鋁合金的變質(zhì)處理
鑄錠組織的不均勻性集中的影響到鑄錠的性能，用于鍛造、軋制和擠壓的鑄錠特別不希望降低合金工藝塑性的柱狀組織。通常，具有細小晶粒組織、細微的晶粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)和過剩相均勻分布的合金具有較好的鑄態(tài)性能和較高的壓力加工塑性。采用增大冷卻速度、低溫澆注、超聲波振蕩鑄造、電磁鑄造等措施均有利于獲得上述理想組織，但這些辦法均有局限性，只有對合金采取變質(zhì)處理才是調(diào)整鑄錠組織的根本手段。
一、變質(zhì)處理概述
所謂變質(zhì)處理就是在少量的專門添加劑(變質(zhì)劑)的作用下改變鑄態(tài)合金組織，使金屬或合金的組織分散度提高的過程。目前，這種處理方法的技術(shù)術(shù)語很不統(tǒng)一，有的叫細化處理，還有的叫孕育處理。變質(zhì)處理的分類也各不一樣。有人根據(jù)金屬及合金的較終組織變化特征將變質(zhì)處理分為三類：把改變初生樹枝晶和其他初生晶尺寸的處理叫靠前類變質(zhì)處理，把改變初生樹枝晶內(nèi)部結(jié)構(gòu)的處理叫第二類變質(zhì)處理，把改變共晶組織的處理叫第三類變質(zhì)處理。也有人根據(jù)變質(zhì)劑的作用特性，把變質(zhì)處理分為三類四組(見表2—5—3)。還有人按對結(jié)晶著的合金的物理作用和冶金作用來分類。顯然，這些概念之間的界限是很難區(qū)分的。本手冊把變質(zhì)處理理解為金屬及合金鑄錠組織彌散度的提高。
表2—5—3變質(zhì)劑的類別及其作用特性
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類別 |
變質(zhì)劑 |
組別 |
作用性質(zhì) |
可能的變質(zhì)機構(gòu) |
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I |
晶核變質(zhì)劑 |
l |
不起化學(xué)作用，但結(jié)構(gòu)上具有共格性 |
起晶核或生核基底作用，如鋁中的TiC及其他高熔點夾雜物 |
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2 |
起化學(xué)作用且有結(jié)構(gòu)上的共格性 |
包晶反應(yīng)產(chǎn)生晶核質(zhì)點，并改變周圍液相的成分濃度，如鈦和鋁作用生成的TiAl， |
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Ⅱ |
吸附變質(zhì)劑 |
3 |
活性吸附或物理吸附 |
吸附在晶面上，阻礙晶粒成長，促使過冷增核，如鋁硅合金中加鈉 |
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Ⅲ |
改變結(jié)構(gòu)不 勻性變質(zhì)劑 |
4 |
起機械或物化作用，改變液相結(jié)構(gòu)及分布狀況 |
均勻液相成分和溫度，改變晶核質(zhì)點的活性 |
目前，有各種說明變質(zhì)處理過程的理論，其中，比較著名的有晶核形成論、碳化物論、包晶反應(yīng)論、原子結(jié)構(gòu)論等，但其中沒有一種理論可以全面地說明這種過程。這是因為，靠前，變質(zhì)處理過程很復(fù)雜，既與熔煉條件有關(guān)，也與鑄造條件有關(guān);第二，不可控制的雜質(zhì)有影響，鋁合金中的某些元素的相互作用也有影響，它們增強或減弱晶粒細化的效果。
按照晶核形成理論的觀點，晶粒細化是因為存在晶核，熔體是在晶核上開始結(jié)晶的。這些質(zhì)點可能是過渡金屬的碳化物、硼化物和鋁化物，它們的晶格常數(shù)與鋁固溶體的晶格常數(shù)(4.04Α)相近(見表2—5—4)。根據(jù)該理論，作為變質(zhì)劑加入的添加劑應(yīng)該滿足以下要求：①在高溫下化學(xué)成分不變，在鋁熔體中有足夠的穩(wěn)定性;②添加劑的熔點應(yīng)比鋁的高;③添加劑和鋁的晶格在結(jié)構(gòu)及尺寸上應(yīng)相適應(yīng);④與被處理的熔體原子形成強而有力的吸附鍵。
目前，除鋁薄板和鋁箔生產(chǎn)企業(yè)仍有采用鋁-鈦添加劑外，國內(nèi)變形鋁合金材料生產(chǎn)企業(yè)普遍采用鋁-鈦-硼添加劑(線材或餅狀)進行變質(zhì)處理。另外，新開發(fā)的鋁-鈦-硼-稀土變質(zhì)劑和鋁-鈦-碳變質(zhì)劑也已推廣使用。
表2—5—4碳化物、硼化物及鋁化物的晶格常數(shù)
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化合物名稱 |
化學(xué)符號 |
晶格常數(shù)/Α |
品格類型 |
熔點/℃ |
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a |
c |
c/a |
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鋁① 碳化鈦 碳化鋯 碳化釩 硼化鈦 硼化鋁 硼化鋯 硼化釩 鈦化鋁 鋯化鋁 磷化鋁 鈉① |
Al TiC ZrC VC(V2C3) TiB2 AlB2 ZrB2 VB2 TiAl3 ZrAl3 AlP Na |
4.04 4.32 4.69 4.182 3.026 3.01 3.162 3.001 5.42 4.013 5.42 4.22 |
— — — — 3.213 3.26 3.523 3．O6l 8.57 17.32 — — |
— — — — 1.06 1.08 1.114 1.02 1.58 4.316 — — |
面心立方 面心立方 立方 立方 六方 六方 六方 六方 四方 四方 立方 體心立方 |
660 3140 3175 3160 2980 2700? 3040 2400 1340 1580 1000 97.5 |
注：①鋁是被細化對象，鈉是鋁-硅合金變質(zhì)劑，為方便比較，其數(shù)據(jù)一起列出。
