冷卻速率對(duì)再生鋁合金ADC12變質(zhì)效果的影響

李 廳，上官元碩，章 凱，余 忠

（上饒師范學(xué)院江西省塑料制備成型重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西上饒334001）

冷卻速率對(duì)再生鋁合金ADC12變質(zhì)效果的影響

李 廳，上官元碩，章 凱，余 忠

（上饒師范學(xué)院江西省塑料制備成型重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西上饒334001）

冷卻速率能夠影響再生鋁合金ADC12鑄件的微觀結(jié)構(gòu)，宏觀上表現(xiàn)為影響鑄件的性能。以鍥形鑄錠為試樣，觀察了未添加變質(zhì)劑時(shí)，冷卻速率變化對(duì)再生鋁ADC12的顯微組織結(jié)構(gòu)影響情況。另外，分析了當(dāng)添加了0.3（wt%）的鑭鈰混合稀土元素時(shí)，冷卻速率對(duì)再生鋁合金ADC12變質(zhì)效果的影響。

冷卻速率；再生鋁合金；ADC12；變質(zhì)；稀土

眾所周知，地球上的礦產(chǎn)資源是有限的，如果保持現(xiàn)在的這個(gè)消耗水平，部分有色金屬元素將很快被消耗殆盡，鋁資源也是其中之一。因此，人們把目光由原鋁生產(chǎn)轉(zhuǎn)向各種廢鋁再生上來(lái)，其中最直接高效的途徑就是將廢舊鋁器件回收利用。大規(guī)模生產(chǎn)高品質(zhì)的再生鋁無(wú)疑將降低原鋁礦產(chǎn)資源的開采速度，減輕資源環(huán)境壓力。相比用鋁礦石來(lái)生產(chǎn)原鋁，每生產(chǎn)1噸再生鋁，約可以節(jié)省固體材料11噸，少排放二氧化碳0.8噸，少排放二氧化硫0.6噸，少產(chǎn)生赤泥1.5噸，同時(shí)還可節(jié)約95%的生產(chǎn)能耗，節(jié)約用水10.05噸［1］。實(shí)際上，我國(guó)生產(chǎn)再生鋁所需的能量約占生產(chǎn)原鋁所需能量的4.86%，溫室氣體的排放量是生產(chǎn)原鋁的4.2%，節(jié)能減排效果非常顯著［2］。因此，大力推進(jìn)再生鋁產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，節(jié)約資源成本是符合科學(xué)發(fā)展觀的。

近年來(lái)，中國(guó)再生鋁及加工企業(yè)數(shù)量增加很快，已成為美國(guó)之后的世界第二大再生鋁生產(chǎn)國(guó)［3～4］。然而，我國(guó)的再生鋁生產(chǎn)、管理以及技術(shù)水平，仍然落后于一些發(fā)達(dá)國(guó)家，致使一些品質(zhì)比較好的廢鋁材料，沒(méi)有得到充分利用，從而造成資源和能源的極大浪費(fèi)，同時(shí)也引起了環(huán)境污染。因此，對(duì)再生鋁合金生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行研究，生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的再生鋁合金，刻不容緩。

李道韞、雷廣孝等人［5－8］，研究發(fā)現(xiàn)稀土元素對(duì)再生鋁合金具有除雜變質(zhì)，提高再生鋁合金性能的效果。但是，大多數(shù)的研究人員在研究再生鋁變質(zhì)效果時(shí)，把重點(diǎn)放在了變質(zhì)劑添加量，變質(zhì)溫度以及保溫時(shí)間上，而針對(duì)冷卻速率這個(gè)影響因子開展的研究不足［9］。因此，本文以再生鋁合金ADC12為對(duì)象，以La－Ce－Al稀土鋁中間合金為變質(zhì)添加劑，討論冷卻速率對(duì)混合稀土元素變質(zhì)效果的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 稀土鋁（La－Ce－Al）中間合金制備

通常情況下，稀土元素鑭（La）和鈰（Ce）在高溫條件下容易氧化甚至燒損，因此，在用該元素做變質(zhì)劑時(shí)，一般以制備成稀土元素的中間合金的形式加入［10］。本文將稀土元素制備成La－Ce－Al中間合金，以混合稀土鋁合金為變質(zhì)劑對(duì)再生鋁合金ADC12變質(zhì)。

制備該中間合金所需要的實(shí)驗(yàn)材料主要有稀土金屬鑭、鈰以及純鋁，本實(shí)驗(yàn)采用的純鋁化學(xué)成分見表1，金屬鑭和鈰的物理性能見表2。

表1 純鋁（99.6%）中其他元素含量

表2 金屬鑭和鈰的物理性能

La－Ce－Al中間合金的制備在電阻爐中進(jìn)行，以石墨坩堝為熔煉容器，將純鋁和稀土元素混合熔煉，把混合熔煉得到的合金液澆鑄在鐵制模具中，得到10La－8Ce－82Al中間合金變質(zhì)劑，該變質(zhì)劑的成分如表3所示。

表3 混合稀土元素鋁合金成分表

1.2 鍥形鑄錠試樣制備

根據(jù)鑄件各個(gè)位置的壁厚不同，冷卻速率不同的原理，研究不同冷卻速率下，再生鋁合金ADC12鑄態(tài)組織，以及該中間合金對(duì)再生鋁合金ADC12變質(zhì)效果的影響。La－Ce－Al中間合金質(zhì)量換算后稀土元素的添加量見表4。

表4 稀土元素的添加量

將再生ADC12合金放在實(shí)驗(yàn)用石墨坩堝中，然后放在大功率電阻爐中進(jìn)行熔煉，待合金熔化后保溫，再添加上一步制作好的稀土鋁中間合金變質(zhì)劑，進(jìn)行變質(zhì)處理，待變質(zhì)處理完成后，將金屬液澆鑄到鍥形金屬模具中，得到圖1所示的鍥形鑄件坯料。對(duì)坯料進(jìn)行切割取樣，得到如圖2所示各個(gè)位置的鑄件樣品，將樣品研磨拋光，腐蝕，制成金相試樣，最后在金相顯微鏡上對(duì)試樣組織進(jìn)行觀察拍照。其中鍥形鑄件的各個(gè)位置對(duì)應(yīng)不同冷卻速率，C處試樣冷卻速率最大，B處次之，A處冷卻速率最小。

圖1 鍥形鑄錠坯料

圖2 鍥形鑄件坯料的取樣示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 冷卻速率對(duì)再生鋁合金ADC12鑄態(tài)組織的影響

圖3是混合稀土元素添加量為0的再生鋁合金ADC12鍥形鑄錠A、B、C三處，不同放大倍數(shù)下金相組織照片。其中（a）和（b）為鑄錠A處不同放大倍數(shù)的金相組織圖片，（c）、（d）為鑄錠B處不同放大倍數(shù)的金相組織圖片，（e）、（f）為鑄錠C處不同放大倍數(shù)的金相組織圖片。在（a）、（b）圖顯示的鍥形鑄錠A處，首先，α－Al枝晶尺寸較大，分布不均勻，二次枝晶臂間距也較大；其次，初生晶相的數(shù)量比較多，幾何尺寸也較大；并且，從顯微照片看來(lái)，共晶硅是呈細(xì)長(zhǎng)狀，而且數(shù)量很多，其排列無(wú)序，未顯示比較明顯的方向性，在基體內(nèi)的分布也不均勻。將冷卻速率更小的鑄錠中部B處金相組織纖維照片（c）和（d）與A處金相組織顯微照片進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在鍥形鑄錠的B位置，α－Al枝晶幾何尺寸相對(duì)比較小，二次枝晶臂間距也相對(duì)比較?。徊⑶移瑺畛跎柘嗟膸缀纬叽绾图?xì)長(zhǎng)針狀共晶硅的長(zhǎng)度都在減小。鍥形鑄錠C處位置的冷卻速率最大，從圖3中（e）和（f）金相組織顯微照片可知，該處位置的α－Al枝晶幾何尺寸、二次枝晶臂間距大小、初生硅相幾何尺寸以及針狀共晶硅長(zhǎng)度都呈現(xiàn)進(jìn)一步減小的現(xiàn)象，而且對(duì)于多數(shù)細(xì)長(zhǎng)針狀的共晶硅，其幾何形貌變成了短棒狀。由此可知，隨著冷卻速率的增加，試樣內(nèi)部顯微組織的幾何尺寸和形貌都發(fā)生了變化。

圖3 未添加混合稀土元素鍥形鑄錠各位置試樣的顯微組織（a，b）為A處；（c，d）為B處；（e，f）為C處

鍥形鑄錠各位置的金相顯微組織產(chǎn)生這些差異的原因，主要是由于鍥形鑄錠不同壁厚處的凝固條件不同導(dǎo)致的，C處與A、B處相比較，C處距離鑄型的型腔壁較近，凝固時(shí)金屬液較少，周圍環(huán)境溫度較低，散熱條件好，導(dǎo)致鑄件形核過(guò)冷度和冷卻速率都更大。這樣，在鑄錠凝固時(shí)，基體中α－Al枝晶和硅相都沒(méi)有充分長(zhǎng)大的條件。因此，從鍥形鑄錠的A處到C處，其α－Al枝晶尺寸、二次枝晶臂間距以及初生硅相幾何尺寸和細(xì)長(zhǎng)針狀共晶硅的長(zhǎng)度都在逐步減小，部分共晶硅甚至變成了短棒狀。

2.2 冷卻速率對(duì)混合稀土元素變質(zhì)效果的影響

圖4 添加了0.3%混合稀土元素的鍥形鑄錠各位置試樣的顯微組織（a，b）為A處；（c，d）為B處；（e，f）為C處

一些研究者認(rèn)為，在添加了0.2%～0.4%的稀土元素時(shí)，鋁合金的變質(zhì)效果會(huì)比較理想［4－7］。圖4為鑭－鈰混合稀土元素的添加量為0.3%的時(shí)候，再生鋁合金ADC12鍥形鑄錠A、B和C處金相圖片。圖4（a）和（b）為鑄錠A處的金相圖片，對(duì)比圖3（a）和（b）可知，在冷卻速率較小時(shí)，混合稀土元素的添加對(duì)鑄錠組織也有變質(zhì)效果。變質(zhì)后，晶粒更細(xì)小，二次枝晶臂間距變小，部分共晶硅相的形貌由原來(lái)的細(xì)長(zhǎng)針狀變成了短棒狀，然而鋁合金基體中還是存在一些細(xì)長(zhǎng)針狀的共晶硅相，變質(zhì)不太徹底，效果不太理想。圖4的（c）、（d）是合金鑄錠B處的金相組織圖片，此處位置的冷卻速率比A處大，混合稀土元素對(duì)再生鋁合金鑄件的變質(zhì)效果也較好。由這兩幅金相圖片可知，合金鑄件的基體晶粒變得非常細(xì)小，并且大部分的共晶硅相都呈現(xiàn)出短棒狀，且相比A處更短小，另外還有少部分共晶硅呈點(diǎn)狀。圖4中（e）和（f）是鑄錠C處位置的金相組織圖片，鑄件在此處位置的冷卻速率相對(duì)其他兩處最大，混合稀土元素對(duì)再生鋁合金ADC12的變質(zhì)效果相比較而言最好。由這兩幅圖可知，首先，鑄件基體的晶粒已經(jīng)很細(xì)小，組織排列也很緊密，二次枝晶臂間距也相應(yīng)變??；其次，共晶硅也相比較而言最短最小，均勻分布在基體中。綜上所述，當(dāng)再生鋁合金ADC12鑄件的冷卻速率較大時(shí)，La－Ce混合稀土元素對(duì)鑄件仍具有變質(zhì)效果，而且，冷卻速率越大，變質(zhì)效果越強(qiáng)。

3 結(jié)論

（1）鑄件壁厚不同，散熱條件不同，冷卻速率也就不同，從而導(dǎo)致鑄件不同位置A、B和C三處微觀組織亦不相同，冷卻速率大小相差越大，試樣微觀組織的差異越大。試樣的冷卻速率增大，顯微組織的α－Al枝晶幾何尺寸、二次枝晶臂間距和片狀初生硅相幾何尺寸均減小；針狀共晶硅長(zhǎng)度減小，形貌由細(xì)長(zhǎng)針狀變成短棒狀，甚至是點(diǎn)狀。

（2）La－Ce混合稀土元素對(duì)再生鋁合金ADC12具有變質(zhì)效果，當(dāng)再生鋁合金ADC12鑄件的冷卻速率較大時(shí)，La－Ce混合稀土元素對(duì)鑄件仍具有變質(zhì)效果，而且，冷卻速率越大，變質(zhì)效果越強(qiáng)。

［1］宋善明.再生有色金屬利用與節(jié)能［J］.世界有色金屬，2006（3）：21－23.

［2］丁寧，高峰，王志宏，等.原鋁與再生鋁生產(chǎn)的能耗和溫室氣體排放對(duì)比［J］.中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2012，22（10）：2908－2915.

［3］王祝堂.2015年以前世界原鋁及再生鋁產(chǎn)量的平均增長(zhǎng)率［J］.輕合金加工技術(shù)，2009（11）：20.

［4］郭峰，袁孚勝.再生鋁加工生產(chǎn)技術(shù)及發(fā)展方向［J］.有色冶金設(shè)計(jì)與研究，2015，36（1）：28－30.

［5］李道韞.稀土在鋁合金中的去氫作用［J］.吉林工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1986，8（1）：61－63.

［6］李道韞.稀土對(duì)鑄鋁合金中氣孔形成的影響［J］.中國(guó)稀土學(xué)報(bào)，1987，5（4）：39－43.

［7］張密林，魯化一，唐定驤.稀土在鋁及其合金中的應(yīng)用進(jìn)展［J］.稀土，1988，8（5）：13，34－35.

［8］雷廣孝.稀土在鋁及鋁合金中的作用和應(yīng)用概況［J］.輕合金加工技術(shù)，1990（2）：5－10.

［9］趙建華，譚力.冷卻速度對(duì)A356鋁合金變質(zhì)效果的影響［J］鑄造設(shè)備與工藝，2009（6）：25－27.

［10］李廳.混合稀土變質(zhì)再生鋁合金ADC12的組織及性能研究［D］.南昌：南昌大學(xué)，2011：13－14.

Effect of Cooling Rate to theDeteriorationof RecycledADC12

Ll Ting，SHANGGUAN Yuan－shuo，ZHANG Kai，YU Zhong

（Shangrao Normal University，Jiangxi Province Key Laboratory of Polymer Preparation and Processing，Shangrao Jiangxi 334001，China）

Cooling rate can affect themicrostructure regeneration ofthe casting of ADC12alloy，and showing the macro performanceimpact of the casting.A wedge－shaped ingot as a sample observed when no added modifier，to discuss the affecting of cooling rate in recycled aluminum ADC12casting microstructure.When well mixed rare earth elements added in an amount of 0.3（wt%），the cooling rate in recycled aluminum ADC12modification effect.

cooling rate；recycled aluminum alloy；ADC12；modification；RE

TG146.21

A

1004－2237（2016）03－0055－04

10.3969／j.issn.1004－2237.2016.03.011

2015－12－22

2014年上饒師范學(xué)院校設(shè)課題（201404）

李廳（1985－），男，江西上饒人，助教，碩士，主要從事輕合金、高分子材料制備成型研究。E－mail：www＿liting＠sina.com