以高純鋁和Al-10Fe中間合金為原料制備Al-3Fe合金，在熔煉過程中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.3%和0.1%的鈧和鋯元素對(duì)熔體進(jìn)行變質(zhì)處理，在凝固過程施加不同電壓(100，200，300V)、不同頻率(2.5，5，10Hz)的脈沖磁場，研究了變質(zhì)處理和脈沖磁場對(duì)Al-3Fe合金凝固組織和硬度的影響。結(jié)果表明：鈧、鋯變質(zhì)處理，脈沖磁場(100V，5Hz)及二者復(fù)合處理均可以有效細(xì)化合金的凝固組織，其中復(fù)合處理的細(xì)化效果最好，Al3Fe相由未處理時(shí)粗大的長針狀變?yōu)榧?xì)小的短棒狀或短針狀。復(fù)合處理?xiàng)l件下，隨著脈沖電壓的增加，Al3Fe相長度先增加后減??；隨著脈沖頻率的增加，Al3Fe相長度減小。變質(zhì)+脈沖磁場復(fù)合處理后，合金的布氏硬度提高最明顯。
1、試樣制備與試驗(yàn)方法
試驗(yàn)原料包括純度為99.99%的高純鋁，以及Al-10Fe、Al-2Sc和Al-5Zr中間合金。按照名義成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為Al-3Fe稱取高純鋁和Al-10Fe中間合金，置于電阻爐坩堝中于850℃進(jìn)行熔煉，待純鋁和Al-10Fe中間合金完全熔化后，按照鈧、鋯元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.3%，0.1%加入Al-2Sc和Al-5Zr中間合金進(jìn)行變質(zhì)處理，保溫30min，采用鐘罩法加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的C2Cl6精煉劑，再保溫10min；待溫度降至780℃后，將熔體澆入如圖1所示的自制脈沖磁場凝固裝置中，不銹鋼鑄型先預(yù)熱至700℃，凝固時(shí)施加脈沖磁場，脈沖磁場電壓為100V，脈沖頻率為5Hz。為了進(jìn)行對(duì)比，還在相同工藝下分別制備了未處理(即未變質(zhì)、未施加脈沖磁場)Al-3Fe合金、僅變質(zhì)處理Al-3Fe合金、僅脈沖磁場(100V，5Hz)處理Al-3Fe合金，此外，還對(duì)變質(zhì)熔體在凝固過程中施加了頻率5Hz不同電壓(100，200，300V)脈沖磁場以及電壓300V，不同頻率(2.5，5，10Hz)脈沖磁場，以便分析脈沖磁場電壓和頻率對(duì)復(fù)合處理合金組織和硬度的影響。在鑄錠上從底部向上取高為30mm、直徑為24mm的試樣，經(jīng)研磨拋光后，采用體積分?jǐn)?shù)為0.5%的HF水溶液進(jìn)行腐蝕，腐蝕時(shí)間在8~10s。采用光學(xué)顯微鏡(OM)觀察顯微組織，并對(duì)Al3Fe相尺寸進(jìn)行測量，隨機(jī)選取20個(gè)完整的Al3Fe相進(jìn)行測量，取平均值。在變質(zhì)+脈沖磁場(100V，5Hz)復(fù)合處理鑄錠直徑為50mm的截面上，在距邊緣0.5，1.5，2.5cm處各取3個(gè)試樣，分別記為邊部區(qū)、過渡區(qū)和中心區(qū)，經(jīng)研磨、拋光、腐蝕處理，用光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。采用電子布氏硬度計(jì)測試邊部區(qū)，過渡區(qū)和中心區(qū)硬度，各測3點(diǎn)，取平均值。
2、試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 物相組成
由圖2可以看出，未處理、僅變質(zhì)處理、僅脈沖磁場處理和變質(zhì)+脈沖磁場復(fù)合處理后的試驗(yàn)合金均由α-Al和Al3Fe兩種相組成，未發(fā)現(xiàn)新相。加入微量鈧和鋯時(shí)，Al-Fe合金中還會(huì)產(chǎn)生Al3Sc相和Al3Zr相，但由于這兩個(gè)相含量較少，XRD未能檢測到。
2.2 Al3Fe相尺寸和形貌
由圖3可以看出：未處理試驗(yàn)合金中Al3Fe相呈粗大的分布不均勻的長針狀，分別經(jīng)過變質(zhì)、脈沖磁場、變質(zhì)+脈沖磁場復(fù)合處理后，Al3Fe相變?yōu)榉植季鶆虻亩贪魻罨蚨提槧?。其中：變質(zhì)處理后，Al3Fe相為短棒狀；僅脈沖磁場處理后，Al3Fe相為短針狀；變質(zhì)+脈沖磁場復(fù)合處理后，Al3Fe相變?yōu)楦?xì)小的短棒狀或短針狀。測得未處理、僅變質(zhì)處理、僅脈沖磁場處理、變質(zhì)+脈沖磁場復(fù)合處理后，試驗(yàn)合金中Al3Fe相的平均長度分別為1211，394，247，136μm，處理后的平均長度明顯減小，并且脈沖磁場處理的比變質(zhì)處理的細(xì)化效果更好，而變質(zhì)+脈沖磁場復(fù)合處理的細(xì)化效果最好。
變質(zhì)處理時(shí)，新生成的Al3Sc相和Al3Zr相為合金凝固提供大量的異質(zhì)形核核心，從而細(xì)化了Al3Fe相；同時(shí)由于鈧和鋯元素阻礙了鐵原子的遷移，增加了界面前沿液相中鐵的濃度梯度，造成成分過冷，使Al3Fe相來不及分枝便被后形核的富鐵相所包裹，加之鐵原子在鋁液中的擴(kuò)散速率極低，導(dǎo)致Al3Fe相的進(jìn)一步生長受到了抑制，因此Al3Fe相呈較未處理時(shí)明顯細(xì)化。
當(dāng)Al-Fe合金熔體在脈沖磁場下凝固時(shí)，脈沖磁場會(huì)對(duì)Al-Fe合金熔體產(chǎn)生電磁振動(dòng)和電磁攪拌作用。磁場強(qiáng)度越大，振動(dòng)和攪拌越劇烈，熔體的對(duì)流效應(yīng)越強(qiáng)，鑄型型壁處細(xì)小的Al3Fe相更易移動(dòng)到內(nèi)部，導(dǎo)致熔體的形核率提高,產(chǎn)生更好的細(xì)化效果；同時(shí)攪拌力越強(qiáng)，Al3Fe相被折斷、破碎越充分，細(xì)化效果越好。
復(fù)合處理時(shí)，Al3Fe相不僅受到脈沖磁場下的電磁振動(dòng)和電磁攪拌作用，還受到鈧和鋯變質(zhì)劑的作用，因此Al3Fe相被進(jìn)一步細(xì)化。
由圖4可以看出：隨著脈沖電壓的增加，變質(zhì)+脈沖磁場復(fù)合處理試驗(yàn)合金中的Al3Fe相平均長度先增大后減小，當(dāng)電壓為100V時(shí)最大；隨著脈沖磁場頻率的增加，Al3Fe相的平均長度減小。當(dāng)脈沖磁場電壓大于200V時(shí)，雖然電磁強(qiáng)度和電磁斥力都很大，但電磁強(qiáng)度的變化更為明顯，脈沖磁場對(duì)熔體的均勻化作用更強(qiáng)，因此隨著脈沖電壓的增加，Al3Fe相的分布逐漸均勻，平均長度逐漸減小。
由圖5可知，脈沖磁場復(fù)合處理后試驗(yàn)合金鑄錠從邊部到中心的組織不同。邊部存在粗大的長針狀A(yù)l3Fe相；過渡區(qū)靠邊部側(cè)存在較為細(xì)小的短棒狀A(yù)l3Fe相，靠中心側(cè)則基本不存在Al3Fe相，主要為初生鋁相且分布較為均勻。
當(dāng)脈沖磁場電壓為100V時(shí)，脈沖磁場產(chǎn)生的電磁震動(dòng)和攪拌作用較弱，強(qiáng)迫對(duì)流作用減弱，Al3Fe相主要受到電磁斥力的作用，在該力的作用下Al3Fe相向熔體邊部遷移，在邊部大量聚集，而心部幾乎不含Al3Fe相，并且Al3Fe相在遷移過程中會(huì)不斷地發(fā)生碰撞并聚集，從而造成Al3Fe相粗化。此外，由于導(dǎo)電性差異的存在，在脈沖磁場作用下Al3Fe相會(huì)受到一個(gè)指向試樣表面的電磁斥力而發(fā)生遷移。磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，電磁斥力越大，Al3Fe相的遷移作用越強(qiáng)。
2.3 合金硬度
未處理的合金硬度偏低，為28.54HB。僅鈧、鋯變質(zhì)處理后合金的硬度為49.52HB。僅脈沖磁場(100V，5Hz)處理后，合金的布氏硬度為25.78HB。而經(jīng)鈧、鋯變質(zhì)+脈沖磁場復(fù)合處理后合金的硬度分別為44.84，49.92，49.56，48.34，49.56，53.92HB。
未處理時(shí)，Al3Fe相在基體中呈粗大的長針狀分布，嚴(yán)重割裂基體，降低了合金的力學(xué)性能，因此合金硬度偏低。僅加入合金元素變質(zhì)處理后，Al3Fe相變?yōu)槎贪魻?，得到明顯細(xì)化，因此合金硬度明顯提高。只進(jìn)行脈沖磁場處理時(shí)，雖然此時(shí)的Al3Fe相比未處理合金發(fā)生細(xì)化，但其形狀仍為短針狀，另外，施加脈沖磁場可能產(chǎn)生氧化、吸氣和夾雜等問題，對(duì)合金的力學(xué)性能造成不利影響，故脈沖磁場對(duì)合金的布氏硬度影響不大。因此，變質(zhì)+脈沖磁場復(fù)合處理合金的布氏硬度與僅變質(zhì)處理合金的布氏硬度相差不大。
由圖6可以看出，變質(zhì)+脈沖磁場復(fù)合處理試驗(yàn)合金的硬度隨著脈沖電壓的升高先降低后提高再略微下降，經(jīng)脈沖磁場電壓為200，300V的復(fù)合處理后，Al3Fe相有所細(xì)化，合金的布氏硬度提高，但硬度與只經(jīng)變質(zhì)處理的試樣相差不大。隨著脈沖頻率的增加，合金硬度先降低后升高，當(dāng)頻率為2.5Hz時(shí)達(dá)到最低。當(dāng)頻率提高為5，10Hz時(shí)，隨著脈沖磁場頻率的提高，Al3Fe相被細(xì)化的程度不斷加大，因此合金的布氏硬度也不斷升高。經(jīng)電壓為100V、頻率為5Hz的脈沖磁場復(fù)合處理后，Al3Fe相在邊部區(qū)聚集長大，導(dǎo)致試樣邊部區(qū)的硬度相比于只經(jīng)變質(zhì)處理的有所下降，且試樣邊部區(qū)的硬度小于試樣中心區(qū)的硬度，經(jīng)測試合金鑄錠邊部區(qū)和中心區(qū)的硬度分別為44.84，49.12HB。
3、結(jié) 論
(1) 僅經(jīng)鈧、鋯變質(zhì)處理，僅經(jīng)脈沖磁場(100V，5Hz)處理以及二者復(fù)合處理均可以有效細(xì)化Al-3Fe合金的凝固組織，其中鈧、鋯變質(zhì)+脈沖磁場復(fù)合處理細(xì)化效果最好，Al3Fe相由粗大的長針狀變?yōu)榧?xì)小的短棒狀或短針狀。僅鈧、鋯變質(zhì)處理與鈧、鋯變質(zhì)+電磁脈沖復(fù)合處理后，合金的布氏硬度均明顯提高。
(2) 在脈沖磁場電壓為0~300V范圍內(nèi)的復(fù)合處理下，合金的Al3Fe相長度隨著電壓的增加先增大后減小，當(dāng)電壓為100V時(shí)達(dá)到最大，硬度先低后升高；在脈沖磁場頻率為0~10Hz范圍內(nèi)的復(fù)合處理下，合金的Al3Fe相長度隨著頻率的增加逐漸減小，硬度先降低后升高。
(3) 當(dāng)脈沖電壓為100V時(shí)，Al3Fe相聚集在試樣邊部區(qū)，且試樣心部區(qū)硬度高于邊部區(qū)硬度。
京公網(wǎng)安備11010802046783號(hào)
