量占稀土總消費(fèi)量的三分之一強(qiáng)。3：硫化鈰可以取代鉛、鎘等對(duì)環(huán)境和人類有害的金屬應(yīng)用到顏料中，可對(duì)塑料著色，也可用于涂料、油墨和紙張等行業(yè)。目前領(lǐng)先的

9、是法國(guó)羅納普朗克公司。4：ce:lisaf激光系統(tǒng)是美國(guó)研制出來(lái)的固體激光器，通過(guò)監(jiān)測(cè)色氨酸濃度可用于探查生物武器，還可用于醫(yī)學(xué)。鈰應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，幾乎所有的稀土應(yīng)用領(lǐng)域中都含有鈰。如拋光粉、儲(chǔ)氫材料、熱電材料、鈰鎢電極、陶瓷電容器、壓電陶瓷、鈰碳化硅磨料、燃料電池原料、汽油催化劑、某些永磁材料、各種合金鋼及有色金屬等。5：制造高輝度碳弧燈，摻入特種金屬里充當(dāng)合金添加劑。氧化物用于光學(xué)器件和玻璃工業(yè)，鈰鹽用于攝影和紡織工業(yè)。鈰可作催化劑、電弧電極、特種玻璃等。鈰的合金耐高熱，可以用來(lái)制造噴氣推進(jìn)器零件。硝酸鈰可用來(lái)制造煤氣燈上用的白熱紗罩。6：鈰 - 鈰鋁 鈰鋁就是我們平時(shí)說(shuō)的ce鋁，ce鋁

10、是一種新型的鈰(ce)系純鋁復(fù)合涂層。主要包括鈰(ce)系純鋁涂層和環(huán)氧乙烯酯漆涂層，所述鈰(ce)系純鋁涂層是以鋁為原料，添加鈰(ce)元素的熱噴涂層，所述環(huán)氧乙烯酯漆涂層為鈰ce鋁熱噴涂層的封閉層和功能涂層。鈰(ce)系純鋁涂層添加元素鈰(ce)重量百分比0.05-0.50%(wt)，其它雜質(zhì)鐵+銅+硅0.30%(wt)，余量為鋁，還可輔助添加元素鎂，系純鋁涂層的制作方法為：加工制作成線材或者粉末用熱噴涂技術(shù)在鋼鐵表面制作成ce鋁噴涂層。所述環(huán)氧乙烯酯漆涂層為以環(huán)氧乙烯酯樹脂為原料，添加炭化硅和鋁粉或鋁粉漿。環(huán)氧乙烯酯漆作為ce系鋁涂層的封閉層、中間層和表面層，也還可以其它油漆涂料代替其中

11、的某一層或者全部。一種鈰(ce)系純鋁復(fù)合涂層，主要包括：鈰(ce)系純鋁涂層和環(huán)氧乙烯酯漆涂層，其特征在于：所述鈰(ce)系純鋁涂層是以鋁為原料，添加鈰 (ce)元素的熱噴涂層，所述環(huán)氧乙烯酯漆涂層為鈰ce鋁熱噴涂層的封閉層和功能涂層。1.1.3鈰的資源制取及儲(chǔ)存鈰是地殼中最豐的稀土金屬。用鈣還原氧化亞鈰或電解氯化亞鈰可制得金屬鈰。70g三氯化鈰、18.5g鈣在惰性氣氛下徹底混合搖勻裝入鉭坩堝或用機(jī)動(dòng)壓力機(jī)壓成圓柱體放在鉭坩堝中，坩堝配有打孔的鉭蓋子以便通氣，置于密閉mgo坩堝（d=0.0508m,h=0.1778m）中。然后放在石英管（d=0.11615m）中，管的一端熔封，另一端打磨后嵌

12、入55/50錐形接頭中。用石蠟將石英管密封在真空體系中（0.133pa）。充入ar（先通過(guò)熱的金屬鈾純化）到=101.325kpa，用6kw感應(yīng)爐加熱到550600，使反應(yīng)發(fā)生（鉭坩堝溫度突然上升為據(jù)）。5min后達(dá)到1000，維持13min使產(chǎn)生的稀土金屬完全結(jié)塊。冷卻到室溫，用水浸泡鉭坩堝以除掉cacl、ca，稀土金屬融塊保留在底部（1%3%ca）。儲(chǔ)存于陰涼、通風(fēng)的庫(kù)房。遠(yuǎn)離火種、熱源。庫(kù)溫不宜超過(guò)30。包裝要求密封，不可與空氣接觸。應(yīng)與氧化劑、酸類、鹵素、食用化學(xué)品分開存放，切忌混儲(chǔ)。采用防爆型照明、通風(fēng)設(shè)施。禁止使用易產(chǎn)生火花的機(jī)械設(shè)備和工具。儲(chǔ)區(qū)應(yīng)備有泄漏應(yīng)急處理設(shè)備。1.2鋁銅a

13、l-cu合金概述 2系列鋁銅合金以銅為主要合金元素的鋁合金，它包括al-cu-mg合金、al-cu-mg-fe-ni合金和al-cu-mn合金等，屬熱處理可強(qiáng)化合金。2系列合金特點(diǎn)是強(qiáng)度高，通常稱為硬鋁合金，其耐熱性能和加工性能良好，但耐蝕性不如大多數(shù)其他鋁合金好，在一定條件下會(huì)產(chǎn)生晶間腐蝕，因此板材往往需要包覆一層純鋁或6系列鋁合金，提高抗腐蝕性。其中al-cu-mg-fe-ni合金有極為復(fù)雜的化學(xué)組成和相構(gòu)成，它在溫度下有高的強(qiáng)度，并具有良好的工藝性能，主要用于150250攝氏度以下工作的耐熱零件；al-cu-mn合金的室溫強(qiáng)度雖然低于al-cu-mg合金2a12和2a14，但在22525

14、0攝氏度或更高溫度下強(qiáng)度比二者高，并且合金的工藝性能良好，易于焊接，主要應(yīng)用于耐熱可焊的結(jié)構(gòu)件及鍛件。該系提供板材、型材、鍛件、線材、棒材、管材、箔材，應(yīng)用廣泛，有航空航天結(jié)構(gòu)件、焊條焊料、機(jī)械加工品、發(fā)動(dòng)機(jī)活塞機(jī)輪等等。1.2.1鋁銅al-cu合金主要性能及作用 銅從大自然提取，其導(dǎo)熱導(dǎo)電耐腐蝕性能優(yōu)良和美麗的光澤，其可塑性特別好，和其他金屬合金化能提高其性能；鋁也具有導(dǎo)熱導(dǎo)電耐腐蝕，密度低塑形好的特點(diǎn)。進(jìn)行合金化后其整體強(qiáng)度明顯提高，可代替笨重的金屬材料，易于運(yùn)輸使用，對(duì)輕工業(yè)，高空工業(yè)發(fā)展都有著十分重要的位置。1.2.2單一合金元素對(duì)鋁銅合金的力學(xué)性能影響圖1-3 cu對(duì)al-cu合金強(qiáng)

15、度和伸長(zhǎng)率的影響圖1-4 mg對(duì)al-cu合金強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的影響圖1-5 mn對(duì)al-cu合金強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的影響1.2.3常規(guī)鋁銅合金的熔煉工藝1. 選擇按照技術(shù)要求所采購(gòu)來(lái)的合格鋁錠。2.根據(jù)具體配方對(duì)原料回料和合金進(jìn)行配比。3.檢查和準(zhǔn)備熔化器具。4.按照工序加料熔化。5.對(duì)融化好的熔液進(jìn)行精煉除氣。6.根據(jù)要求進(jìn)行變質(zhì)和細(xì)化晶粒處理。7.調(diào)整溫度進(jìn)行澆注。1.3課題研究?jī)?nèi)容和意義目前國(guó)際市場(chǎng)對(duì)鋁合金這種新的材料，都存有很大的期望，同時(shí)鋁合金對(duì)制造業(yè)也有很大推進(jìn)作用。鋁合金本身的性能并不能滿足一些有高強(qiáng)度的，受力件或者結(jié)構(gòu)件。所以為了提高鋁合金的力學(xué)性能，對(duì)鋁合金進(jìn)行催化劑催化，使其晶粒細(xì)

16、化?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)對(duì)稀土元素研究比較重視，稀土元素中的鈰又是地殼含量最高的，現(xiàn)在的提取技術(shù)也比較成熟，能滿足生產(chǎn)中的使用量。鋁元素目前中國(guó)是世界存儲(chǔ)量最高的國(guó)家，所以滿足這兩個(gè)基本方面的情況下。對(duì)稀土元素對(duì)鋁合金力學(xué)性能的研究就更有意義了。基于這種優(yōu)良的條件下，相信經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外專家的研究一定會(huì)帶給目前國(guó)際市場(chǎng)一些優(yōu)秀的材料，提高各個(gè)工業(yè)發(fā)展的進(jìn)度和高度。當(dāng)前,招鋁合金的重點(diǎn)發(fā)展方向主要包括以下幾個(gè)方面: 1)al-mg合金系平衡相圖富鋁部分盡管溶解度曲線表明，鎂在鋁中的溶解度隨溫度下降而大大地變小，但是在 大部分工業(yè)用變形鋁合金中，鎂的含量均小于6，而硅含量也低，這類合金是不能熱處理強(qiáng)化的，但是可焊性

17、良好，抗蝕性也好，并有中等強(qiáng)度。鎂對(duì)鋁的強(qiáng)化是明顯的，每增加1鎂，抗拉強(qiáng)度大約升高瞻遠(yuǎn)34mpa。如果加入1以下 的錳，可能補(bǔ)充強(qiáng)化作用。因此加錳后可降低鎂含量，同時(shí)可降低熱裂傾向，另外錳還可以使mg5al8化合物均勻沉淀，改善抗蝕性和焊接性能。  2）alsi合金系富鋁部分在共晶溫度577 時(shí)，硅在固溶體中的最大溶解度為1.65。盡管溶解度隨溫度降低而減少，這類合金一般是不能熱處理強(qiáng)化的。鋁硅合金具有極好的鑄造性能和抗蝕性。若鎂和硅同時(shí)加入鋁中形成鋁鎂硅系合金，強(qiáng)化相為mgsi。鎂和硅的質(zhì)量比為1.73:1。設(shè)計(jì)al-mg-si系合金成分時(shí)，基體上按此比例配置鎂和硅 的含量。有的a

18、l-mg-si合金，為了提高強(qiáng)度，加入適量的銅，同時(shí)加入適量的鉻以抵消銅對(duì)抗蝕性的不利影響。 al-mg2si合金系合金平衡相圖富鋁部分mg2si 在鋁中的最大溶解度為1.85，且隨溫度的降低而減速小。變形鋁合金中，硅單獨(dú)加入鋁中只限于焊接材料，硅加入鋁中亦有一定的強(qiáng)化作用。   3）al-mn合金系平平衡相圖部分在共晶溫度658時(shí)，錳在 固溶體中的最大溶解度為1.82。合金強(qiáng)度隨溶解度增加不斷增加，錳含量為0.8時(shí)，延伸率達(dá)最大值。al-mn合金是非時(shí)效硬化合金， 即不可熱處理強(qiáng)化。錳能阻止鋁合金的再結(jié)晶過(guò)程，提高再結(jié)晶溫度，并能顯著細(xì)化再結(jié)晶晶粒。再結(jié)晶晶粒的

19、細(xì)化 主要是通過(guò)mnal6化合物彌散質(zhì)點(diǎn)對(duì)再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大起阻礙作用。mnal6的另一作用是能溶解雜質(zhì)鐵，形成（fe、mn）al6，減小鐵的有害影響。錳是鋁合金的重要元素，可以單獨(dú)加入形成al-mn二元合金，更多的是和其它合金元素一同加入，因此大多鋁合金中均含有錳。 4) al-cu合金富鋁部分548時(shí)，銅在鋁中的最大溶解度為 5.65,溫度降到302時(shí)，銅的溶解度為0.45。銅是重要的合金元素，有一定的固溶強(qiáng)化效果，此外時(shí)效析出的cual2有著明顯的時(shí)效強(qiáng)化效果。 鋁合金中銅含量通常在2.5 5，銅含量在46.8時(shí)強(qiáng)化效果最好，所以大部分硬鋁合金的含銅量處于這范圍。鋁銅合金以銅為主要

20、合金元素的鋁合金，它包括al-cu-mg合金、al-cu-mg-fe-ni合金和al-cu-mn合金等，屬熱處理可強(qiáng)化合金等。2.實(shí)驗(yàn)2.1設(shè)計(jì)2.1.1合金成分設(shè)計(jì)成分設(shè)計(jì)思路按照正交實(shí)驗(yàn)法。正交實(shí)驗(yàn)法就是利用排列整齊的表正交表來(lái)對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)、綜合比較、統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)通過(guò)少數(shù)的實(shí)驗(yàn)次數(shù)找到較好的生產(chǎn)條件，以達(dá)到最高生產(chǎn)工藝效果。正交表能夠在因素變化范圍內(nèi)均衡抽樣，使每次試驗(yàn)都具有較強(qiáng)的代表性，由于正交表具備均衡分散的特點(diǎn)，保證了全面實(shí)驗(yàn)的某些要求，這些試驗(yàn)往往能夠較好或更好的達(dá)到實(shí)驗(yàn)的目的。正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)包括兩部分內(nèi)容:第一，是怎樣安排實(shí)驗(yàn);第二，是怎樣分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。首先確定以下四種元素

21、含量對(duì)鋁的組織性能影響：分別是：si、cu、mg、mn以表格形式呈現(xiàn)si含量分別為0.5%、1.0%、1.5% 硅能增加鋁合金的流動(dòng)性。cu含量分別為2.0%、3.0%、4.0% 銅能增加鋁合金的強(qiáng)硬度。mg含量分別為0.5%、1.0%、1.5% 鎂能增加鋁合金的耐腐蝕性。mn含量分別為0.5%、1.0%、1.5% 錳能抑制鋁合金的再結(jié)晶。元素simgcumn含量/%0.51.01.50.51.01.52.03.04.00.51.01.5si0.51.01.50.51.01.50.51.01.5mg0.51.01.50.51.01.50.51.01.5cu2.03.04.02.03.04.02

22、.03.04.0mn0.51.01.50.51.01.50.51.01.5成績(jī)677676568567編號(hào)12345678911112注：成績(jī)是金相圖結(jié)果優(yōu)良情況，為了方便用數(shù)字代替，十分制。經(jīng)過(guò)理論分析可以得出以上理論性結(jié)論，那么就要進(jìn)行下一步確切性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)編號(hào)：2、3兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。2.2 實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備：1.配料計(jì)算。（按照總重10kg）2.模具制備。3.熔煉澆鑄工藝。4.熱處理工藝。5.顯微鏡下金相組織分析。2.2.1配料計(jì)算重量：配重方法公式按照公式：總重g、銅鎂錳硅分別用：abcd表示。鋁：n第二組計(jì)算：n=0.94g a=0.3g b=0.1g c=0.1g d=0.1g第三

23、組計(jì)算：n=0.915g a=0.4g b=0.15g c=0.15g d=0.15g 那么第2組各成分 鋁：9.4kg 銅：300g 鎂：100g 錳：100g 硅：100g第3組各成分 鋁：9.15kg 銅：400g 鎂：150g 錳：150g 硅：150g2.2.2模具制備：模具制備基本步驟：（注：該部分模具制備加工不屬于本研究范疇就不在詳細(xì)說(shuō)明。）確定模具類型，這里我們做的是注射模，為重力澆鑄。確定模具類型的主要模具，這里保證其氣密性好，脫模簡(jiǎn)單。根據(jù)產(chǎn)品的尺寸，加工余量，外形等因素來(lái)設(shè)計(jì)模具圖紙。（圖紙如下）根據(jù)圖紙來(lái)進(jìn)行加工，模具。待模具加工出來(lái)后，進(jìn)行澆鑄驗(yàn)證，并進(jìn)行調(diào)模、修模。

24、最終確定模具尺寸，進(jìn)行工裝使用。模具圖紙及加工好的模具如下圖：2.2.3熔煉澆鑄工藝熔煉設(shè)備：坩堝電阻爐、熱電偶傳感器、測(cè)氫儀、除氣機(jī)輔助設(shè)備：澆勺、夾子、錘子、鑿子、涂料等熔煉澆鑄過(guò)程加入鋁合金：加入含有鋁錠，配方按照上面實(shí)驗(yàn)的兩組配方。加入其他合金：在鋁合金融化完成后加入。進(jìn)行除氣并攪拌：在熱電阻爐上方通入稀有氣體（氬氣）、并旋轉(zhuǎn)攪拌5到10分鐘，這一步很重要，要嚴(yán)格把控，并除氣完全。測(cè)氫：除氣完成的鋁液放在小坩堝容器內(nèi)，放在封閉的真空測(cè)壓裝置內(nèi)，壓強(qiáng)低于-0.08mp。扒渣：將電阻爐坩堝鋁液表面廢渣扒除干凈，保證鋁液純度。澆鑄：將試棒模具預(yù)熱到230攝氏度以上進(jìn)行澆鑄。脫模：待鋁液完全結(jié)

25、晶后，將其輕敲脫落。 澆鑄完成。以下是澆鑄出來(lái)成型的產(chǎn)品：（摩擦磨損樣片取自同一爐鋁液） 抗拉伸試棒圖 摩擦磨損樣片圖2.2.4熱處理工藝 熱處理工藝分為退火、淬火、回火等形式。熱處理的目的是通過(guò)退其內(nèi)部應(yīng)力，消除其內(nèi)部所帶來(lái)的影響同時(shí)，又能提高其強(qiáng)硬度，是產(chǎn)品性能進(jìn)行進(jìn)一步提升，從而產(chǎn)品總體質(zhì)量提升，目前國(guó)內(nèi)外普遍采用該種熱處理工藝流程。熱處理工藝流程：1.將廂式加熱電爐升溫到500攝氏度。2.將試棒和樣片放置其內(nèi)部進(jìn)行保溫處理，保溫6個(gè)小時(shí)。其流程為退火，目的為消除其內(nèi)部殘余應(yīng)力。3.時(shí)間到達(dá)后將其放入純凈的水中進(jìn)行淬火5-10分鐘。該步驟目的是為了其表面冷卻硬化處理，提高其強(qiáng)硬度。4.時(shí)

26、間到達(dá)后再將其，放入已經(jīng)設(shè)定好溫度188度的保溫爐進(jìn)行回火6個(gè)小時(shí)。而后將其拿出進(jìn)行自然冷卻。 熱處理爐 熱處理后試棒圖2.2.5顯微鏡下金相組織圖經(jīng)過(guò)熱處理后的樣件，從其中鋸掉一部分進(jìn)行金相組織的顯微鏡觀察其內(nèi)部晶粒細(xì)化情況。觀察前需要對(duì)其進(jìn)行平面拋光。需要四層砂紙打磨，打磨后需要在拋光機(jī)進(jìn)行拋光，以免觀察不到或者劃痕太重，不利于觀察。下面就是兩組試驗(yàn)后顯微鏡下的金相組織圖： 第二組（100×） 第三組（100×）總結(jié)：通過(guò)對(duì)其晶粒大小和排布方向的分析，實(shí)驗(yàn)證明第三組效果更明顯，同樣放大倍數(shù)的前提下，晶粒細(xì)化的更為明顯，排布也更均勻，得出第三組的數(shù)據(jù)配方下更為優(yōu)秀。下面對(duì)

27、第三組數(shù)據(jù)再進(jìn)行加入ce進(jìn)行變質(zhì)處理。3 微量合金變質(zhì)機(jī)理3.1鈰在鋁合金中的微合金化作用機(jī)理 到目前為止，ce是人們發(fā)現(xiàn)的對(duì)鋁合金具有合金效果的且地殼含量最多的稀土元素，他對(duì)鋁合金晶粒的細(xì)化效果非常顯著，只要加入千分之幾的鈰就能對(duì)鋁合金的力學(xué)性能有顯著的提高，不僅細(xì)化晶粒還能抑制合金再結(jié)晶，顯著提高其強(qiáng)度，塑形，耐高溫，耐腐蝕性，以及其焊接性能，甚至能增強(qiáng)抗中子輻照損傷性能。變質(zhì)處理是指通過(guò)在金屬及合金中加入少量或微量的變質(zhì)劑來(lái)改變合金的結(jié)晶條件使其組織和性能發(fā)生變化的過(guò)程。研究證明，稀土在合金中具有良好的變質(zhì)作用，主要表現(xiàn)在細(xì)化晶粒和枝晶。稀土元素的原子半徑大于鋁原子半徑，性質(zhì)比較活潑，它

28、熔于鋁液中極易填補(bǔ)合金相的表面缺陷，使得新舊兩相界面張力降低，提高了晶核的生長(zhǎng)速度，同時(shí)還在晶粒與合金液之間形成表面活性膜，阻止生成的晶粒長(zhǎng)大，細(xì)化合金組織。添加稀土還可以減少柱狀晶及二次枝晶臂間距，改善晶粒形態(tài)，并在一定程度上控制材料晶粒度。實(shí)驗(yàn)證明稀土變質(zhì)作用存在一定潛伏期，只有在高溫下保持一定的時(shí)間，稀土才會(huì)發(fā)揮最大的變質(zhì)作用。稀土在鋁合金中的存在形式主要有3種：固溶在基體(al)中；偏聚在相界、晶界和枝晶界；固溶在化合物中或以化合物形式存在。其存在形式與加入量有很大的關(guān)系，當(dāng)稀土含量較低(低于0.1%)時(shí)，稀土主要以前兩種形式分布，通過(guò)有限固溶和增加變形阻力，促進(jìn)位錯(cuò)增殖實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化；當(dāng)稀

29、土含量大于0.3%時(shí)，主要以第三種存在形式存在，稀土與合金中的其他元素形成許多含稀土的新相，分布在晶粒內(nèi)或晶界中，同時(shí)使第二相的形狀、尺寸發(fā)生變化(大部分含稀土的第二相都出現(xiàn)了粒子化、球化和細(xì)化的特征)，并出現(xiàn)大量位錯(cuò)，在一定程度上強(qiáng)化了鋁合金。3.1.1al-ce合金的研究下面分別以鈰的含量在0.-0.5%之間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)鈰的含量表如下：含量/元素鈰ce（%）00.10.20.30.40.5al91.591.591.591.591.591.5si1.51.51.51.51.51.5mg1.51.51.51.51.51.5cu4.04.04.04.04.04.0mn1.51.51.51.51.51

30、.5編號(hào)abcdef鈰對(duì)該種合金的組織性能影響實(shí)驗(yàn)熔煉和澆鑄辦法如上，再次就不在重復(fù)使用。3.1.2鈰的最佳用量推斷：進(jìn)過(guò)六組金相圖的分析當(dāng)鈰的含量在0.4%的時(shí)候其細(xì)化晶粒的效果最好。 首先我們先認(rèn)識(shí)什么是金相分析和金相組織：金相分析是金屬材料試驗(yàn)研究的重要手段之一，采用定量金相學(xué)原理，由二維金相試樣磨面或薄膜的金相顯微組織的測(cè)量和計(jì)算來(lái)確定合金組織的三維空間形態(tài)，從而確立合金的成分、組織和性能間的定量關(guān)系。將計(jì)算機(jī)應(yīng)用于圖像處理，具有精度高、速度快等優(yōu)點(diǎn)，可大大的提高工作效率。計(jì)算機(jī)定量金相分析，正逐漸成為人們研究和分析各種材料，建立材料的顯微組織和各種性能間的定量關(guān)系，研究材料組織轉(zhuǎn)變動(dòng)

31、力學(xué)等的有效工具。采用計(jì)算機(jī)圖片分析系統(tǒng)可以很方便的測(cè)出研究對(duì)象的面積百分?jǐn)?shù)、平均尺寸、平均間距、長(zhǎng)寬比等各種參數(shù)，然后根據(jù)這些參數(shù)來(lái)確定研究對(duì)象的三維空間形態(tài)、數(shù)量、大小及分布，并與材料的機(jī)械性能建立內(nèi)在聯(lián)系，為更科學(xué)的評(píng)價(jià)材料、合理的使用材料提供更可靠的數(shù)據(jù)。金相組織是用金相方法觀察到的金屬及合金的內(nèi)部組織?？梢苑譃椋?.宏觀組織2.顯微組織。金相即金相學(xué)，就是研究金屬和合金其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一門科學(xué)。不僅如此，它還研究當(dāng)外部因素和內(nèi)部狀態(tài)改變時(shí)，對(duì)金屬或合金內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響。所謂外部因素就是指溫度、加工變形、澆鑄情況等。其內(nèi)部狀態(tài)就是指金屬或者合金的化學(xué)變化。金相組織反應(yīng)金屬或合金的具體形態(tài)。所

32、以對(duì)鋁合金進(jìn)行顯微鏡下的金相組織分析是科學(xué)的、可靠的，以下的金相分析是在控制其他因素的條件下，對(duì)鈰的含量進(jìn)行單一變化的前提下所做的一系列磨面的二維金相組織分析，通過(guò)二維的金相組織來(lái)進(jìn)行分析，推斷，結(jié)論。 a b c d e f 通過(guò)以上六組的實(shí)驗(yàn)分別對(duì)其進(jìn)行顯微鏡下金相組織的分析不難看出第a組在不加稀土元素鈰、其他因素同等條件下進(jìn)行澆鑄，澆鑄出來(lái)的樣品進(jìn)行拋光顯微觀察，很明顯的看到其金相組織很不理想，存在很明顯的組織裂痕以及其晶粒的不規(guī)則，分析推斷其力學(xué)性能存在缺陷；b組 在a組的條件下加入含量為0.1%的稀土元素ce，通過(guò)金相圖能看出其晶粒明顯有所改觀，出現(xiàn)少量的樹枝狀的結(jié)晶晶粒，推斷其力學(xué)

33、性能有所提高；c組 在進(jìn)行a組條件的前提下往合金中加入0.2%的稀土元素ce，通過(guò)同等倍速的二維金相圖分析，其結(jié)晶組織中存在樹枝狀和等軸狀的結(jié)晶組織，其中等軸晶含量偏少；d組 也是在a組的條件下加入含量為0.3%的稀土元素ce，通過(guò)二維金相圖分析，不難看出其中的等軸晶含量明顯高于樹枝晶，所以其組織間隙更為緊密，所以推斷其力學(xué)性能進(jìn)一步提高；同樣條件下在e組中加入0.4%的稀土元素ce，在同等放大倍速的顯微鏡下觀察其二維金相組織圖，很明顯的看到其中的樹枝晶基本消失，存在接觸間隙緊密的等軸晶，排布均勻，晶粒大小也相對(duì)平均等同。推斷其力學(xué)性能又進(jìn)一步提高，但是在這種優(yōu)秀的條件下是否還會(huì)進(jìn)一步提升呢。

34、下面在進(jìn)行含量的增加，將ce的含量提高到0.5%，也就是f組實(shí)驗(yàn)，同等條件下，觀察其二維金相組織，可以看到其中的等軸晶有所減少，出現(xiàn)前面幾組實(shí)驗(yàn)中的樹枝晶，推斷其力學(xué)性能有所下降，不能打破e組所得出來(lái)的結(jié)論，所以最終總結(jié)，當(dāng)稀土元素ce在含量為0.4%的條件下對(duì)鋁銅合金晶粒的細(xì)化效果最為明顯，其金相組織排布達(dá)到理想化。通過(guò)以上六組實(shí)驗(yàn)的過(guò)程以及其金相組織的分析過(guò)程分析所得出來(lái)的結(jié)論是在稀土元素ce含量在0.4%的條件下最理想，但是缺乏外部抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度的分析支持，因此這些力學(xué)性能參數(shù)分別在下折線圖表中表示出來(lái)，折線圖更能看出其力學(xué)性能變化的趨勢(shì)，因此就更有說(shuō)服性，可靠性。如下圖：其以

35、上數(shù)據(jù)分析，其結(jié)果也是證明當(dāng)鈰的含量在0.4%的狀態(tài)下其抗拉強(qiáng)度、硬度、屈服強(qiáng)度也表現(xiàn)良好，綜上所述鈰的含量在0.4%的狀態(tài)下對(duì)第三組配方鋁銅合金晶粒的優(yōu)化效果最佳。4 結(jié)論和展望4.1 結(jié)論1）稀土元素的加入對(duì)該鋁合金的微觀組織金相結(jié)構(gòu)，晶粒大小，雜質(zhì)元素的含量以及夾雜物的數(shù)量和分布，時(shí)效析出產(chǎn)物的類型和大小等，都產(chǎn)生了較大的影響，進(jìn)而對(duì)合金的性能產(chǎn)生了很大的影響。2）當(dāng)合金中 ce的含量為 0.4%時(shí)，稀土 ce主要富集在晶界處，并與雜質(zhì)元素結(jié)合形成稀土化合物，凈化了晶界，消除了雜質(zhì)元素的有害作用，且與合金中的合金元素相互作用形成了合金化合物，改變了合金中的金相組成，熱處理后呈彌散分布的稀

36、土相可以起到彌散強(qiáng)化作用。3）稀土ce的加入，可以改善鑄造鋁合金的熔煉質(zhì)量、細(xì)化晶粒組織；當(dāng)合金中 ce的含量為0.3%時(shí)，合金中會(huì)存在大量位錯(cuò)對(duì)、位錯(cuò)纏結(jié)亞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致合金斷裂過(guò)程中裂紋萌生位置與擴(kuò)展途徑發(fā)生改變，有利于合金的韌化。致謝經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)，終于完成了稀土元素鈰對(duì)鋁銅合金組織性能影響的研究。在這里非常感謝周老師的殷勤指導(dǎo)和諄諄教誨，周老師在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中給予了我很大的幫助，讓我能按時(shí)的完成實(shí)驗(yàn)。同時(shí)也非常感謝同學(xué)的幫助，我們一起學(xué)習(xí)討論，在討論中不斷加深對(duì)畢業(yè)內(nèi)容的了解，解決設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的難題，一起進(jìn)步，按時(shí)完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn)1. 韓寶軍,劉金明.稀土和cu對(duì)工業(yè)純鋁性能

37、的影響 .輕合金加工技術(shù),2006,34(3):3840.2. 李慶春.鑄件形成理論基礎(chǔ).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1982.3. 陳存中.有色金屬熔煉與鑄錠.北京:冶金工業(yè)出版社,1988.4. borland j c.fundamentals of solidification cracking in welds.part welding and metal fabrication,1979(3):991075. pappazm,drezetjm,gremandm.anewhot-cracking criterion. metallurrgi-cal and materials transactions a,1999,30a(2):4484556. pu lianggui, ji minggang.mechanical design, beijing: higher ed