Effects of heat treatment on the microstructure and mechanical properties of die casting AlSi10MnMg alloy
-
摘要: 以国内某公司自主改进的非真空压铸AlSi10MnMg合金片状试样作为实验对象，研究不同的热处理制度对该合金组织和力学性能的影响。结果表明：非真空压铸件经高温固溶+淬火+人工时效处理后综合性能下降，容易发生弯曲变形和鼓泡现象。仅经低温时效处理的压铸件屈服强度和抗拉强度分别达到了251.8 MPa和327.1 MPa，较压铸态分别提高了42.6%和10.5%，断后伸长率则有所下降。经低温时效后合金析出的主要强化相为Mn6Si和Mg2Si相。
-
关键词:
- AlSi10MnMg合金 /
- 非真空压铸 /
- 低温时效处理 /
- 力学性能
Abstract: When nonvacuum die-casting AlSi10MnMg alloy samples developed by a domestic company were taken as the experimental objects, the effects of heat treatment on the microstructure and mechanical properties of the alloy were investigated. The results showed that the comprehensive performance of nonvacuum die castings decreased after high temperature solution-quenching-artificial aging treatment, and distortion and blistering were prone to occur in the castings. When the die-casting specimens were treated by low-temperature aging only, their yield strength and tensile strength reached 251.8 MPa and 327.1 MPa, respectively, which were 42.6% and 10.5% higher than those of the die-cast specimens, and the elongation after fracture decreased. The main strengthening phases that precipitated in the alloy after low-temperature aging treatments were the Mn6Si and Mg2Si phases. -
氧化铝生产过程中所产生的强碱性废渣被称为赤泥。因生产方法和铝土矿品位的不同,每生产一吨氧化铝大约要产生0.5～2.0 吨的赤泥[1]。2019年中国氧化铝产量7 230.16万吨,伴随产生的赤泥高达1亿吨,累计堆存量超过13亿吨,占地超过12万亩[2]。目前,世界上对赤泥采用的主要处置方法是对其进行筑坝堆存,长期堆积存在溃坝风险。赤泥堆放占用大量土地的同时其中存在的大量碱会污染地下水体与土壤。此外,干燥赤泥遇风会造成空气污染。如何对赤泥进行规模化、无害化处理,仍是急需解决的问题[3]。
赤泥作为氧化铝行业产生的大宗固废之一[4],各国研究人员对其综合利用进行了大量研究,研究方向主要包括：建材领域、有价金属元素提取、化工领域、环保领域[5-6]。其中在建材方面的应用与从赤泥中提取有价金属是目前应用最为成熟的领域,对化工与环保领域的探索则还在进行中。在建材领域应用研究中,赤泥被用来与粉煤灰、砂石混合后制备墙砖[7],以及通过钙化-碳化法将赤泥中碱含量降低后用于部分替代生料制备水泥熟料[8],还有通过熔融法将赤泥与钢渣混合制成微晶玻璃[9]。但由于赤泥中Na元素的存在,制成的产品会出现“反碱”的现象[10],因此,赤泥在建材领域的应用应重点关注Na元素。高铁赤泥中含有多种有价元素,其中的氧化铁含量更是高达30%以上。因而,从赤泥中提取铁是现今研究的重点方向之一,在国内外学者对高铁赤泥的大量提铁研究中,目前主流的提铁方式共有3种:物理磁选、湿法浸出与火法熔炼[11-13]。物理磁选法操作方便,但是磁选效率低,铁精矿杂质较多,还会产生大量废渣[14]。湿法浸出则主要存在酸耗大、铁的溶出率低和酸浸液的分离提纯困难等问题[15]。火法冶金是目前应用较多的工艺,一般采用煤基还原回收铁,其中先焙烧后磁选法可获得铁精矿,金属收得率较高,操作简便；熔融还原法可直接得到生铁,可直接用于炼钢[16-17]。
基于以往研究,东北大学特殊冶金与过程工程研究所发明了“一种高铁赤泥提铁及直接水泥化的方法”[18],该方法是将赤泥与还原剂和造渣剂混料后进行涡流熔融还原,还原后的熔融渣经高温调质制备水泥熟料,以此实现赤泥规模化资源化消纳。赤泥还原渣的主要成分为铝氧化物、硅氧化物、钙氧化物以及钠铝硅钙共同形成的复杂物质,铝酸盐水泥熟料的化学成分主要为Al2O3、CaO、SiO2、TiO2和Fe2O3,两者的化学成分较为相似。铝酸盐水泥主体部分是以Al2O3和CaO结合而成的矿物,两者的质量分数占整个水泥熟料的80%以上。铝酸盐水泥的水化强度主要取决于水泥熟料的化学组成和关键物相的结晶情况,铝酸盐水泥的要求尽可能多地获得CA（CaO·Al2O3,）,避免C2AS（CaO·2Al2O3·SiO2）和其他杂相的结晶。因此,研究还原过程中Al、Si元素的含量变化及物相转化的规律对水泥熟料的成分调配及铝酸盐水泥的水化强度有着直接性、关键性的意义。为了实现赤泥涡流熔融还原渣的水泥化,需对还原过程中赤泥中主要造渣元素Al、Si以及有害元素Na的行为进行研究[19]。本文通过对还原渣进行成分分析、物相分析以及微观形貌分析,研究了赤泥熔融还原过程中Na、Al、Si 3种元素的行为变化,为赤泥涡流熔融渣水泥化提供理论依据。
1 实验部分
1.1 实验原料
原料来自于我国某氧化铝厂的高铁赤泥,其化学成分由XRF测定,结果如表1所列。图1所示为原料XRD图谱,分析可得其主要组成为 Fe2O3、TiO2、CaO、NaAlSiO4、SiO2及CaSiO3。还原剂选用了秸秆炭,将计算出应添加的碳质量定为1,控制配碳比为1.1,使用秸秆炭182.5 g,其成分如表2所列。本实验在熔融还原过程中分别使用分析纯CaO 210 g和分析纯CaF2 8.4 g作为添加剂来调节渣的黏度和流动性。
表 1 高铁赤泥的化学成分组成Table 1. Chemical composition of high-iron red mud成分 Na2O Al2O3 SiO2 CaO TiO2 Fe2O3 烧失量 含量 3.02 22.50 6.29 2.03 6.05 55.30 4.81 表 2 秸秆炭的成分组成Table 2. Composition of stalk carbon组分 固定碳 挥发分 灰分 水分 含量 77.11 10.02 7.44 5.43 1.2 实验方法
先将经过粉碎后的赤泥烘干,待高铁赤泥干燥后,研磨过筛备用,取出1 000 g的高铁赤泥及根据配比已计算好的秸秆炭、CaO和CaF2,混合均匀。将混合原料放入石墨坩埚中,随中频感应炉一同升温,观察到加入的原料出现熔化时,记录此时的温度与现象,待物料完全融化后开始计时。开始时反应较为剧烈,故前3 min每隔1 min取样一次,进行水淬,分别记为样品1、样品2、样品3。待到实验进行到一半时间时,再取样一次后水淬,记为样品4。计时结束后,将坩埚内剩余物料倒出后水淬,得到水淬还原终渣,记为样品5。具体工艺流程如图2所示。
![]()
图 2 高铁赤泥熔融还原工艺流程Figure 2. Flow chart of the high-iron red mud melting reduction process本实验使用的仪器主要有：如图3所示的中频感应炉SPZ-160、红外测温枪AR992、电热鼓风干燥箱101。
中频感应炉SPZ-160的最大输入功率为160 kW,振荡频率为1~20 kHz,输入电流为30~320 A,输出电压为70~550 V。
红外测温枪AR992的测温范围为200~2 500 ℃,精确度为±2 ℃,测量物距比为80∶1,使用9 V电池。
电热鼓风干燥箱101的温度设定范围为50~300 ℃,容积为43 L,温度波动率为±1 ℃,输入电压为220 V,功率为800 W。
本实验使用X射线荧光光谱仪和X射线衍射仪分别对实验原料、还原渣等样品进行化学成分分析和物相分析,所需要的检测仪器如表3所列。
表 3 检测仪器Table 3. Testing instrument检测项目 检测设备 型号 生产厂家 Na2O、Al2O3、SiO2、CaO和TFe的定量分析 X射线荧光光谱仪 ZSXPrimus Ⅱ 日本理学公司 样品物相分析 X射线衍射仪 D8 Advance 德国布鲁克公司 样品微观形貌分析 场发射扫描电镜 JSM-7800F 日本电子公司 2 实验结果与分析
2.1 Na元素在还原过程中的走向及矿物转型
Na元素在铝土矿中含量较低,一般不高于5%[20],在高温下经过拜耳法铝酸钠溶液的强碱溶出作用下,一部分的Na 会进入固相形成复杂、多样的铝硅酸钠矿物。根据图1所示的本实验所使用的高铁赤泥XRD图,可以看出Na元素在本研究使用的原料中多以NaAlSiO4形式存在。根据图4可以看出,Na元素含量在还原过程中不断降低, 这是因为在1 000 ℃时高铁赤泥中含有的Na2O发生了还原反应,产生了金属Na。而金属Na的沸点（883 ℃）很低,因此还原出的金属Na有一部分在高温下迅速挥发为钠蒸气。从图5中可以看出,物料中剩余的Na元素则与CaO和SiO2一同生成了NaCaAlSi2O7留在尾渣中。发生的主要反应如下：
Na2O+C=2Na+CO↑ (1) NaAlSiO4+CaO+SiO2= NaCaAlSi2O7 (2) 从图6中可以看出,在尾渣中大部分的Na元素存在于Al元素与Si元素的重合区域,剩余的则弥散分布在渣中,在此重合区域内,碳热还原反应后剩余的Na元素会与Al、Si、O、Ca元素结合,由图5可知,生成的物相主要为NaCaAlSi2O7。
2.2 Al元素在还原过程中的走向及矿物转型
氧化铝碳热还原反应温度一般为2 000~ 2 300 ℃[21],因而在本研究所设定的温度范围内（1 300~1 600 ℃）,氧化铝很难与碳发生还原反应生成金属Al。从图1可以看出Al元素在原料中多以氧化物形态与Na和Si共同组成复杂氧化物（NaAlSiO4）。从图7可以看出,在反应整体进行的过程中,氧化铝的含量变化范围是29.5%~31.0%,并未发生较大的变化。图8说明了在反应进行过程中Al元素则主要以氧化铝的形式存在（3CaO·Al2O3）；在反应后段有一部分的Al与剩余的Na元素形成NaCaAlSi2O7,另一部分则以Ca2Al（AlSi）O7的形式留在尾渣中。综上,反应过程中Al元素的含量并未发生较大变化,只是在过程中转化成3CaO·Al2O3、NaCaAlSi2O7和Ca2Al（AlSi）O7等几种不同的物相。发生的主要反应如下：
Al2O3+3CaO =3CaO·Al2O3 (3) Al2O3+2CaO+ 2SiO2 = Ca2Al（AlSi）O7 (4) Al元素与Si元素在元素周期表上处在相邻的位置,且均处于金属与非金属的分界线附近,因而虽然Al是金属元素,Si是非金属元素,但2种元素有着相似的化学性质。由图8可知,Al元素与Si元素会与Ca、O及少量的Na元素结合,形成复杂的氧化物组合相,如3CaO·Al2O3、NaCaAlSi2O7 和Ca2Al（AlSi）O7等。从图9中也可以看出,Al元素和Si元素在还原渣中的分布相似,存在大量的重合分布区域。
2.3 Si元素在还原过程中的走向及矿物转型
Si在原料中存在形式较复杂,多以SiO2、CaSiO3、NaAlSiO4、Fe2.454O4Si0.546等形式存在,由于氧化硅与碳的直接碳热还原温度较高,起始还原温度达到了1 600 ℃以上,这意味着在本实验反应进行中很难出现氧化硅被碳直接还原出硅单质的现象。从图10中可以看出氧化硅含量在整体反应进行中的变化范围是9.0%~9.5%,并未发生大范围的变化,只是存在不同物相间的转化。由图11可知,在反应进行的过程中,Si主要与CaO发生反应生成 Ca2SiO4,而在尾渣中Si则以NaCaAlSi2O7、Ca2Al（AlSi）O7、Ca2Al2SiO7、Ca3Al2Si3O12等形式存在。发生的主要反应如下：
Al2O3+2CaO+ 2SiO2 = Ca2Al（AlSi）O7 (4) SiO2+2CaO=Ca2SiO4 (5) Al2O3+2CaO+SiO2 = Ca2Al2SiO7 (6) Al2O3+3CaO+3SiO2 = Ca3Al2Si3O12 (7) 由图11可知,在Al元素与Si元素的重合区域内,Si以NaCaAlSi2O7、Ca2Al（AlSi）O7、Ca2Al2SiO7、Ca3Al2Si3O12等形式存在。从图12中可以看出,还原渣的微观形貌呈不规则的块状分布,渣中主要含有Ca、O、Al、Si元素,此外还有Ti和少量的Na元素。Ca元素和O元素弥散分布在整个渣中。由于实验过程中发生了氧化钠的碳热还原反应,因此Na元素的含量不高,均匀分布在整个渣中。
3 结 论
1） 由于在反应过程中发生了还原反应,Na元素含量不断降低,其余的Na元素则多从NaAlSiO4转化为了NaCaAlSi2O7留在了尾渣中。
2） Al元素在实验温度范围内很难发生碳热还原反应,因而含量没有太大变化,物相主要从3CaO·Al2O3转化成尾渣中的NaCaAlSi2O7、Ca2Al（AlSi）O7等。
3） 因为此反应最高温度也未能达到Si元素的碳热还原反应起始温度,所以Si元素在反应过程中含量变化不大,过程中主要由Ca2SiO4转化为NaCaAlSi2O7、Ca2Al（AlSi）O7 、Ca2Al2SiO7等。
4） 水淬还原渣的微观形貌呈不规则的块状分布,渣中的Ca、O以及少量的Na元素在整个渣中均匀弥散分布,Al和Si元素存在大量的高度重合区域,重合区域内存在着如3CaO·Al2O3、Ca2Al（AlSi）O7、Ca2Al2SiO7、Ca3Al2Si3O12等的Ca、O、Al、Si 4种元素的结合相。Ti元素则存在一些单独的区域与Ca、O元素结合。
-
![]()
图 4 时效温度对AlSi10MnMg合金力学性能的影响
Fig 4. Effects of aging temperature on the mechanical properties of AlSi10MnMg alloy
![]()
图 5 时效时间为4 h，不同时效温度下AlSi10MgMn合金的金相组织（OM）
Fig 5. The metallographic structure (OM) of AlSi10MgMn alloy at different aging temperatures when the aging time is 4 h
![]()
图 6 时效时间对AlSi10MnMg合金力学性能的影响
Fig 6. Effects of aging time on the mechanical properties of AlSi10MnMg alloy
![]()
图 7 时效温度为180 ℃时，不同时效时间下AlSi10MgMn合金的金相组织（OM）
Fig 7. The metallographic structure (OM) of AlSi10MgMn alloy under different aging times when the aging temperature is 180 ℃
![]()
图 8 压铸态AlSi10MnMg合金的SEM及其EDS面扫结果
Fig 8. SEM and EDS results of die-cast AlSi10MnMg alloy
![]()
图 9 经180 ℃×4 h时效处理后AlSi10MnMg合金的SEM及其EDS面扫结果
Fig 9. SEM and EDS results of AlSi10MnMg alloy after 180 ℃×4 h aging treatment
![]()
图 10 不同状态下AlSi10MnMg合金的XRD谱
Fig 10. XRD patterns of AlSi10MnMg alloy in different states
![]()
图 11 不同状态下AlSi10MnMg合金室温拉伸断口形貌
Fig 11. Tensile fracture morphology of AlSi10MnMg alloy under different conditions at room temperature
表 2 经高温热处理的AlSi10MnMg合金与压铸态的力学性能对比
Table 2 Comparison of the mechanical properties of AlSi10MnMg alloy after high-temperature heat treatment and die casting
下载: 导出CSV
表 3 不同时效温度下AlSi10MnMg合金的力学性能
Table 3 Mechanical properties of AlSi10MnMg alloy at different aging temperatures
下载: 导出CSV
表 4 不同时效时间下AlSi10MnMg合金的力学性能
Table 4 Mechanical properties of AlSi10MnMg alloy with different aging times
下载: 导出CSV
-
[1] 陈超. 高强韧压铸Al-Si(Mg)合金组织与性能研究[D]. 上海: 上海交通大学, 2018. [2] 魏娟娟, 米国发, 许磊, 等. 激光增材制造铝合金及其复合材料研究进展[J]. 热加工工艺, 2019, 48(8): 27-31. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SJGY201908008.htm [3] 李光霁, 刘新玲. 汽车轻量化技术的研究现状综述[J]. 材料科学与工艺, 2020, 28(5): 47-61. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CLKG202005006.htm [4] DASH S S, LI D J, ZENG X Q, et al. Heterogeneous microstructure and deformation behavior of an automotive grade aluminum alloy[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2021, 870(5): 1-12.
[5] 徐俊杰. 真空压铸Al-Si-Mg-Mn合金的组织控制与力学性能研究[D]. 南京: 东南大学, 2018. [6] 赵旭, 王平, 孙晶莹, 等. 压铸AlSi10MnMg铝合金中铸态缺陷分析[J]. 特种铸造及有色合金, 2019, 39(12): 1291-1293. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TZZZ201912004.htm [7] 万里, 刘学强, 胡祖麒, 等. 高真空压铸AlSi10MnMgFe合金的组织和力学性能[J]. 特种铸造及有色合金, 2014, 34(5): 499-503. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TZZZ201405015.htm [8] 黄正华, 张银帅, 宋东福, 等. 压铸铝合金的应用及研究进展[J]. 材料研究与应用, 2017, 11(1): 1-5. doi: 10.3969/j.issn.1673-9981.2017.01.001 [9] 丁凤娟, 贾向东, 洪腾蛟, 等. 不同热处理工艺对6061铝合金塑性和硬度的影响[J]. 材料导报, 2021, 35(8): 8108-8115. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CLDB202108019.htm [10] 胡祖麒, 万里, 吴晗, 等. 时效处理对高强韧压铸Al-Mg-Si-Mn合金力学性能的影响[J]. 铸造, 2013, 62(1): 13-16. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZZZZ201301008.htm [11] 李润霞, 孙继鸿, 郝建飞, 等. 变质处理及挤压铸造对过共晶Al-Si-Cu-Mg合金组织与性能的影响[J]. 铸造, 2017, 66(12): 1273-1278. doi: 10.3969/j.issn.1001-4977.2017.12.006 [12] 刘冲冲, 潘秋红, 董则防, 等. Al-8Si铸轧合金组织及其热处理工艺研究[J]. 热加工工艺, 2021, 50(2): 121-123. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SJGY202102030.htm [13] 江媛媛. 压铸Al-10Si-0.3Mg合金的组织和力学性能研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2016. [14] 蔡聪德. 高强韧压铸Al-Si-Cu合金的组织性能及其热处理研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2017. [15] 李四娣, 安肇勇, 黄明军, 等. 高真空压铸汽车底盘结构件的热处理[J]. 特种铸造及有色合金, 2017, 37(9): 975-978. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TZZZ201709012.htm [16] 王慧芳, 龙思远, 吴星宇, 等. 铁、镁含量及热处理对压铸铝硅合金组织和拉伸性能的影响[J]. 机械工程材料, 2016, 40(2): 21-25. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GXGC201602006.htm [17] 胡祖麒, 万里, 吴晗, 等. 高强韧压铸Al-Mg-Si-Mn合金的微观组织及力学性能[J]. 中国有色金属学报, 2013, 23(3): 616-622. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZYXZ201303003.htm [18] 欧翅翔, 汪樟锋, 刘锋睿, 等. A356铝合金轮毂Si偏析现象及力学性能[J]. 有色金属科学与工程, 2020, 11(1): 60-66. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JXYS202001010.htm [19] 贲能军, 孙瑜, 周鹏飞. Mg含量对AlSiMg合金组织演变及性能的影响[J]. 铸造, 2020, 69(9): 929-933. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZZZZ202009004.htm [20] 罗海云, 邝泉波, 王日初. 轻质Al-Mg-Li合金的微观组织与力学性能[J]. 有色金属科学与工程, 2019, 10(4): 66-71. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JXYS201904011.htm [21] 刘学强. 压铸AlSi10MgMn合金的组织和力学性能研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2013. [22] 贾从波. 热处理对真空压铸铝合金发动机缸体组织和性能的影响研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2016.
计量
- 文章访问数: 229
- HTML全文浏览量: 49
- PDF下载量: 24
