Research of rare earth La on refining mechanism of primary α phase in semisolid A356 alloy
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摘要: 利用Al-La稀土中间合金对液态A356铝合金进行了细化处理，并用低过热度浇注技术制备了半固态A356铝合金浆料，研究了稀土La对所制备半固态A356铝合金的初生α相形貌和尺寸的影响.研究结果表明，含有适量稀土La的A356铝合金经低过热度浇注可制备具有颗粒状和蔷薇状初生α相的半固态浆料，稀土La可显著改善半固态A356铝合金中初生α相的晶粒尺寸和颗粒形貌.稀土La对半固态A356铝合金的初生α相细化机理可能与稀土在铝合金中诱发的共晶反应有关.Abstract: The semisolid slurry of A356 alloy, which is grain-refined by Al-La master alloy, is manufactured by low superheat pouring. The effects of La addition on the morphology and the size of the primary α phase in the semisolid A356 alloy are investigated. The results indicate that semisolid A356 alloy contained certain La addition with particle -like and rosette -like primary α phase can be prepared by low superheat pouring. The size and morphology of primary α phase in the semisolid A356 alloy are markedly improved by La addition. The refining mechanism of La of the primary α phase in semisolid A356 alloy is concerned with the eutectic reaction induced by La in the alloy.
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Keywords:
- A356 alloy /
- semisolid /
- La /
- eutectic reaction
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金属半固态加工具有高效、简易、节能等特点，已成为材料加工界中应用前景广阔的新型成形技术.半固态合金浆料的制备是金属半固态成形技术的基础和关键，它要求浆料原始组织为均匀细小的球形非枝晶组织.为此，人们开发了机械搅拌[1]、电磁搅拌[2]、超声波搅拌[3]以及新近开发的熔体混熔技术[4].但是，产生的问题是增加了额外的设备和工艺环节，提高了生产成本.为了保持半固态合金的组织特性和成形优势，降低工艺成本，开发新的半固态制备技术显得极为重要.
稀土是我国特有的宝贵自然资源，广泛应用于黑色金属和有色金属.长期以来，认为稀土元素的加入能够优化微观组织.而且大多数的研究都专注于稀土元素(如Ce，La，Y，Nd和混合稀土)对铸造铝硅合金中共晶硅和初生硅晶粒的影响[5-8]，而有关稀土对铝硅合金初生相的影响的研究报道并不多.一些研究发现稀土对铸造铝硅合金初生相具有明显的细化作用[9-11]，基于这些研究提出了一种新的细化机制：即通过稀土在铝合金中产生的共晶反应来优化合金的凝固组织.为进一步探讨稀土对铝合金凝固组织的影响，力争发现一些尚未被认知的现象或规律，本项工作将选择具有亚共晶成分的A356合金为研究对象，研究稀土La在适当工艺条件下对A356合金初生相形貌的影响.
1 实验方法
以工业纯铝、纯镁、Al-50 % Si中间合金为原料，按照A356合金(即Al-7 % Si-0.3 % Mg)配制符合试验要求的亚共晶铝硅合金.经Magix (PW2424) X荧光光谱仪分析，所用合金的实际成分(质量分数)如表 1所示.
表 1 试验用A356铝合金成分
首先预热石墨坩埚，预热温度为200~300 ℃.然后把Al-Si中间合金锭和铝锭依次加入坩埚，在电阻炉中熔化炉料，熔化温度为700 ℃.炉料熔毕，除净熔渣，加入自行配制的熔剂(成分为50 % KCl和50 % NaCl)覆盖熔体液面，防止合金元素过渡烧损和氧化；升温到750 ℃时，将预热到200~300 ℃的金属镁块压入熔池中心，并缓慢回转和移动，时间为3~ 5 min；将炉温保持在730~750 ℃，六氯乙烷分2~3次压入合金液内精炼合金液，待精炼剂反应完毕，静置1~ 2 min，升温到760~780 ℃，分别加入0.5、1.5和2.0 wt%的La作为细化剂，并迅速移入预定温度的装置进行等温处理，根据文献[12]可知，Al-La共晶反应温度为640 ℃，因此将熔液分别在650 ℃和630 ℃温度保温1 min，然后将熔液浇入尺寸为准28 mm×70 mm的紫铜铜模中.为了获得不同稀土La加入量对A356显微组织的影响，选取了从0.5 wt%到3.5 wt% 5个不同的添加量在630 ℃条件下保温1 min后浇入铜模中.
从所获铸锭的中部截取试块制作金相试样.经制备金相试样的相关程序后，在ZEISS Axioskop2光学显微镜上观察试样的凝固组织；为比较稀土La以及工艺条件对凝固组织的影响，用MIAPS(Microimage Analysis & Process)图相分析软件对每个试样测定平均等积圆直径和形状因子.
2 实验结果与分析
图 1是A356铝合金添加不同含量的稀土La在共晶温度之下(630 ℃)保温1 min后铜模浇注并水淬的铸态金相图.当加入的稀土量较少时，合金中存在一些粗大晶粒，如图 1（a）显示.从图 1中可见，随着La的加入量的增加，初生相的尺寸有明显的改变，晶粒变得越来越细小、圆整.图 2是A356铝合金添加不同含量的稀土La在共晶温度之上(650 ℃)保温1 min后铜模浇注并水淬的铸态金相图.由图 2可见，在650 ℃条件下保温的初生相大多成蔷薇花状，只有极少量的细小晶粒.因此，不同的等温温度对添加La的铝合金具有不同的细化效果.因此可知：在共晶温度之下某一温度(如630 ℃)保温，从该合金凝固的角度来说，此时已发生铝镧共晶反应.该反应中的产物：α-Al，与A356铝合金中初生α-Al相具有相同晶格类型和常数，满足结晶的热力学条件，可作为非自发结晶核心，从而细化合金初生α-Al晶粒和二次枝晶间距.
用MIAPS(Microimage Analysis & Process)图相分析软件测定晶粒平均等积圆直径.从图 3中可看出加入不同量得稀土La所得的初生相晶粒尺寸也不同，且在630 ℃条件下保温的初生相晶粒尺寸及形貌均优于在650 ℃条件下所得.
图 4是A356铝合金添加不同含量的稀土La处理后浇入铜模快速凝固和水淬的铸态显微组织.由图 4（a）可看到未添加稀土的合金组织中初生α-Al晶粒比较粗大，而且呈现明显的树枝状晶.而加入稀土La的合金, 初生相晶粒的形貌和尺寸逐步发生明显的变化，初生α-Al大多呈现为蔷薇花状或细小的球状，凝固组织中几乎没有粗大的树枝晶.由图 4(b)-(f)可看出，低过热度浇注的A356合金的凝固组织随着La含量增加，初生相先是逐渐变得细小，圆整.当La含量增加到1.5 wt%时，初生相细小颗粒越来越多，蔷薇花状的晶粒越来越少.当继续增大La含量时，A356合金的初生α-Al反而呈现出较多的蔷薇花状和树枝状，尺寸也有增加的趋势.因此，在本研究中，获得半固态球状组织的适宜La含量应为1.5 %.
图 5中亦可看出初生α-Al晶粒尺寸及形貌随稀土La添加量的变化.由图 5可见，在630 ℃条件下保温，随着La添加量的增加，初生相形貌和尺寸先变好后变坏，这个结果与图 4所得结果相符.
根据一些研究[12-14]报道：在铝熔体中加入稀土，在Al-RE二元相图的富铝角，铝和大部分的稀土元素（如La，Y，Sc等等）会在600 ℃之上发生共晶反应.在Al-La合金中，当一定量的La存在于系统中时，将于640 ℃时发生如下共晶反应[12]：L→ α -Al + La3Al11，共晶产物为α-Al和La3Al11相.而实验中所使用的A356铝合金液相线温度为615 ℃，可以推断，上述共晶反应在合金熔体凝固之前就已经发生.这意味着在铝合金熔体凝固之前，熔体中已经存在一部分α-Al晶粒.如果这个共晶反应能得到足够的α-Al，那么该共晶反应所结晶出的α-Al晶粒就可为A356铝合金初生相的结晶提供非自发形核的衬底，增加结晶核心数量，达到细化合金初生α-Al相和二次枝晶间距的目的.因此，稀土通过共晶反应来细化铝合金组织的方法不同于传统的细化机理和方法.
3 结论
La的加入对A356铝合金凝固组织具有细化的效果，且在本实验中，La的最佳加入量为1.5 wt%，此时能获得细小的初生相晶粒.La的细化机理与铝镧的相互作用有关，铝镧在640 ℃发生的共晶反应能够为A356铝合金初生相的形成提供形核核心.
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