微量元素对ADC12铝合金组织及热分析结果的影响.pdf
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1、轻合金加工技术Vol51,No68LIGHT ALLOY FABRICATION TECHNOLOGYD0I:10.13979/j.1007-7235.2023.06.002微量元素对ADC12铝合金组织及热分析结果的影响马小红,徐亚军,陈长科,陈诚诚田冬梅,王向杰(1.新疆铝基电子电工材料重点实验室,新疆乌鲁木齐8 30 0 13;2.东北大学材料电磁加工教育部重点实验室,辽宁沈阳110 8 19)摘要:研究了Al-5Ti-1B、Sr 和Mo对ADC12铝合金组织结构的影响,利用金相显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)进行分析和检测,并对凝固行为进行评估。结果表明:在ADC12铝合金中添加A1
2、-5Ti-1B晶粒细化剂,晶粒细化效果最为显著;添加Sr的ADC12铝合金,共晶硅的变质效果最为明显。热分析结果表明,添加Al-5Ti-1B的ADC12铝合金中初生-Al的成分过冷度和形核率显著增加,细化效果最为显著;添加Sr的ADC12铝合金中共晶硅的形核温度和生长温度显著降低,变质效果最好;添加Mo的ADC12铝合金中共晶Al,Cu的形核温度和生长温度最低。利用特征温度参数评估ADC12铝合金的凝固组织,优化微量元素对Al-Si-Cu合金组织和性能的影响。关键词:ADC12铝合金;细化变质;显微组织;热分析中图分类号:TG292文献标识码:A文章编号:10 0 7-7 2 35(2 0 2
3、 3)0 6-0 0 0 8-0 7Effect of trace elements on the microstructure and thermalanalysis results of ADC12 aluminum alloyMA Xiaohong,XU Yajun,CHEN Changke,CHEN Chengcheng,TIAN Dongmei?2,WANG Xiangjie?(1.Xinjiang Key Laboratory of Aluminum Based Electronic and Electrical Materials,Urumqi 830013,China;2.Ke
4、y Laboratory of Electromagnetic Machining of Materials,Ministry of Education,Northeastern University,Shenyang110819,China)Abstract:The effects of Al-5Ti-1B,Sr,and Mo on the microstructure of ADC12 alumi-num alloy were studied.Metallographic microscopy(OM)and scanning electron microscopy(SEM)were use
5、d for analysis and detection,and solidification behavior was evaluated.Theresults show that the alloy with Al-5Ti-1B has the most significant grain refinement effect,and the alloy with Sr has the most obvious modification effect of eutectic Si.The thermal a-nalysis results indicate that in the ADC12
6、 aluminum alloy with Al-5Ti-1B addition,under-cooling and nucleation rate of primary-Al significantly increase,with the most significantrefinement effect.The nucleation and growth temperature of eutectic Si in ADC12 aluminumalloy with Sr addition significantly decreases,resulting in the best modific
7、ation effect.Thenucleation and growth temperature of eutectic Al,Cu in ADC12 aluminum alloy with Mo addi-tion are the lowest.Evaluating the solidification structure of ADC12 aluminum alloy through收稿日期:2 0 2 3-0 6-10基金项目:国家重点研发计划(2 0 2 2 YFB3504401),国家自然科学基金(52 2 7 10 94,U1708251)和辽宁省重点研发计划(2 0 2 0 J
8、H2/10700003)第一作者简介:马小红(198 9一),女,新疆伊犁人,工程师。轻合金加工技术Vol.51,No6LIGHT ALLOY FABRICATION TECHNOLOGY9characteristic temperature parameters optimizes the effect of trace elements on the microstruc-ture and properties of aluminum silicon copper alloy.Key words:ADC12 aluminum alloy;refinement and modificatio
9、n;microstructure;ther-mal analysisADC12铝合金具有良好的铸造性能和力学性能,广泛用于发动机活塞、汽缸体、缸盖、机车减震器等零部件1。然而,由于初生-Al晶粒尺寸较大,共晶硅呈粗大的层片状或长针状,对基体产生割裂作用,严重影响了铸件的性能2 。在工业生产中,添加微量合金元素是实现Al-Si合金细化变质的最经济有效的方法之一。Al-Ti-B、A l-T i-C是铝加工行业常见的晶粒细化剂,研究表明3,在高强铝合金中,Al-Ti-B晶粒细化剂的细化效果要强于Al-Ti-C晶粒细化剂的。目前,,Sr、Na、K 是应用比较广泛的变质剂。由于Sr的变质效果最好,因此S
10、r在工业中得到了广泛的应用4。Jin L5等人发现,在低铁和高铁铝合金中,Mo的加人可以强烈促进-Fe的形成,抑制-Fe的析出,减少针状-Fe对基体的割裂作用。冷却曲线热分析(CCTA)法是一种非平衡热分析方法。在合金的凝固过程中,组织的形核和生长都会释放或吸收热量,从而显示出特定的温度值6-8 。通过研究合金的凝固过程,可以对合金的组织和性能进行一定的预判。此外,热分析还可以确定铝合金变质程度,晶粒细化、液相线和固相线温度,与共晶和金属间化合物形成有关的特征温度。本试验研究了Al-5Ti-1B、Sr 和Mo对ADC12铝合金组织结构的影响,利用光学显微镜、SEM及EDS对组织进行分析,利用热
11、分析曲线上的特征温度参数评估合金元素对ADC12铝合金凝固特性的影响,为进一步科学研究和实际应用提供借鉴。1试验方法试验材料为ADC12铝合金(化学成分见表1),Al-5Ti-1B晶粒细化剂,Al-10Sr变质剂和Al-5Mo中间合金。采用电阻炉将烘干后的ADC12铝合金加热熔化,当熔体温度达到7 50 时,按照试验设计在不同的阶段向熔体中加人质量分数为2%的A1-5Ti-1B晶粒细化剂、0.4%的Al-10Sr变质剂、2%的A1-5Mo中间合金,保温30 min,利用C,Cl。进行除气精炼处理,将熔体倒人耐火模(内腔尺寸50mm50mm,壁厚2 0 mm)中。为了方便讨论,分别将对照组ADC
12、12铝合金、添加Al-5Ti-1B的合金、添加Sr的合金以及添加Mo的合金依次分别命名为1#、2#、3#和4#合金。表1试验合金的化学成分(质量分数/%)Table 1 Chemical composition of the test alloy(wt/%)元素SiCuMgFeMnZnA1ADC129.612.01.53.50.301.30.501.00余量实测10.521.580.09 0.730.080.47余量采用耐火模具和连接到数据采集系统的K型热电偶(距离模具底部约2 0 mm)对合金的凝固行为进行分析。熔体浇注温度为7 8 0,温度采集时间间隔为1s。通过仔细比较获得的冷却曲线及其
13、相应的一阶导数,获得特征温度。采用的凝固特征参数如图1和表2 所示。金相试样从铸锭底部约2 0 mm处切割,经过机械研磨和抛光后采用LeciaDMI500M光学显微镜进行显微组织检测。在偏振光模式下观察阳极覆膜处理的显微晶粒组织,电解液为硫酸磷酸水溶液(硫酸体积:磷酸体积:水体积=2:2.3:1)。采用JSM-7800F场发射扫描电子显微镜及能谱仪进行微观组织观察及微区成分分析。采用ImageProPlus(IM PP)软件对合金的晶粒尺寸以及二次枝晶臂间距进行测量。8001.0液相线一阶导数0.57000600To.S冷却曲线-0.5TN,Si共晶硅500T1.0N.CuTT-1.5400共
14、晶铜-2.05001000150020002500时间/s图1ADC12铝合金的凝固曲线和一阶导数曲线Fig.1 Solidification curve of ADC12 aluminum alloy轻合金加工技术Vol51,No6一LIGHT ALLOY FABRICATION TECHNOLOGY10表2 图图1中的凝固特征参数Table 2 Solidification characteristic parametersshown in Fig.1特征参数参数含义TN.-Al形核温度Ts凝固温度ATs凝固范围t总凝固时间TMin,-Al最低温度ATN,形核过冷温度tN,形核过冷时间Tc
15、.-Al生长温度ATR.生长过冷温度tR,生长过冷时间TN,.si共晶硅形核温度Tc.si共晶硅生长温度TN.cu富Cu相形核温度Tc.cu富Cu相生长温度2试验结果与分析2.1微观组织分析图2 为1#4#合金热分析试样的阳极覆膜组织。对比1#合金的组织,2#合金的晶粒尺寸显著减小,因为Ti在合金中可与Al、B等元素反应形成Al,Ti、T i B,等相,可以作为-Al的异质形核核心,从而使-Al晶粒细化9。3#和4#合金的晶粒尺寸也得到一定程度的减小,但细化效果并不明显。1000m1000ma-1#合金b-2#合金1000m1000mC-3#合金d-4#合金图2ADC12铝合金的阳极覆膜组织F
16、ig.2 Anodised microstructure of ADC12 aluminum alloy为了定量分析合金元素对-Al晶粒细化效果,测量了1#4#合金试样的平均晶粒尺寸和二次枝晶臂间距,结果如图3所示。由图3可知,1#合金的平均晶粒尺寸和二次枝晶臂间距分别为16 92.8 m和16 0.5m,与1#合金相比,2#合金、3#合金和4#合金的平均晶粒尺寸分别减小了6 9.2%、2 5.6%和19.2%;二次枝晶臂间距分别减小了56.1%、2 0.6%和18.8%。1801800晶粒尺寸1601600二次枝晶臂间距1401400120/1200100100080800600604004
17、020020001#合金2#合金3#合金4#合金图3ADC12铝合金的平均晶粒尺寸和二次枝晶臂间距Fig.3 Average grain size and secondary dendritearm spacing of ADC12 aluminum alloy图4为1#4#合金试样的铸态显微组织。由图4可以看出,1#合金中存在长针状和板条状的共晶硅相、少量的Al,Cu相和呈针状或骨骼状的含铁相。2#合金中针状共晶硅的尺寸略有减小,这是由于A1-5Ti-1B起到了细化晶粒的作用,减少了枝晶间熔体的体积,限制了Si的形核区域,从而缩小了共晶硅的尺寸10 。对于4#合金,共晶硅的大小没有发生明显的
18、变化。对于3#合金,共晶硅的尺寸由长针状转化为点状或纤维状,这是由于Sr变质剂进人到熔体中时,溶解产生大量的Sr原子容易吸附在共晶硅生长平台上,阻碍Si原子运动到平台上继续沿着特定的方向生长,从而细化共晶硅(2.2SEM图像及EDS分析图5为1#合金试样的SEM图像及EDS结果。对A、B、C和D特征位置进行能谱分析,结果表明,A点的主要组成元素为Al、Fe、Si、M n,为AISiMnFe相,这主要是因为合金中的Fe、M n 等元素,在凝固时被推到固液界面前沿,与Al和Si结合形成AISiMnFe相;B、D 点的主要组成元素为Al和Si,分别为初生硅相和共晶硅相;C点的主要组成元素为Al、Fe
19、、Si、Mn、Cu,为含Cu相。Fig.4Microstructure of as-cast ADC12 aluminum alloy轻合金加工技术Vol51,No6LIGHTALLOY FABRICATION TECHNOLOGY200m50uma-1#合金b-1#合金放大图200um50umC-2#合金d-2#合金放大图200um50ume-3#合金f-3#合金放大图200um50umg-4#合金h-4#合金放大图图4ADC12铝合金铸态显微组织25ma-SEM图像元素原子W/%百分比%400A160.6971.96元素WV/%眼子Si9.6010.94百芬比%AI1.47Mn5.211.
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