金属及合金的净化与强韧化

1金属及合金的净化与强韧化1.铝及其合金的强韧化机理一、强化原理1形变强化纯铝及不可热处理强化的铝合金，如Al-Mg、Al-Si和Al-Mn等合金，通常只能以退火或冷作硬化状态使用。冷作硬化可使简单形状的工件强度提高，塑性下降。经冷作硬化的铝合金，需进行再结晶退火，以达到消除加工硬化和获得细小晶粒的目的。大多数铝合金变形度为50%-70%时，开始再结晶温度约为280-300℃。再结晶退火温度约为300-500℃，保温时间为0.5-3h。退火温度亦采用低于再结晶温度，得到多边化组织或部分再结晶组织，以获得介于冷变形和再结晶之间的性能。这种不完全退火方法通常用于不可热处理强化的铝合金。1、固溶强化和细晶强化纯铝中加入合金元素，形成铝基固溶体，起固溶强化作用，可使其强度提高。Al-Cu、Al-Mg、Al-Si、Al-Zn、Al-Mn等二元合金一般都能形成有限固溶体，并且均有较大的溶解度，因此具有较大的固溶强化效果。对于不可热处理强化或强化效果不大的铸造铝合金和变形铝合金，可以通过加入微量合金元素细化晶粒，提高铝合金的力学性能。例如二元铝硅合金以及所有高硅合金淬火及时效后强化效果很弱，若在浇注前往液态合金中加入微量的钠或钠盐等进行变质处理，那么合金组织将显著细化，从而显著提高合金的强度和塑性。2、沉淀强化（1）可变形微粒的强化作用——切割机制适用于第二相粒子较软并与基体共格的情形。主要有以下几方面的作用：A位错切过粒子后产生新的界面，提高了界面能。B若共格的粒子是一种有序结构，位错切过之后，沿滑移面产生反相畴，使位错切过粒子时需要附加应力。C由于粒子的点阵常数与基体不一样，粒子周围产生共格畸变，存在弹性应变场，阻碍位错运动。D由于粒子的层错能与基体的不同，扩展位错切过粒子时，其宽度会产生变化，引起能量升高，从而强化。E由于基体和粒子中滑移面的取向不一致，螺型位错线切过粒子时必然产生一割阶，而割阶会妨碍整个位错线的移动。（2）不可变形微粒的强化作用——奥罗万机制适用于第二相粒子较硬并与基体界面为非共格的情形。使位错线弯曲到曲率半径为R时，所需的切应力为τ=Gb/（2R）设颗粒间距为λ则τ=Gb/λ∴Rmin=λ/2只有当外力大于Gb/λ时，位错线才能绕过粒子。减小粒子尺寸或提高粒子的体积分数，都使合金的强度提高。（3）粗大的沉淀相群体的强化作用由两个相混合组成的组织的强化主要是由于：①一个相对另一个相起阻碍塑性变形的作用，从而导致另一个相更大的塑性形变和加工硬化，直到末形变的相开始形变为止。②在沉淀相之间颗粒可由不同的位错增殖机制效应引入新的位错二、韧化原理改善金属材料韧性断裂的途径是：1减少诱发微孔的组成相，如减少沉淀相数量。2提高基体塑性，从而可增大在基体上裂纹扩展的能量消耗3增加组织的塑性形变均匀性，这主要为了减少应力集中4避免晶界的弱化，防止裂纹沿晶界的形核与扩展。22.铝及其合金的强韧化工艺1优化合金成分(1)添加微量RE元素稀土在铝合金中的作用主要表现在以下几方面:①变质。稀土元素能有效减小铝合金的枝晶间距,细化铸态晶粒组织;②精炼、净化。稀土元素具有很高的化学活性,可与H2、Fe、Si、S等杂质元素形成化合物熔渣,将其从熔体中排除;③微合金化。稀土元素形成的金属间化合物作为第二相能有效增加铝合金的强韧性(2)添加新合金元素将锰添加到7XXX系铝合金中,能起细化晶粒、阻碍基体晶粒长大和再结晶的作用,并且在不降低合金塑性和韧性的情况下显著提高合金强度。合金强度提高的主要原因是过饱和铝合金固溶体分解形成细小、弥散含锰相,含锰相促进了晶粒的均匀塑变,细化了滑移带的宽度,从而降低了应变或应力集中,使材料塑性得到提高。2采用新型热处理制度固溶和时效是高强度铝合金的主要热处理工艺。对于Al-Zn-Mg-Cu系铝合金,目前工业上可用的时效制度大致可分为三类:第一类为峰值时效(T6X),通过最大密度的基体沉淀相析出使合金具有最高强度,但在这种状态下合金具有最强的应力腐蚀敏感性;第二类为过时效处理(T7XX),通过改变基体沉淀相形态和晶界结构来提高合金的强韧性;第三类是短时回归再时效新型热处理制度,即RRA(RetrogressionandRe-Ageing)处理,通过峰值时效、回归及再时效,使合金得到一种不同于前两类制度的显微组织,可显著提高合金的综合性能。高低温循环处理也是一种强化手段,在激冷激热过程中,由于温度梯度和成分不均匀、晶体结构变化等因素导致局部应力集中,产生大量位错,而原有的晶粒破碎,分成许多小晶粒(亚晶),使微观组织细化,因此循环处理能同时提高强度和塑性。3采用特殊成形喷射成形、反向挤压超塑成形、快速凝固技术(RSP)电磁铸造、压铸成型。4其它强韧法铝合金的强韧化手段还有很多,如激光冲击强化、复合强化(利用陶瓷、碳纤维、晶须、颗粒等增强铝基体)、优晶处理等3.铝合金的净化工艺1真空处理在熔炼温度范围内,铝液表面有致密的γ-Al2O3膜存在,阻碍氢的析出,因此,必须清除表层氧化膜的阻碍作用才能获得好的除气效果。真空处理是物理净化的一种方法。包括静态真空除气和动态真空除气。静态真空除气是在真空处理的同时,在熔体表面撒上一层溶剂,以便使氢气通过氧化膜除气,除气效果并不是很好。相对于静态真空除气而言,这是一种以除气为主的净化处理方法。其工艺过程是先将真空炉抽成10mmHg的真空,然后打开进料口密封盖,把从保温炉来的铝熔体借真空抽力喷入真空室内,喷入真空室内的熔体,呈细小弥散的液滴,因而,溶解在铝液中的氢能快速扩散出去,钠被蒸发燃烧掉。经动态真空处理后的铝熔体氢溶解度低于0.12mL/(100gAl)。动态真空除气工艺的优点是：除气效果好、无公害、处理过程造渣少;缺点是:除其它有害杂质的效果差,不能实现连续处理,设备结构复杂,设备价格昂贵,而且设备的密封性难以保证。2旋转喷粉法熔剂法和旋转喷吹法相结合形成铝合金净化新工艺。该法与炼钢中的喷粉冶金类似,它是借助惰性气体作为载体,将熔剂以粉末状喷入熔体来实现铝合金的净化处理,与传统的方3法相比,旋转喷粉法的净化效果更佳,如FIP法和Heproject法等。FIP法,即喷射熔剂法是一种除气、熔剂排杂净化兼优的方法,于20世纪80年代初出现,是未来很有发展前途的先进净化技术。铝熔体处理法是一种移动式高效熔剂旋转喷射搅拌处理系统,是当前处理铝合金最先进的工艺,是近些年工业发达国家广为使用的净化铝熔体的先进技术,它集净化处理(除气、涂杂、除钙等)、钠变质处理、磷晶粒细化处理等于一体,且对环境无不利影响,成本费用适中。3泡沫陶瓷法双级除气和双级过滤工艺处理铝液的过程是将熔体先导入有旋转喷头的双级除去室,除去熔体中的氢,再将其导入装有2块不同孔径泡沫陶瓷过滤器的双级净化室,去除熔体中的细微杂质。这样的装置分散,占用空间大;使用转子喷吹,引起熔体液面起伏,加剧氧化;双级过滤还不能除去大部分尺寸10μm以下的杂质,除气后氢的含量在0.08-0.12mL/(100gAl);采用了污染环境的净化气体。铝及铝合金熔体复合净化方法是一种以除不溶性夹杂物为主的净化处理方法。该过滤净化装置由3种不同规格的泡沫陶瓷过滤器和2层溶剂过滤器组成。不同规格的陶瓷过滤器实现不同尺寸的非金属杂质的分级捕获,可完全除去尺寸10μm以下的非金属杂质,使铝合金中含氢量下降到0.08-0.12mL/(100gAl)以下。这种工艺能过滤微量级的氧化物夹杂,效果好而且成本低,设备结构简单,使用方便,适用于各种合金。其缺点是该工艺本身不具有除氢功能,过滤板需定期更换,易破损,常给生产带来麻烦。4除气除杂净化处理法Alcoa469除气法,是一种将铝液在线处理的工艺,可实现铝液连续净化,采用氩-氯混合气体精炼和氧化铝球过滤。在此装置中,熔体先经粗过滤床过滤,再经细过滤床过滤流向铸造机,经过处理的铝液氢溶解度可控制在0·15mL/(100gAl)以内。该装置成本低,结构简单,但由于要定期更换氧化铝球,使用前要加热过滤床,使用不方便。5电磁净化法这种净化方法的原理是利用金属与非金属电导率的不同而引起的电磁力差异来实现金属与非金属的分离。无论夹杂物与金属液之间的密度多么接近,二者的分离都能实现。这种方法理论上可有效去除粒径10μm以下的夹杂物。该装置的最大优点是,可以自动分割富含夹杂熔体与净化后的纯净熔体,并将其连续不断地移除。不仅效率高、无污染,而且稳定性高,不受夹杂状态和热动力学因素影响。尤其对于那些粒径细小、密度与母液密度差别不大,并且用传统的净化方法难以除去的非金属夹杂物分离效率很高。但也存在着磁场分布不均匀引起的流动、电极浸渍而污染金属、设备投资相对较大和电磁场能利用率低等问题。6稀土元素精炼法这是一种溶剂净化法,稀土化合物可与铝熔体反应生成稀土单质,这些单质既能与铝液中的氢反应,生成REH2和REH3,起到除氢的作用,又可与Al2O3反应置换出A,l从而明显降低铝熔体中氧化夹杂的数量。该工艺充分运用稀土元素与铝熔体相互作用的特性,发挥稀士元素对铝熔体的精炼净化和变质功能,能够实现对铝熔体的净化、精炼及变质的一体化处理,不仅简洁高效,而且能够有效地改善再生铝的冶金质量。4.镁及镁合金的应用镁合金是以镁为原料的高性能轻型结构材料，比重与塑料相近，刚度、强度不亚于铝，具有较强的抗震、防电磁、导热、导电等优异性能，并且可以全回收无污染。镁合金质量轻，其密度只有1.7kg/m3，是铝的2/3，钢的1/4，强度高于铝合金和钢，比刚度接近铝合金和钢，能够承受一定的负荷，具有良好的铸造性和尺寸稳定性，容易加工，废品率低，具有良好的阻尼系数，减振量大于铝合金和铸铁，非常适合用于汽车的生产中，同时在航空航天、便携电脑、手机、电器、运动器材等领域有着广泛的应用空间。全球镁合金的需求年均增长达到10%左右，西方镁合金的市场需求增长率达到了15%4以上，未来镁合金的市场需求将呈现快速增长的趋势。镁合金主要应用于汽车、3C、航空航天领域，其中应用于汽车产业（70%）、3C行业（20%）、军事和航空航天（10%）。1、国外镁合金应用发展现状国外对于镁及其合金的研究开发较早，到目前镁及其合金材料的开发应用已进入相对比较成熟的阶段。其中北美是目前镁及其合金材料用量最多的地区，而欧洲镁及镁合金产业的发展速度也增长迅速。但比较来看，国外不同国家和地区对于镁及其合金材料的开发应用仍然存在较大的差异，其中表现突出的仍然集中在德国、俄罗斯、美国、加拿大、日本等对镁合金研究开发较早的国家。具体应用主要集中在以下几个方面：镁合金在汽车工业中的应用镁合金在汽车上的应用已经有许多年的历史，从20世纪20年代开始，镁制零件就开始在赛车上应用。到了20世纪90年代，镁合金发展迅速，各国相继出台了镁研究计划，开展了大型的“产、学、研”联合攻关项目和计划。德国政府制订了一个投资2500万德国马克的镁合金研究开发计划，主要研究压铸合金工艺，快速原型化与工具制造技术和半固态成型工艺，以提高德国在镁合金应用方面的能力；1993年欧洲汽车制造商提出“3L汽油轿车”的新概念，美国也提出了“PNGV”（新一代交通工具）的合作计划，其目标是生产出消费者可承受的每百公里耗油3L的轿车，且整车至少80％以上的部件可以回收，这些要求迫使汽车制造商采用更多高新技术，生产重量轻、耗油少、符合环保要求的新一代汽车，因此除汽车轮毂外，镁合金还被广泛应用于增压器转子、发动机传动箱体、风扇、发动机零件、整体座椅系统、仪表板整体框架、方向盘、草坪机底盘等其他零部件。国际国内对于镁合金在汽车上的应用的研究不断发展，应用领域不断扩大，应用的量也相应增加。目前全球汽车平均每辆用镁合金4~5kg，根据西方汽车工业界的展望，在未来二十年里，平均每辆汽车上的镁合金用量将达到100~120kg，将比目前增长50倍以上，届时仅用于汽车的镁合金将超过500万t，约为目前全球镁年生产量(80万t)的6倍。相较于铝合金、在成熟产品上镁合金将具备更高的性价比：如果按原镁16000元/t和电解铝13000元/t的行业平均成本分析，由于镁合金