含鈧鋁硅合金熔煉工藝研究

1、含鈧鋁硅合金熔煉工藝研究摘要 為了提高702A鋁合金的強韌性，通過控制熔煉工藝，確定702A鋁合金最優(yōu)化成分為（質(zhì)量分數(shù)，%）：7Si,0.5Mg,0.1Mn,1.5Cu，經(jīng)固溶處理和時效處理后，其力學(xué)性能能達到：=361MPa,=8.4%。以ZL702鑄件的熔煉工藝為例，總結(jié)了鈧在鋁及鋁合金中對合金組織、力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性和抗腐蝕性能的影響。鈧在鋁合金中是有效的晶粒細化劑、再結(jié)晶抑制劑和改善焊接性能的添加劑；鈧可以細化鋁合金晶粒,提高合金的力學(xué)性能和再結(jié)晶溫度,增強鋁合金的熱穩(wěn)定性,改善鋁合金的焊接性能和抗腐蝕性能；分析了鈧在鋁合金中的作用機理，介紹了鋁硅合金熔煉工藝的應(yīng)用的具體的工藝措施。

2、關(guān)鍵詞 鈧，鋁合金，組織，性能The Smelting process research of Al-Si alloy contain ScAbstract In order to improve strength toughness of 702A aluminum alloy, through control of melting process, the determined alloy composition is (wt%) 7Si, 0.5Mg,0.1Mn,1.5Cu,After the solution heat treatment and aging treatment,the

3、 mechanical properties of 702A aluminum alloy achieve=361MPa, =8.4%. Taking the ZL702A casting smelting technology as the example, the effects of Sc on Al and Al alloys microstructure,mechanical properties,thermal stability and anti-corrosion are summarized. Sc can fine grains greatly, inhibit alloy

4、s recrystallization and raise recrystallization temperature, and can improve alloys welding properties and anti-corrosion capability.;the mechanism behind these effects is analyzed.This paper introduces the smelting technology of the Al-Si alloy in the foundry woeks,and the concrete technology measu

5、res.Key words Sc,Al-Si alloys,microstructure,properties目 錄1 緒論 11.1 鈧的概述 21.1.1 鈧的性質(zhì) 21.1.2 鈧的用途 31.1.3 鈧的資源 51.1.4 鈧的生產(chǎn) 61.2 鋁硅合金概述 71.2.1 鋁硅合金的主要性質(zhì)及作用 71.2.2 單一合金元素對鋁硅合金力學(xué)性能的影響 71.2.3 常規(guī)鋁硅合金的熔煉工藝 91.2.4 鋁硅合金化學(xué)成分的改進 101.2.5 對鋁硅合金熔煉工藝的改進 111.3 課題研究意義 121.4 設(shè)計說明書的結(jié)構(gòu)安排 122 熔煉工藝 132.1 熔煉前準備 132.1.1 合金成

6、分設(shè)計 132.1.2 配料計算 132.2 熔煉前準備 152.2.1 實驗工藝路線設(shè)計 152.2.2 砂型制備 162.3 熔煉過程 172.3.1 熔煉設(shè)備 172.3.2 熔煉過程 172.3.3 精煉原理 182.4 熱處理工藝 192.5 小結(jié) 193 微量合金變質(zhì)機理 203.1 鈧在鋁合金中的微合金化作用機理 203.1.1 Al-Sc合金的研究 203.1.2 鈧的最佳用量 233.2 鍶變質(zhì)對Al-Si合金組織的影響 233.2.1 鍶的性質(zhì) 243.2.2 Al-Si合金Sr變質(zhì) 244 鋁鈦硼的細化機理 315 結(jié)論與展望 325.1 結(jié)論 325.2 發(fā)展展望 32

7、參考文獻 34致謝 37第一章 緒 論工業(yè)生產(chǎn)中,特別是運輸機械的生產(chǎn)中,為了美觀和減輕自重、以減少油耗而采用鋁合金代替鋼鐵材料的現(xiàn)實,已越來越為人們所公認?，F(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)向大型、復(fù)雜和高強度化發(fā)展,優(yōu)質(zhì)鋁合金鑄件應(yīng)用日益增多,對鋁合金的綜合性能也提出了更高的要求,既要求有較高的力學(xué)性能,又要求具有優(yōu)異的鑄造性能。目前應(yīng)用廣泛的Al-Si系鑄造鋁合金是一種具有優(yōu)良鑄造性的工程用鋁合金材料,各國都有類似成分的牌號,見表1-1。表1-1 各國鑄造AlSi合金牌號及技術(shù)參數(shù)國家牌號抗拉強度/MPa延伸率/%中國ZL1012201ZL101A2702ZL114A2902ZL1162902美國356.02

8、073A356.02344A357.02833德國G- AlSi7Mg2302Wa/ 3. 2371. 6ISOAl - Si7Mg2301日本AC4C2263鋁合金密度小而強度高，故在航空航天工業(yè)鑄件中得到廣泛的應(yīng)用。鋁合金中，AlSi系合金具有優(yōu)良的鑄造性能，如流動性好、氣密性好、收縮小、熱裂傾向小等。但在未經(jīng)任何處理狀態(tài)下其力學(xué)性能卻一般。如果提高它的力學(xué)性能，尤其是強度、韌性同時都較高，使其能更為廣泛地應(yīng)用，一直是人們所關(guān)注的問題。高純凈度的熔體、理想的細化和變質(zhì)效果是鋁合金潛力發(fā)揮的重要條件。在高效的熔體處理的基礎(chǔ)上，通過適當?shù)奈⒑辖鸹幚恚锌赡茉诓伙@著降低合金韌性的前提下，進一步

9、提高其強度1。鈧(Sc)的密度低，在鋁及鋁合金中同時具有過渡金屬和稀土金屬這兩類金屬的作用，但效果卻比這兩類金屬對鋁合金的影響大，含Sc鋁合金強度高、熱穩(wěn)定性好，有強烈的時效硬化效應(yīng), 是發(fā)展高強度、高耐熱性和高抗蝕性結(jié)構(gòu)鋁合金的一種新型微量添加元素。近十幾年來,含Sc鋁合金受到了材料界的重視,從基礎(chǔ)理論到工業(yè)應(yīng)用都進行了大量的研究工作,美國、日本和加拿大等國都作了不少研究工作, 而我國在含Sc鋁合金的研究方面還處于起步階段。為了提高Al-Si系鑄造鋁合金的綜合性能,許多研究機構(gòu)從合金成分、熔煉工藝和熱處理工藝等方面進行了大量的研究。1.1 鈧的概述金屬鈧屬3d型過渡族金屬,與Ti、V、Cr、

10、Mn 等同周期,與La、Ce、Pr、Nd 等同族, 因此它兼有稀土元素、過渡族元素的特性。Sc在鋁及鋁合金中同時具有這兩類金屬的有益作用,但其效果又優(yōu)于這兩類金屬,是到目前為止所發(fā)現(xiàn)的對優(yōu)化鋁合金性能最為有效的合金元素。在鋁合金中添加微量鈧(千分之幾),就能對合金的結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生明顯的影響,使其強度、耐腐蝕性能、焊接性能等得到很大提高?？芍迫〕邚?b650MPa,10%)、高強可焊(b550MPa,焊接強度系數(shù)0195),新型耐高溫(b100MPa,工作溫度t350) 等一系列鋁合金。鈧是鋁的強化劑,是鋁合金強有力的晶粒細化劑和有效的再結(jié)晶抑制劑。若添加量按摩爾分數(shù)計算,鈧對鋁的強化作用比任

11、何其它元素都要大。鋁鈧合金因此是一種集高強、高韌、低密、耐熱、耐蝕、可焊等優(yōu)異性能集一體的新型結(jié)構(gòu)材料,越來越引起國際材料界的高度重視。1.1.1 鈧的性質(zhì)金屬鈧Sc：鈧元素的原子序數(shù)21，是一種柔軟、銀白色的過渡性金屬，常跟釓、鉺等混合存在，產(chǎn)量很少。易溶于酸。一般在空氣中迅速氧化而失去光澤。主要存在于極稀少的鈧釔石中，可用以制特種玻璃及輕質(zhì)耐高溫合金等。 鈧的原子量44.96,原子半徑1.664埃,沒有4f電子。鈧是一種很活潑的金屬, 溶點1539 ,沸點2832,密度為2.995g/cm3。金屬鈧易與酸起作用,生成相應(yīng)的化合物,它在空氣中容易失去金屬光澤,在500800的條件下能夠被空氣

12、中的氧氣所氧化,生成氧化鈧。此外,在高溫下還能與鹵素、氫、硫、磷、氮、硅和硼等元素起作用,生成相應(yīng)的二元化合物。如果鈧生成化合物以后,則呈穩(wěn)定的正三價陽離子。例如,在一定條件下可生成Sc2O3、Sc(CH)3、ScCl3、ScF3、ScI3、Sc2(SO4)3和Sc(NO3)3等。由于金屬鈧具有許多特殊的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì),致使科學(xué)家對它極感興趣。因此,近年來鈧的應(yīng)用開拓,日益廣泛,效果顯著。鈧的氧化物、硝酸鹽、高氯酸鹽和硫酸鹽等鹽類,往往帶有結(jié)晶水,且性質(zhì)穩(wěn)定易溶于水。鈧在水溶液中某些性質(zhì)類似稀土,特別是重稀土,如生成草酸鈧,氟化鈧，硫酸鈧復(fù)鹽的沉淀物。鈧與酒石酸銨作用生成復(fù)鹽沉淀物,在60

13、0下則分解生成氧化鈧。由于鈧及其化合物的制品獲得的時間較晚,故致使對鈧及其化合物的物理化學(xué)性質(zhì)的研究很不夠,基本參數(shù)不多,這在很大程度上限制了鈧和其化合物用途的開發(fā)利用。圖1-2給出了幾種稀土元素的電負性。 圖1-2 稀土金屬電負性與稀土元素的關(guān)系1.1.2 鈧的用途70年代前,鈧及其化合物的產(chǎn)量少,質(zhì)量不高,用量不多,處于開拓用途的時期。80年代以來,隨著高技術(shù)和新材料的飛躍發(fā)展,鈧的各種制品相應(yīng)地增加了品種，提高了質(zhì)量,擴大了產(chǎn)量,用途較廣。目前鈧的制品已用于國防、冶金、化工、航天、核能、超導(dǎo)體、電光源、電子元器件和醫(yī)療等部門, 它們對鈧制品的用量的要求越來越高。據(jù)報導(dǎo),鈧制品用于特種玻璃

14、,輕質(zhì)耐高溫合金和新型電光源材料等的用量較大。但最引人注目的是鈧用于第三代激光晶體、第三代新光源和新型彩色顯像管陰極。（1）作為新型電光源材料。用碘化鈧與碘化鈉制成的鈧鈉鹵素燈是目前一種最新型的照明燈。每只燈用氧化抗（純度99.9%）0.110毫克,用鈧制成的光源材料屬于第三代新光源材料。實用后證明,鈧鹵素燈具有光度高、光色好、節(jié)電能、壽命長、破霧力強等優(yōu)點。鈧燈比白熾燈節(jié)電約80%,使用的壽命達500025000小時（白熾燈為100小時）,因而此燈在世界各國發(fā)展較快。（2）作為激光單晶材料。在激光材料中加入鈧是發(fā)展第三代激光單晶的關(guān)鍵。目前加鈧的激光器的發(fā)射功率比同體積其它激光器提高三倍,并

15、可達到大功率化和小型化的激光裝置。在制備單晶中,每爐料35公斤加入氧化鈧1公斤左右，氧化鈧為99.9%。所制成的GSGG激光器在軍工工業(yè)的應(yīng)用日益廣泛，并逐步推向民用工業(yè)。預(yù)計今后在軍用和民用具有很大潛力。（3）作為氧化陰極的激活劑。高純氧化鈧用于彩色電視顯像管陰極電子槍的氧化陰極激活劑,效果很好。此外,在鎂硫化物中加入杭的陰極射線管,用于辦公室自動化機器,以提高辦公效率。（4）作為醇的酯化催化劑。用氧化鈧99%作催化劑具有較好的活性,如2乙基已醇在220下酯化反應(yīng),用氧化鈧催化時,可提高其精化率。經(jīng)3小時催化的精化率為94.97%，6小時可達99.73%,比其它催化劑的活性強,不產(chǎn)生副作用,

16、“三廢”量小,產(chǎn)品質(zhì)量好。（5）作為合金的添加劑。鈧加入鋁合金中,對合金起著變質(zhì)作用,從而可細化合金的組織,提高再結(jié)晶溫度,改善合金的強度、硬度和耐熱性。如鋁合金中加入鈧, 生成Al3Sc合金,使其起變質(zhì)作用,加入鈧0.4%，可取得最佳效果；如在Al-Mg-Zr系加入Sc0.75%，生成的Al-Li-Mg-Zr合金,性能更好；如在Al-Li-Mg-Zr系加入Sc0.10.3%后,所得Al-Li-Mg-Sc-Zr合金,使用性能大為提高。此外,鈧是鐵的優(yōu)良改性劑,向鐵水加入鈧可顯著改善鑄鐵的性能；在TiC中加入少量的鈧可明顯提高強度；在銅中加入鈧可作軍艦優(yōu)良的耐腐蝕材料；在Ba-Cu-O材料中加入

17、Sc生成Sc-Ba-Cu-O超導(dǎo)體,其臨界溫度達98K的水平,創(chuàng)制了新的超導(dǎo)體材料。（6）作為鈮酸鋰晶體材料。LiNbO3用于參數(shù)頻率選擇器、波導(dǎo)管和光導(dǎo)開關(guān)等重要光學(xué)材料,其缺點是耐光腐蝕性能較低,特別是在激光等高強度光的照射時更低。在LiNbO3中加入5%的MgO,可提高耐光腐蝕性能,但生產(chǎn)高質(zhì)量的單晶體更加困難,而再加入氧化鈧1.0%后,不但可保持優(yōu)良的耐光腐蝕性能、降低單晶的二次光折射率,而且可生產(chǎn)高質(zhì)量的單晶體材料。（7）其它材料的應(yīng)用。鈧在其它材料方面的應(yīng)用也十分引人注目。如含鈧氧化物已用于計算機和磁芯材料鈧基或含鈧合金用于火箭、宇航和核能工業(yè)結(jié)構(gòu)材料；金屬鈧用于中子過濾器；在核燃

18、料UO2中加鈧可防止UO2發(fā)生相變；在光學(xué)玻璃、硅酸鹽玻璃和硼玻璃中加入鈧，可提高玻璃折射指標；碳酸鈧被用于制藥；具有高導(dǎo)電率和高熔點的含抗亞硝酸鹽用于電子與無線電工業(yè)。綜上所述,鈧的用途廣泛,其地位越來越高。特別是在高技術(shù),新材料和尖端科學(xué)上的應(yīng)用,已經(jīng)變得越來越重要。隨著國民經(jīng)濟各部門的發(fā)展,鈧制品的用量將會迅猛增長。1.1.3 鈧的資源鈧在地殼中的存在較為分散,但并不稀少，它的克拉克值為（56）×10-40%。與As的豐度相近,比稀土元素的Eu、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu及一些常見元素Sb、Bi、Au更豐富。我國A層土壤中鈧的含量很高，為10×10-50以上。

19、自然界中均以Sc45存在，且沒有放射性。據(jù)查明，已知在自然界中鈧的礦物多達800余種，且僅有幾種單獨礦物存在，如含鈧較高的鈧釔礦（含鈧為21.12409%），水磷鈧礦（含鈧為2025.7%）和鈮鈦硅酸稀金礦（含抗為1820%），雖然上述礦物含鈧較高，但礦源極少。鈧的大量資源是廣泛分散在其它礦物，例如鈦鐵礦、鋯英石、鋁土礦、釩欽磁鐵礦、鎢礦和鈉礦等礦物中，但礦物中鈧的品位較低。據(jù)報導(dǎo)，1992年我國湖南省發(fā)現(xiàn)一個大型獨立鈧礦，這為我國今后開發(fā)和利用鈧礦生產(chǎn)鈧制品提供了很好的資源條件。我國是世界上鈧資源較多的國家，且礦物品種繁多。尤其是70年代以來，我國不斷發(fā)現(xiàn)含鈧礦物，分布在浙江的鎢鈹石英脈礦、

20、江西的鎢錫礦、福建的磁鐵礦、廣東的砂錫礦和鈦鐵礦、廣西的黑鎢礦及釩欽磁鐵礦、內(nèi)蒙古的白云鄂博鐵稀土礦和鈮鐵礦、江西的稀土礦、四川攀枝花的釩鈦磁鐵礦及湖南的獨立鈧礦等，有較豐富的儲量和可利用的含鈧資源。因此，我國可稱為鈧的資源大國。國外的鈧資源也不少，分布較廣。例如，挪威、馬達加斯加和莫桑比克的鈧釔石。美國的水磷鈧石和鎢鈾礦的副產(chǎn)物。加拿大和澳大利亞的鈾礦的副產(chǎn)物。前蘇聯(lián)鈦礦的副產(chǎn)物。捷克、德國和日本等也有少童的鈧資源。從世界范圍看，鈧的資源較多的國家為：中國占首位，美國為第二，前蘇聯(lián)為第三?？傊?，世界各國鈧資源的開發(fā)利用還很不夠，但我國對鈧資源的開發(fā)和利用更為重視。1.1.4 鈧的生產(chǎn)目前世界

21、上生產(chǎn)鈧及其化合物的主要國家有中國、前蘇聯(lián)、日本、美國和法國等。一般是生產(chǎn)金屬鈧、氧化鈧和鈧鹵化物等5。生產(chǎn)鈧及其化合物的原料為多種礦物,且較為復(fù)雜。例如工業(yè)用的有鎢錫礦、鈦鐵礦、稀土礦、鋁土礦、鈾釷礦和鐵礦等礦物。在生產(chǎn)中產(chǎn)生的冶金渣,燃燒煙塵和廢液中回收鈧。由于從廢物中生產(chǎn)鈧制品,故使生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜,即用不同的鈧原料應(yīng)選擇不同的生產(chǎn)方法。（1）金屬鈧的生產(chǎn)。用氟化鈧作原料時以鈣熱還原法生產(chǎn)鈧是目前生產(chǎn)鈧的常用方法。其工藝流程為：氟化鈧配料鈣還原蒸餾提純高純金屬鈧（Sc99.99%）,用氯化鈧作原料以焙鹽電解法生產(chǎn)金屬鈧,其生產(chǎn)流程為：氯化鈧配料焙鹽電解蒸餾提純金屬鈧（Sc98%）,此法所

22、得金屬鈧的純度低,如要獲得高純金屬鈧,需再進行蒸餾提純。（2）氧化鈧的生產(chǎn)。一般是以含鈧的冶金渣、煙灰和廢液為原料，需經(jīng)過鈧的富集、凈化及提純?nèi)齻€階段,才可獲得高純氧化鈧。按目前的提取工藝而論,主要采用萃取沉淀離子交換法,或者采用萃取沉淀萃取法,但后者較為常用。具體的工藝流程為：原料化學(xué)富集配料分餾萃取草酸沉淀提純高純氧化鈧（氧化鈧達99.999.99%）。草酸鈧從溶液沉淀出來是一種較好的化學(xué)提純方法。分餾萃取一般在鹽酸介質(zhì)中進行,選用的萃取劑有TBP、P204和P507等。從目前看,生產(chǎn)高純氧化鈧的工藝技術(shù)是比較成熟的。我國均以含鈧的渣、煙灰和廢液為原料,生產(chǎn)回收高純氧化鈧。據(jù)統(tǒng)計,近十年來

23、我國已建成30多條生產(chǎn)線生產(chǎn)氧化鈧和金屬鈧,Sc和氧化鈧產(chǎn)量猛增。（3）鈧的鹵化物生產(chǎn)。用氧化鈧99.9%為原料,選用碘化法生產(chǎn)ScI3產(chǎn)品,用氟化法可生產(chǎn)ScF3。此外,還可生產(chǎn)少量鈧的無機鹽和有機鹽。總之,鈧的制品目前尚少,有待開發(fā)。1.2 鋁硅合金概述鋁合金的密度小、比強度高,在承受同樣載荷條件下采用鋁合金制件,可以減輕結(jié)構(gòu)的重量,因而鋁合金制件的應(yīng)用非常廣泛3。按照加工方法的不同,鋁合金可分為鑄造鋁合金和壓力加工鋁合金兩大類。在鑄造鋁合金中又依加入主要合金元素的不同而分為四個系列,即鑄造鋁硅合金、鑄造鋁銅合金、鑄造鋁鎂合金、鑄造鋁鋅合金。鋁硅合金的枝晶不發(fā)達,結(jié)晶溫度間隔是幾類鑄造鋁合

24、金中最小的,在凝固過程開始后的一段時間內(nèi)合金液仍可流動,并且在固相線附近的溫度下有較高的強度, 因而其鑄造性能也是最好的。鋁硅合金的鑄造工藝方法很多,有高壓鑄造、低壓鑄造、砂型鑄造、金屬型鑄造、熔模鑄造、殼型鑄造等。目前,對于重量較大的鋁硅合金鑄件( 如高壓開關(guān)用重量在25Kg 以上的鋁硅合金鑄件),生產(chǎn)中最常用的工藝是砂型鑄造和金屬型鑄造。1.2.1 鋁硅合金的主要性質(zhì)及作用鋁硅合金是一種以鋁、硅為主成分的鍛造和鑄造合金。一般含硅11。同時加入少量銅、鐵、鎳以提高強度。密度2.62.7g/cm3。導(dǎo)熱系數(shù)101126W/(m·)。楊氏模量71.0GPa。沖擊值78.5J。疲勞極限&

25、#177;45MPa。鋁硅合金因其本身的優(yōu)良品質(zhì)在工業(yè)中廣泛應(yīng)用，是汽車、造船、航空航天及其他制造業(yè)的重要結(jié)構(gòu)材料，特別在航空工業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛。1.2.2 單一合金元素對鋁硅合金力學(xué)性能的影響在鋁硅二元合金中，鑄件的力學(xué)性能在很大程度上取決于Si在基體組織中的形狀和分布。圖1-3表明，在含Si 量由6%增加到8%的過程中，抗拉強度呈上升趨勢，伸長率下降，綜合力學(xué)性能在含Si量為7%時為最好。同時，Si的加入能大大改善鋁合金的流動性。故后續(xù)實驗以含Si量為7%為基礎(chǔ)進行實驗。圖1-3 Si對AlSi合金強度和伸長率的影響Cu在Al-Si合金中形成時效強化相Al2Cu及強化相Al4Mg6Cu4

26、Si4，提高合金的強度。在Al-Si合金中加入Cu后，由圖1-4表明，隨著含Cu 量的增加，其抗拉強度顯著增加。Mg在鋁硅合金中形成Mg2Si相，Mg2Si相作為固溶強化相在淬火時溶入，時效處理時以彌散相析出，使固溶體的結(jié)晶點陣發(fā)生畸變，從而達到強化合金、提高硬度的作用。圖1-5表明，隨著Mg含量的增加，其抗拉強度逐漸提高。圖1-4 Cu對AlSi合金強度和伸長率的影響圖1-5 Mg對AlSi合金強度和伸長率的影響Mn在合金中與Cu共存時，能提高高溫強度。形成Al10Mn2Si與Al6Mn，可部分消除鐵的有害作用。Mn的強化作用包括兩部分：一部分Mn熔入固溶體，起固溶強化作用；另一部分Mn在合

27、金中形成TMn相，熱處理后大部分以二次TMn相質(zhì)點彌散分布于基體中，起彌散強化作用。少部分以初次TMn呈不連續(xù)網(wǎng)狀分布于晶界。Mn對于伸長率有明顯的影響，圖1-6表明，隨著Mn含量的增加，伸長率遞增。圖1-6 Mn對AlSi合金強度和伸長率的影響1.2.3 常規(guī)鋁硅合金的熔煉工藝 熔煉工藝對有色合金的性能和缺陷有很大的影響,多數(shù)有色合金都易產(chǎn)生氣孔和夾雜,鋁硅合金亦是如此,因此有必要加以研究,以獲得高質(zhì)量的合金液。在常規(guī)的鋁硅合金鑄造生產(chǎn)中,鋁硅合金熔煉只是成分合格的鋁硅合金錠的二次熔化,期間也可以加入一些中間合金錠用以調(diào)整合金液的成分,而合金錠的配制則是由專業(yè)的熔煉企業(yè)完成的。其工藝流程如下

28、:(1) 選擇鑄件技術(shù)要求所規(guī)定的合金錠；(2) 根據(jù)燒損率和成分要求進行配料計算；(3) 檢查和準備熔化用具；(4) 按規(guī)定的次序加料熔化；(5) 爐料熔化后進行精煉處理；(6) 根據(jù)需要進行變質(zhì)處理和細化組織處理；(7) 調(diào)整溫度, 進行澆注。1.2.4 鋁硅合金化學(xué)成分的改進（1）對含鐵量的改進鋁硅合金中的鐵元素大多數(shù)以化合態(tài)的形式存在，比較常見的以FeAl3、相（Fe2Si2Al9）或相（AlFeSi）等形式存在。砂型鑄造條件下，由于冷卻速度比較慢，相可以充分長大成為粗大的針狀或片狀穿晶組織，嚴重割裂了金屬基體的連續(xù)性，大大降低了金屬的力學(xué)性能，尤其是韌性。含鐵量過多時，還會降低鋁硅合

29、金的流動性，惡化合金的充型性能。粗大相的存在又增加了鑄件的加工難度，降低了刀具的使用壽命。因此，鐵在鑄造鋁合金中一直被認為是一種主要的有害雜質(zhì)。在國家標準中對其作了明確的限制，GB117386規(guī)定我國鋁硅合金活塞的鐵含量小于0.7%。各企業(yè)對其控制更為嚴格，一般要求小于0.5%，甚至更低。對于壓鑄鋁合金來說，由于冷卻速度高，相無法進行充分的長大，一般以細小針狀或片狀的形式存在，對鋁合金基體的切割作用被大大減少。這些均勻、彌散分布的細小相反而可以作為強化相，提高鋁合金的強度和硬度8?！罢承汀比毕菔卿X硅合金壓鑄生產(chǎn)過程中常見的缺陷。當壓鑄鋁硅合金中的含鐵量比較高時，可以使合金液表面的氧化膜失去連續(xù)

30、性，提高了合金液的表面張力，從而改善了鋁硅合金容易“粘型”的缺陷。如果含鐵量較低時，還更容易產(chǎn)生“粘型”現(xiàn)象。因此，適當?shù)靥岣邏鸿T鋁合金中的含鐵量，不但可以減少壓鑄鋁合金的“粘型”缺陷，在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的澆冒口等壓鑄廢料又可以經(jīng)過簡單處理后，作為回爐料直接加入到熔化爐回收使用。這樣既提高了生產(chǎn)效率，又降低了原材料的成本。對于用于活塞生產(chǎn)的鋁合金來說，為了提高活塞的高溫力學(xué)性能，往往也需要增加鋁合金中的含鐵量。一般用途的壓鑄鋁合金中含鐵量可以放松到1.0%。（2）對含錳量得改進 錳在國家標準中作為雜質(zhì)元素，一般要求其含量0.5%，一些企業(yè)甚至要求含錳量在0.1%0.25%之間。這么低的含錳量導(dǎo)致

31、鋁合金以針狀形式存在，極大地提高了鑄件的脆性，降低鑄件的韌性，甚至在壓鑄件脫型過程中就會出現(xiàn)鑄件斷裂的現(xiàn)象。對于錳、鐵含量都很低的合金會產(chǎn)生很嚴重的“粘型”缺陷。其實錳在壓鑄鋁合金中是一種有益的元素，它可以與鋁合金中的針狀或片狀的相（Fe2Si2Al9）一起生成球狀多面體形態(tài)的(FeMn)3SiAl15相。該相在壓鑄工藝的快速冷卻條件下，容易形成體積細小的、呈均勻分布的(FeMn)3SiAl15相，可以大大減少含鐵相對鋁合金基體的切割作用，改善鋁合金的力學(xué)性能。適當提高含錳量還可以降低鋁合金的“粘型”傾向。因此，在壓鑄鋁合金中，適當提高含鐵量的同時，也要適當提高含錳量，讓合金具有比較合理的鐵錳

32、比。一般來說，鐵和錳的總含量控制在1.2%以下。近年來，一些壓鑄件需要具有較高的強度和延展性。降低鋁合金中的含鐵量可以改善這方面的性能。但是隨之而來的是鋁合金的“粘型”現(xiàn)象很嚴重。把鋁合金的含鐵量降低到0.15%以下，同時增加含錳量為0.5%0.8%，不但可以改善鑄件組織，而且防止在壓鑄過程中產(chǎn)生“粘型”現(xiàn)象。經(jīng)過Sr長效變質(zhì)劑變質(zhì)處理，壓鑄件可以進行熱處理和焊接。1.2.5 對鋁硅合金熔煉工藝的改進砂型鑄件要求在鋁合金熔煉過程中對鋁合金液進行精練和變質(zhì)處理，從而改善材料的組織結(jié)構(gòu)，提高材料的力學(xué)性能。在壓鑄生產(chǎn)過程中，由于壓鑄生產(chǎn)需要的鋁合金液不可能一次用完，往往需要在保溫爐中停留一段時間。

33、為了防止由于處理好的鋁合金長時間沒有及時使用發(fā)生變質(zhì)退化，影響變質(zhì)效果。同時，壓鑄型的快速冷卻能力本身也可以細化金屬晶體。因此，對于一些要求不太高的零件，通過適當增加含鐵量和含錳量從而提高鑄件的力學(xué)性能要比通過變質(zhì)處理改善力學(xué)性能效果更明顯。對這類零件來說，變質(zhì)處理不是壓鑄鋁合金的必要處理工藝，可以省略。對于力學(xué)性能要求比較高的零件，在選擇變質(zhì)劑的時候最好選擇使用Sr等長效變質(zhì)劑。但是，對回爐料的使用應(yīng)該嚴格控制，防止變質(zhì)劑的“遺傳”導(dǎo)致合金力學(xué)性能惡化。1.3 課題研究意義鋁硅合金在我國有著廣大的需求市場，但在某些方面，鋁硅合金的強度達不到產(chǎn)品要求。鈧可以增強法鋁硅合金抗拉強度，改善鋁硅合金

34、組織性能，是鋁硅合金更適合各種工業(yè)需求。我國擁有豐富的鈧資源，在資源開發(fā)與鈧的提取方面都取得了突破性進展，而我國自2002年后已成為世界排名第一的產(chǎn)鋁大國。且在稀土鋁的生產(chǎn)中積累了豐富的經(jīng)驗。因此，以輕量化、節(jié)能降耗、有益環(huán)保為目標，積極研發(fā)鈧鋁合金及其在航空航天、陸運、海運交通工具上的應(yīng)用，同時擴展它們在民品開發(fā)方面的技術(shù)和市場規(guī)模，利資源、技術(shù)、國內(nèi)市場(如自行車)等優(yōu)勢，有著極大的研發(fā)與應(yīng)用前景。此課題的研究可以研究鋁硅合金熔煉的先進工藝，更為鋁硅合金熔煉工藝提供更可靠的事實依據(jù)。1.4 設(shè)計說明書的結(jié)構(gòu)安排第一章為緒論，主要介紹鋁硅合金和鈧的各種性能和用途，以及國內(nèi)外對此課題的研究進展

35、、發(fā)展趨勢等。第二章為鋁硅合金熔煉工藝，主要介紹實驗設(shè)計、實施過程，以及在實驗中要注意的事項等內(nèi)容。第三章為變質(zhì)處理，主要介紹實驗中加入的鈧和鍶變質(zhì)劑對鋁硅合金的影響。第四章為細化處理，主要介紹實驗中加入的鋁鈦硼細化劑對鋁硅合金的影響。第五章為結(jié)論部分，主要闡述此次實驗過程所得出的經(jīng)驗結(jié)論和此課題未來發(fā)展的展望。最后為參考文獻和致謝。第二章 熔煉工藝2.1 熔煉前準備2.1.1 合金成分設(shè)計本實驗用ZL702合金作為研究對象。在此次試驗中，鈧、鍶、鈦、銅、錳的含量都要變化，為了科學(xué)準確的進行實驗，做了五組實驗進行對比。表2.1 各組合金成分表序號SiMgCuMnSrTiSc17%0.5%1.5

36、%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 配料計算按鋁錠重量計算，這種算法能以現(xiàn)有鋁錠質(zhì)量直接投料，不必切割鋁錠，可節(jié)省工時，計算公式如下：X=A/（1C/BD） （2.1） Y=XC/B （2.2）Z=XD (2.3)式中： A已知鋁錠的總質(zhì)量，g； B各種中間合金內(nèi)所含合金元素的百分數(shù)，不帶百分號； C以中間合金形式加入的合金牌號所要求的合金元素百分數(shù)，不帶百分號；

37、D牌號要求的以純金屬形式加入的合金元素百分數(shù)，帶百分號； X每一爐次投料總量，g，待求； Y各種中間合金配料量，g，待求； Z以純金屬形式加入的合金元素質(zhì)量，g，待求；本實驗不用回爐料，一次配料澆注拉力試棒4根。本次實驗一共做五組，下面將一一列舉。第一組： Al：1.825Kg(考慮損耗)要求含Si量為7%，含Mg量為0.5%，含Cu量為1.5%，含Mn量為0.1%，含Sr量為0.06%，含Ti量為0.15%.總量 X=1.825/（10.071.5/500.0050.1/10）=2.062 Kg其中： 0.07Si在投料總量中的百分含量(7%);0.005Mg在投料總量中的百分含量（0.5%

38、）;1.5Cu在投料總量中的百分含量（1.5%）；50Cu在Al-50Cu中的百分含量（50%）；0.1Mn在投料總量中的百分含量（0.1%）;10Mn在Al-10Mn中的百分含量（10%）；熔煉過程中，Si有1%的損耗，因此，Si的用量 Si=X×7%×（1+1%）=2.062×7%×1.01=0.14578 Kg 熔煉過程中，Al-50Cu有1%的損耗，因此，Al-50Cu的用量 Al-50Cu=X×1.5%/50%×1.01=2.062×1.5%/50%×1.01=0.0625 Kg熔煉過程中，Mg有20%的

39、損耗，因此，Mg的用量 Mg=X×0.5%×(1+20%)=2.062×0.5%×(1+20%)=0.012372 Kg熔煉過程中，Al-10Mn有1%的損耗，因此，Al-10Mn的用量 Al-10Mn=X×0.1%/10%×1.01=2.062×0.1%/10%×1.01=0.02062 Kg熔煉過程中，Al-10Sr不考慮損耗，且Sr在投料總量中的百分含量為0.06%，因此，Al-10Sr的用量 Al -10Sr=X×0.06%/10%=2.062×0.06%/10%=0.0124 Kg熔煉

40、過程中，Al-5Ti-B不考慮損耗，且Ti在投料總量中的百分含量為0.15%，因此，Al-5Ti-B的用量 Al-5Ti-B=X×0.15%/5%=2.062×0.15%/5%=0.06186 KgC2Cl6占投料總量的0.6%，因此，C2Cl6的用量 C2Cl6=X×0.6%=2.062×0.6%=0.0124 Kg按上述方法計算，下面列舉第二組至第五組的計算結(jié)果。第二組： Al：1.780Kg(考慮損耗)要求含Si量為7%，含Mg量為0.5%，含Cu量為1.5%，含Mn量為0.1，含Sr量為0.06%，含Ti量為0.15%.總量X=2.011Kg，S

41、i的用量Si=0.1422Kg，Al-50Cu的用量Al-50Cu=0.0609 KgMg的用量Mg=0.012066Kg，Al-10Mn的用量Al-10Mn=0.0203Kg，Al-10Sr的用量Al-10Sr= =0.0121Kg，Al-5Ti-B的用量Al-5Ti-B=0.06033Kg，C2Cl6的用量C2Cl6= 0.012066Kg第三組： Al：1.660Kg(考慮損耗)要求含Si量為7%，含Mg量為0.5%，含Cu量為1.5%，含Mn量為0.1，含Sr量為0.06%，含Ti量為0.15%，含Sc量為0.05%?？偭縓=1.8757Kg，Si的用量Si=0.1326Kg，Al-5

42、0Cu的用量Al-50Cu=0.0568Kg，Mg的用量Mg=0.01125Kg，Al-10Mn的用量Al-10Mn=0.01895Kg，Al-10Sr的用量Al-10Sr=0.01125Kg，Al-5Ti-B的用量Al-5Ti-B=0.0563Kg，Al-2.2Sc的用量Al-2.2Sc=0.0426Kg，C2Cl6的用量C2Cl6=0.01125Kg。第四組： Al：1.720Kg(考慮損耗)要求含Si量為7%，含Mg量為0.5%，含Cu量為1.5%，含Mn量為0.1，含Sr量為0.06%，含Ti量為0.15%，含Sc量為0.1%?？偭縓=1.944Kg，Si的用量Si=0.1374Kg，

43、Al-50Cu的用量Al-50Cu=0.0589KgMg的用量Mg=0.01166Kg，Al-10Mn的用量Al-10Mn=0.0196Kg，Al-10Sr的用量Al-10Sr=0.01166Kg，Al-5Ti-B的用量Al-5Ti-B=0.0583Kg，Al-2.2Sc的用量Al-2.2Sc=0.08836Kg，C2Cl6的用量C2Cl6=0.01166Kg。第五組： Al：2.2Kg(考慮損耗)要求含Si量為7%，含Mg量為0.5%，含Cu量為1.5%，含Mn量為0.1，含Sr量為0.06%，含Ti量為0.15%，含Sc量為0.2%。總量X=2.49Kg，Si的用量Si=0.176Kg，A

44、l-50Cu的用量Al-50Cu=0.0754KgMg的用量Mg=0.0149Kg，Al-10Mn的用量Al-10Mn=0.0251Kg，Al-10Sr的用量Al-10Sr=0.0149Kg，Al-5Ti-B的用量Al-5Ti-B=0.0747Kg，Al-2.2Sc的用量Al-2.2Sc=0.2264Kg，C2Cl6的用量C2Cl6=0.0149Kg。2.2 熔煉前準備2.2.1 實驗工藝路線設(shè)計鈧能顯著提高鋁合金的性能。將鈧加入鋁硅合金中，合金的組織與性能均有明顯的改善。國內(nèi)外對含鈧鋁硅合金開展了較多的研究，但是實驗結(jié)果仍需改進。本實驗把鈧、鍶等微量合金元素加入到ZL702中，分析合金鑄件的

45、性能，觀察金相組織，主要研究鈧對鋁硅合金組織和性能的影響。整個熔煉工藝路線如下圖所示：成分設(shè)計合金配制試樣設(shè)計模具制造熔 煉試樣澆注試樣加工力學(xué)性能測試顯微組織分析圖2-1 工藝路線2.2.2 砂型制備本實驗采用砂型澆注來完成，所以，在開始實驗前就應(yīng)該造好足夠的砂型，并使其干燥。所用原材料：硅砂/PEPSET樹脂自硬砂、1#樹脂粘結(jié)劑、2#樹脂粘結(jié)劑、滑石粉。設(shè)備：一臺型號為SHY-A的混砂機，木制模型，夯實板。制造過程：按所用模型的大小稱出適量的砂子，倒入攪拌機攪拌；按每1千克砂子中倒入1毫升粘結(jié)劑的比例，在攪拌機中倒入適量的1#樹脂粘結(jié)劑，攪拌一分鐘；倒入等量的2#樹脂粘結(jié)劑，再攪拌1.5

46、分鐘；將砂子取出，放在盆里使其混合均勻，立即填入已經(jīng)安裝好的模型并夯實刮平；凝固成型后，翻模，起模。本實驗采用砂型鑄造中的重力澆注法，一套完整的砂型是由、由直澆道（冒口）、橫澆道、試棒模三部分組成。直澆道要造的高而細，以保證在澆注過程中有足夠的重力，使?jié)沧⒊浞?。橫澆道起到了分渣的作用。圖2-2 砂型制備2.3 熔煉過程2.3.1 熔煉設(shè)備坩堝電阻爐：SG2，見下圖2-3；溫度控制器：RSW-8D-16；測氫儀：HYSCAN；其它工具：石墨坩堝、石墨攪拌棒、配套的熱電偶、天平、鐘罩、撒渣勺、澆勺、夾鉗等。圖2-3 坩堝電阻爐圖2-4 溫度控制器2.3.2 熔煉過程 加全部的Si和2/3的Al于預(yù)

47、熱發(fā)紅的坩堝內(nèi)，進行快速熔化。當Al完全熔化時，鋁比硅先熔化，并覆蓋在硅的上面，然后加入余留的1/3的Al，防止硅浮在鋁液上不能完全的熔化。待全部的Al完全熔化后，把溫度設(shè)定在820左右，保溫30min，使鋁硅完全熔化成二元合金。對熔煉共晶或近共晶鋁硅合金而言，雖然硅的熔點較高，但硅在鋁液中的溶解度比較大，因此，硅是不難溶解的。 降低溫度，當溫度達到740750之間時，用充分預(yù)熱的石墨攪拌棒輕輕攪動金屬液，防止下部的鋁塊上浮至坩堝上部。注意不要劇烈攪動，以防將硅塊翻弄至鋁液面上或夾雜于覆蓋劑內(nèi)，與鋁液隔離致使金屬無法完全熔化，最終導(dǎo)致熔煉失敗。又由于在此溫度下，鋁和硅的密度近似，再加上鋁液表面

48、張力的作用，上浮的硅塊基本能浸入在鋁液里，并在溶解過程中與鋁液相互濕潤，增加了鋁液對硅塊粘附作用，從而加速硅塊的熔化過程。在攪動金屬液體時，一定不能將硅塊弄到熔體表面上，因為硅被氧化會生成高熔點的氧化物。當金屬完全熔化后，加入AL10Mn和Al50Cu中間合金，并適當攪拌，然后保溫半小時，使其完全熔化。 熔體的細化 繼續(xù)降低溫度，當溫度降至720730之間時，加入細化劑Al5TiB，攪拌，然后保溫5分鐘，使合金成分均勻化。 設(shè)定溫度于730740，達到溫度要求時，加入Al10Sr，并保溫15分鐘； 設(shè)定溫度于730740，達到溫度要求時，加入Al-Sc中間合金細化劑，靜置15分鐘； 設(shè)定溫度于

49、720730，達到溫度要求時，加入Mg（用鐘罩將Mg壓入距離溶液100mm的地方，等其熔化后再取出鐘罩），并保溫35分鐘； 熔體的精煉 將溫度調(diào)整到730740左右，將占爐料總重0.6%的C2Cl6用鋁箔包好，用鐘罩將其壓入鋁液中離坩堝底部約10cm的地方，緩慢在爐內(nèi)水平迂回運動，進行精煉，時間為10min左右。精煉完畢后，扒去液面的大量浮渣、臟物，靜置1min2min。 精煉完畢后測氫的含量，氫含量<0.15ml/100g，并進行爐前檢查。最后，扒渣，在700-710進行鑄件澆注。熔煉的加料順序為：Si、2/3Al、余Al、Al-Mn、Al-Cu、Al-Ti-B細化劑、Al-Sr變質(zhì)劑

50、、Mg、C2Cl6精煉劑。先將全部的結(jié)晶硅和2/3的鋁塊放入預(yù)熱發(fā)紅的坩堝內(nèi)，然后進行快速熔化。當鋁完全熔化后，鋁比硅先熔化，并覆蓋在硅的上面，然后加入剩余的1/3鋁塊，防止硅浮在鋁液上不能完全的熔化，待全部的鋁完全熔化，把熔體的溫度控制在820左右，保溫一定的時間使鋁硅完全熔化成二元合金。2.3.3 精煉原理本實驗采用氯鹽C2Cl6精煉，是屬于浮游法。其基本原理是通過向合金液內(nèi)加入溶劑與合金液發(fā)生反應(yīng)，獲得無氫氣泡，然后利用這些小汽泡在上浮過程吸附氫氣和氧化物夾雜，并將其挾帶到合金液面而實現(xiàn)除氣和去渣。C2Cl6加入到鋁合金溶液中后，會發(fā)生如下反應(yīng)：3 C2Cl6+2Al3 C2Cl4+2

51、AlCl3C2Cl6C2Cl4+ C123C12+ Al2 AlCl3此外，由于C2Cl6不吸潮、且保存和使用都很方便，應(yīng)用比較廣泛。但其在使用過程中遇熱會分解成CCl4和Cl2這些刺激性氣體會對操作者和環(huán)境產(chǎn)生有害影響。使用C2Cl6精煉時，其使用量一般為爐料總質(zhì)量的0.2%-0.6%，用鐘罩壓入，精煉時間為3min-5min，而精煉溫度一般控制在720-730。當精煉完成后，一般靜置6min-10min后即可進行澆注。2.4 熱處理工藝1、熱處理設(shè)備：淬火-時效一體爐，型號：RCU-9-6。2、熱處理過程：（1）固溶淬火： 4904小時； 5206小時； 5409小時。（2）時效處理：17

52、09小時，空冷。2.5 小結(jié)熔煉過程中，熔煉溫度不能過高，否則將造成鋁液過熱而吸收大量的氫氣。熔煉時間過長，不僅費時，還可能增加熔體的吸氣量。所以，在保證完全熔化的前提下，時間越短越好。另外，在實驗過程中，要注意澆注缺陷，應(yīng)小心操作，盡量減少操作失誤和誤差等造成的各種缺陷。第三章 微量合金變質(zhì)機理3.1 鈧在鋁合金中的微合金化作用機理到目前為止，Sc是人們所發(fā)現(xiàn)的對鋁合金最為有效的合金化元素，它對鋁合金的合金化作用非常顯著，只要加入千分之幾的鈧就能對鋁合金起強烈的變質(zhì)作用，使合金的結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生明顯變化。微量鈧加入到鋁合金中不僅能顯著細化鋁合金晶粒，抑制合金再結(jié)晶，而且可顯著提高合金的強度、塑

53、性、高溫性能、抗蝕性能及焊接性能，甚至能增強抗中子輻照損傷性能。3.1.1 AlSc合金的研究1、AlSc合金的發(fā)展史與現(xiàn)狀鈧(Sc)自1876年發(fā)現(xiàn)后的100多年問一直未受到重視，直至20世紀60年代才由前蘇聯(lián)學(xué)者HAYMKHH等拉開了A1Sc合金研究的序幕，并在1965年公布了第1張A1Sc相圖。其后，MURRAY于1998年公布了近年來被國際材料界公認的A1Sc二元相圖，如圖2-1所示。圖3-1 AlSc二元平衡相圖含鈧鋁合金中，鈧作為微量元素加入鋁基體，以改善合金的結(jié)構(gòu)與性能，所以了解鋁鈧相圖富鋁角對研究合金結(jié)構(gòu)與性能具有重大意義。HAYMKHH 等認為A1Sc系二元系富鋁角是包晶反應(yīng)，反應(yīng)溫度