高铈铝合金的研制与铸造


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共 晶铝铈(Al-Ce)合金在高温下具有良好的力学性能而且铸造性能非常好。其铸造性能和铝硅系一样,甚至更好,但随着合金元素的加入,它们的性能也有所恶化。在使用铈与硅、镁和/或铜等常用铝合金元素相结合的合金体系中,铸造性能一般优于铝-铜体系。

其他用于铝铸件的合金添加元素,主要为了帮助提升室温下的力学性能。铈在高温(392-752F [200-400C])下性能保持了稳定。在铝-铈合金系的富铝区域形成的初级金属间化合物是Al11Ce3. 3
典型的共晶铝铈合金系统的微观结构如图1和图2所示。铸态显微组织显出良好的互连共晶微观结构和纯铝相。枝晶的尺寸可以小至100nm,并且在标准冷却速率下不显示优先方向。这些结构在较高温度下保持稳定。金属间化合物被铈在铝基体中的零溶解度所阻碍。这种阻碍防止了系统通过扩散来最小化表面能,阻止了合金发生常见的粗化相互作用。

在铝铸件中加入铈作为一种基本合金元素,在近共晶成分下进行合金化并不是什么新鲜事。目前,已经研究了在Al-4.5Cu合金中添加铈最高到4wt%的情况下,对合金的固化范围、凝固体积变化趋势以及铸态显微组织的影响。还研究了铈含量最大到16wt%和镍含量最大到8wt%的铝铈镍(Al-Ce-Ni)合金的微观结构和力学性能。

该研究旨在确定在Al-10Mg-8Ce合金的铸造中,标准工艺参数对材料质量和力学性能的适用性。研究发现,用于铝-硅或铝-铜合金的熔化、脱气和其他工艺系统无需修改就可用于常规铸造铝-铈合金件。研究期间,金属铈的价格在4-5美元/磅,使用铈作为合金元素对于大批量生产在经济上是可行的。

铸件试验

对使用粉末冶金工艺生产并进行热锻处理的铝-铈合金系进行初始分析,结果表明,该合金在高达650°F(343℃)的高温下具有明显的优势。然而,这些合金特性是未知的。相图显示的是铈含量约为10 wt%时出现了共晶成分,这表明该合金可以用于铸造。图3描述了铝-铈合金的计算二元相图。
为了测试铝-铈合金的铸造效果,初步试验是使用包含标准ASTM b 108测试杆的几何形状的金属型模具进行。使用含有表1中成分的P1520铸锭制备55磅(25kg)的批量合金。合金未进行脱气处理,在752°F(400℃)的金属型中进行浇注,浇注温度达1382°F(750℃)。

当金属型温度为752°F,金属液温度1382°F时,浇注含有5%或含硅量更高的铝-硅合金(例如356或355)时,测试棒组容易填充并能得到良好的测试棒。为了填充一致,含硅量较少的合金需要使铸型或金属液温度更高。

在铸件试验中,含铈量最高到10%的合金可以完全填充模具,合金棒的制作与含硅量5%的合金生产一致。在铈含量为12%时,铸型的填充能力下降,金属液温度需升至1427°F(775℃),以实现完全填充。

图4显示,铈含量为16%时,铸型温度为797°F(425℃)及浇注温度为1427°F时未完全填充。箭头表明,通常填充到铸型顶部的冒口的填充范围,与浇道的顶部一致。这是快速上升的合金熔炼温度高于合金共晶点的结果。没有一个测试棒显示出热裂的迹象。

使用相同的材料和工艺参数进行了第二次试验,但使用了阶梯式铸型和热裂铸型来预测物料的特性和对热裂的敏感性(图5-6)。测试合金成分的总体可铸性似乎与目前可用的工业合金一致。为了便于比较,热裂铸型和阶梯式铸型由A206铸造而成。在比较A206铸件和相同的铝-铈铸件时,A206铸件似乎具有比铝-铈合金铸件更大、更明显的宏观缺陷。

由于二元系统的铸件特性是可以接受的,使用含铈8%的二元合金生产出复杂的汽缸盖(图7)。铸件成功浇注并检查了其热裂纹或其他缺陷。由于熔体过热度比目前用于生产该汽缸盖铸件的低,引起了一些微小误差,除此以外,该铸件通过了所有检验标准。

一般而言,接近共晶成分的铝-铈合金表现出优良的铸造特性。然而,室温力学性能对于许多商用铸件来说不够高,而且合金对热处理也没有积极反应。通常,抗拉强度随着铈含量增加直至共晶组成而增加。在研究的所有组合中,随着铈含量的增加,屈服强度增加。测量8%和10%比例的成分组合时,延伸率下降,给出了错误的测量结果(表2)。

使用Al-8Ce为基础成分并以硅、镁、铜、锌、镍、钛、锰或铁作为添加剂生产出另外20种合金。虽然更高含量的Ce具有更好的力学性能,出于经济原因选择了8Ce作为基础成分。除镁之外,尽管很多合金具有更好的力学性能,添加超过1%的这些合金元素会降低铸型的填充能力。对于三元Al-Ce-Mg合金,屈服强度随着镁含量的增加而增加,而可铸性在镁含量增至10%时明显下降。

在这些合金中,其中3种合金的力学性能如表3所示。将样品在温度为500°F(260℃)稳定30分钟并测量其性能。表2和表3中所示的数据是6个测试棒的平均结果。拉伸强度和屈服强度的最大标准偏差记录值为4.4MPa。延伸率四舍五入到最接近的百分比,但没有超出报告数据的+/- 4%之外。
经长期高温暴露后,力学性能研究的初步工作基本完成。在500°F(260℃)的高温下暴露336小时并在室温下测试,Al-8Ce-10Mg-F合金的屈服强度为144MPa,比经过100小时暴露的354.0-T61的屈服强度高33%。该屈服强度比表3中暴露30分钟时的屈服强度更高,表明长期热暴露会产生一些积极影响。

试生产

由于铝-铈-镁合金具有良好的可铸性和良好的力学性能,因此在试验性研究中使用了705磅(320kg)的Al-10Mg-8Ce合金。535铝合金作为基础材料的化学反应过程如表4所示。

很多商用铸件使用的铸型或金属型是200和300系合金(图8和图9)浇注而成。铝-铈合金的浇道没有改变。铸件质是可以接受,并且与生产合金的质量相当。测试棒使用批量生产的材料生产并进行测试以确定其特性是否适用于小批量试验材料。试验材料的拉伸强度比在氩气下熔化并覆盖熔剂且没有脱气处理的早期试验金属高3.5%。测试棒经50倍光学镜检查,结果表明它们的氧化物含量比早期试验的材料要低。试生产批次的总共20根拉伸试棒在室温下进行试验,平均拉伸强度为235MPa,平均屈服强度为192MPa,平均伸长率为1%。

接下来,551磅(250kg)的合金在1384°F(75℃)温度下保持17小时。在此间隔期间,镁成分的损失为9.78%或3.1%。由于持续时间长且缺乏保护气体,镁的损失比预期要小。这种不常见的镁稳定性的产生原因正在进行调查。

经济因素

铈是含量最丰富的稀土元素。研究中,金属铈的价格在每磅4-5美元的范围内,使用铈作为合金元素在批量生产中是经济可行的。Al-Ce合金的成本与其他高性能铝合金系统相比具有竞争力。图解对比如图10所示。

采用Al-Ce合金系统已生产了多个测试件和复杂铸件。截至目前的数据和经验表明Al-Ce或Al-Ce-Mg具有相当于300系铝合金的可铸性。其他合金的加入一般都会降低铸件的铸造性能,但通过其他方式还是有很大的潜力。由于更有效地去除氧化物和氢气,生产加工设备的使用导致合金件比早期试验产品具有更好的力学性能。需要进一步加以研究的意外结果包括氢在含铈合金中的溶解度明显降低以及铈在Al-Mg-Ce合金中稳定镁元素的作用。 ■

本文基于最初发布于2017年美国铸造大会中的
(17-013)号论文。