Al-Ti-C-RE細(xì)化劑的低溫綠色制備及其細(xì)化行為研究.pdf

1、在鋁合金鑄件或鑄錠的生產(chǎn)過程中添加晶粒細(xì)化劑,是目前最經(jīng)濟(jì)、實用的晶粒細(xì)化方法。工業(yè)中廣泛使用的Al-Ti-B細(xì)化劑,存在細(xì)化質(zhì)點尺寸較大、易衰退且與Cr、Zr等元素發(fā)生“中毒反應(yīng)”等缺點,而Al-Ti-C細(xì)化劑能夠克服以上缺點,被認(rèn)為是最具潛力的晶粒細(xì)化劑。然而,Al-Ti-C細(xì)化劑目前并沒有得到廣泛應(yīng)用,主要原因是制備過程中鋁熔體對石墨的潤濕性差,難以反應(yīng)生成 TiC粒子。
　　 本文通過加入稀土元素來改善鋁液對石墨的潤濕性

2、,促進(jìn) TiC相的形成。采用海綿鈦引入Ti元素,避免了采用氟鹽引入Ti元素時導(dǎo)致的氟化物氣體污染,并嘗試?yán)秒娮锠t在較低溫度下制備細(xì)化劑,避免了高溫熔煉導(dǎo)致的氧化燒損。分別利用感應(yīng)爐和電阻爐在較高溫度(1250℃)和較低溫度(950℃)下制備了Al-3Ti-0.2C和Al-3Ti-0.2C-1RE四種細(xì)化劑。利用光學(xué)顯微鏡、X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡及能譜儀等設(shè)備,研究了細(xì)化劑的相組成、形貌、分布及其細(xì)化行為。分析了稀土元素對細(xì)化劑顯

3、微組織和細(xì)化性能的影響,并探討了TiC相和Ti2Al20Ce相的合成過程,從而為Al-Ti-C-RE細(xì)化劑的生產(chǎn)及應(yīng)用提供技術(shù)支持。
　　 研究結(jié)果表明,感應(yīng)爐制備的Al-3Ti-0.2C-1RE細(xì)化劑由α-Al相、TiAl3相、Ti2Al20Ce相、TiC相組成。與Al-3Ti-0.2C相比,條狀 TIAl3相較為細(xì)小,并且部分TiAl3相的外層生成了Ti2Al20Ce包覆相,TIC相的數(shù)量增多。在制備過程中,稀土富集在新析出

4、的TiAl3相表面,抑制了TiAl3相的長大。同時,稀土元素清除了石墨與鋁熔體反應(yīng)界面上的氧化膜,改善了鋁熔體對石墨的潤濕性,促進(jìn)了 TiC相的合成。另外,Ti2Al20Ce相具有與石墨反應(yīng)并生成TiC粒子的可能性。
　　 向工業(yè)純鋁中添加0.4％的感應(yīng)爐制Al-3Ti-0.2C細(xì)化劑,可以將純鋁晶粒的平均尺寸由920μm細(xì)化到151μm,而添加0.4％感應(yīng)爐制Al-3Ti-0.2C-1RE細(xì)化劑可以將平均晶粒尺寸減小到107μ

5、m。加入稀土元素顯著提高了細(xì)化劑的細(xì)化性能。
　　 電阻爐制備的Al-3Ti-0.2C-1RE細(xì)化劑由Al基體、規(guī)則塊狀TiAl3相、不規(guī)則塊狀Ti2Al20Ce相及顆粒狀 TiC相組成。稀土元素使TiAl3相以細(xì)小塊狀的形式存在,并且稀土元素沒有以原子形式固溶于鋁基體中,也沒有以單質(zhì)或化合物的形式析出于晶界,而是全部以Ti2Al20Ce相的形式存在。
　　 在電阻爐制備條件下,TiC相的合成過程為:當(dāng)海綿鈦與石墨混合加

6、入鋁熔體中,海綿鈦迅速溶解成為溶質(zhì)Ti原子,由于海綿鈦顆粒與石墨顆粒緊密接觸,海綿鈦溶解形成的高濃度的Ti原子富集在石墨顆粒周圍,大量TiC粒子在石墨顆粒的周圍形成。Ti2Al20Ce相的合成過程為:稀土加入到鋁熔體中以表面活性原子的形式存在,海綿鈦和石墨混合料加入后,顆粒狀 TiC相、細(xì)小塊狀TiAl3相和大塊狀Ti2Al20Ce相在熔體中形成,隨著保溫時間的延長,溶質(zhì)Ti原子及Ce原子不斷向 Ti2Al20Ce相表面富集,使大量Ti

7、Al3相發(fā)生溶解,而 Ti2Al20Ce相則不斷長大。
　　 向純鋁中添加0.4％的電阻爐制Al-3Ti-0.2C(先Ti后C)細(xì)化劑,僅可將純鋁晶粒的平均尺寸由755μm降低到374μm,添加0.4％的電阻爐制Al-3Ti-0.2C(Ti、C混加)細(xì)化劑,可以將晶粒尺寸細(xì)化到136μm,而添加0.4％的電阻爐制Al-3Ti-0.2C-1RE細(xì)化劑,可以將晶粒尺寸減小到113μm。與Al-3Ti-0.2C(Ti、C混加)相比,A

8、l-3Ti-0.2C-1RE不僅具有更好的細(xì)化效果,而且具有更好的抗衰退性,在60min的保溫時間內(nèi)晶粒不發(fā)生明顯長大。
　　 與電阻爐中反應(yīng)1h制備的Al-3Ti-0.2C-1RE細(xì)化劑相比,反應(yīng)2h制備的Al-3Ti-0.2C-1RE細(xì)化劑中,Ti2Al20Ce相明顯增多并長大,細(xì)化純鋁時需要更長的響應(yīng)時間,且細(xì)化效果較差。向純鋁中分別添加0.1％、0.2％、0.4％、0.8％的電阻爐制Al-3Ti-0.2C-1RE細(xì)化劑,