本帖最后由 groyne 于 2016-7-27 10:37 编辑
稀土对铝及铝合金作用的机理
1 净化作用
稀土的净化作用表现为明显减少铝液中的含氢量, 降低铸件针孔率和孔隙度, 减少铝液中的夹杂物, 降低铝液中的有害元素等。
铝合金在熔铸过程中, 大量的气体和氧化夹杂溶入铝液( 其中主要是氢、氧和氮) , 使铸件产生针孔和夹杂, 降低铝的强度。
铝液中的氢和氧化物夹杂来自于铝液和水汽的反应。熔炼时, 铝液与水汽发生如下反应:
Al( l)+ 3/ 2H2O(g )= 1/ 2- Al2O3( s )+ 3[ H]生成大量的H 和A l2O3夹杂。 夹杂物能吸附水分和气体, 当夹杂物进入铝液时, 将他们带入, 并发生铝- 水汽反应, 铝液中含Al 2O3后, 会增加铝液的含氢量, 而且很难除去。当铝液冷却时, 夹杂物提供了气体析出的形核界面, 促使气体析出。因此, 即使气体含量不高, 也会产生气孔。 实践证明, 稀土具有良好的减少氧化夹杂的作用。其机理还有待于进一步的研究。 稀土与氢有较大的亲和力, 能大量吸附和溶解氢, 稀土与氢生成的化合物熔点较高, 不会聚集形成气泡, 使铝的含氢量和针孔率明显降低。稀土与氮生成难溶化合物, 在熔炼过程中, 大部分以渣的形式排除。 稀土极易与硫、磷、锑、砷等元素化合, 生成化合物的熔点较高、密度小, 易于上浮成渣, 其中的微小质点, 则成为铝结晶过程的异质晶核。
2 变质及细化晶粒作用 稀土变质及细化作用主要表现在细化晶粒及枝晶, 抑制铝合金中粗片状富铁相( T 2 相) 出现, 使原晶内分布的粗大块状相消失, 形成球状相, 晶界处条状及碎块状化合物明显减少。 铝是面心立方结构, 稀土为密排六方结构, 故稀土在铝及铝合金中固溶度较小, 大部分稀土富集在晶界处, 在凝固过程中, 稀土聚集在固- 液界面前沿, 增大该处的成分过冷, 从而使合金的二次枝晶间距缩小。 另一方面, 稀土原子半径( 0. 174nm ~ 0. 204nm ) 比铝( 0. 143nm ) 和硅( 0. 12nm) 大, 稀土固溶到铝和硅相中形成置换式固溶体使晶格扭曲成位错, 加之凝固时造成固液界面前沿稀土原子的富集, 溶液浓度不均匀也导致位错产生, 位错密度超过一定值后, 促使硅由光滑界面转变为粗糙界面方式长大, 导致晶粒细化。
稀土电负性( 1. 10~1. 36) 较大, 比较活泼, 它溶于铝液中, 极易填补合金相的表面缺陷, 从而降低新旧两相界面上的表面张力, 使得晶核生长的速度增大, 同时还在晶粒与合金液之间形成表面活性膜, 阻止生成的晶粒长大, 使合金的组织细化。
同时稀土与一些杂质元素的亲合作用较大, 能与杂质生成金属间化合物或非金属化合物, 它们偏聚在晶界上, 加大了过冷度, 具有细化晶粒的作用; 同时可以改变铝合金组元Si、Fe、Cu、Mg 等的形态, 减少针状晶, 增加球状晶。
3 合金化作用 稀土在铝合金中主要以3 种形式存在: 固溶在基体 (A l) 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。 当稀土含量较低时, 稀土主要以前2 种形式分布。固溶在基体( A l) 中的稀土起到了有限固溶强化的作用; 偏聚在相界、晶界和枝晶界处的稀土则增加了变形阻力, 促进位错增殖, 而且二次枝晶间距有可能细化, 使强度提高; 稀土沿枝晶和晶界分布, 形成连续和不连续的网膜, 提高了铝合金晶界强度和抗蠕变能力, 使晶间裂纹不易扩展, 进而提高合金的热强性。稀土还使铝合金腐蚀电位变正, 增大电化学反应的电阻, 从而提高铝合金的耐蚀性。 稀土加入量足以形成金属间化合物时, 与合金中的元素形成许多新相, 大部分含稀土的第二相都出现了粒子化、球化和细化的特征, 这些呈弥散分布的高熔点化合物具有很好的热稳定性与耐热性。同时稀土与杂质形成化合物并在晶界析出, 改变了杂质原来的固溶存在方式, 消除了分布在晶界处微量杂质的有害作用的同时, 又强化稳定了晶界, 延缓合金元素在高温下的扩散速度, 提高了合金的耐热性和高温性能。 |