一种使用稀土元素改善铝硅合金表面裂纹的方法
一种使用稀土元素改善铝硅合金表面裂纹的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于材料加工技术领域，特别涉及一种使用稀土元素改善铝硅合金表面裂 纹的方法。
【背景技术】
[0002] 稀土是一种有益的元素，加入少量的稀土元素，能够明显地细化材料组织结构。在 激光熔覆加工处理中，引入稀土元素及其氧化物，不仅可以细化处理表面层的组织，还可以 消除表面层的微裂纹，有效地改善材料表面性能。
[0003] 强流脉冲电子束是最近几年发展的一种新型表面改性技术，其作为一种高密度能 量源，在材料近表层附近沉积了大量的能量，并且产生了快速加热和冷却过程，该过程的循 环往复导致了表面复杂的温度场和应力场的产生，进而导致材料组织发生了明显变化。由 于快速熔化或蒸发加热，热应力以及自淬火等过程的产生，导致了表面非平衡结构的形成， 例如纳米晶，非晶，过饱和固溶体，位错及其组态等，这些结构的产生提高了材料的物理和 化学性能。
[0004] 尽管如此，在一些脆性相含量比较多的合金中，如过共晶铝硅合金、钢铁和钴钨硬 质合金中，电子束处理后容易产生明显的微裂纹，它是电子束能量沉积导致合金表面产生 热应力(拉应力）的结果。微裂纹的产生使合金组织中出现缺陷，对材料表面性能的提高产 生不利影响，这也是阻碍强流脉冲电子束技术实际应用的一大问题。因此，消除微裂纹是进 一步提尚材料表面性能的关键。
[0005] 铝硅合金是一种重要的铝合金，它拥有高的流动性和低的收缩率，因而合金具有 优异的铸造性能，主要适用于制造汽缸盖、活塞、变速器壳、传动装置、排气管等零件，拥有 广泛的应用前景。目前国内使用的铝硅合金活塞材料主要为共晶型铝硅合金，其合金组织 由粗大的针状共晶硅和铝基固溶体组成的共晶体和少量的板块状初生硅组成，强流脉冲电 子束处理能够显著细化初生硅及其组织，有利于提高表面性能，但由于脆性相初生硅的存 在，合金表面在电子束处理后产生明显的微裂纹，在一定程度上限制了共晶型铝硅合金的 应用范围。向铝硅合金中添加混合稀土元素是一种有效减少电子束处理后合金表面裂纹的 手段，具有简便易行，工艺简单等优点。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术存在的问题，本发明提供一种使用稀土元素改善铝硅合金表面裂纹 的方法，向铝硅合金中加入稀土元素 Ce，通过电子束加热处理铝硅合金表面，减小和改善合 金表面裂纹，从而使经过电子束加热处理后的铝硅合金表面具有更加优异的性能。本发明 的技术方案如下： 一种使用稀土元素改善铝硅合金表面裂纹的方法，包括以下工艺步骤： (1)合金的熔炼铸锭 按照重量百分比为Si 17. 5%，Ce 1~2%，余量为Al的化学成分选配原料，在氩气保护下 在高温电阻炉内熔炼合金，熔炼温度为700~750°C，将熔炼合金液浇注到铸铁模具内，得到 含铈的铝硅合金铸锭； (2) 表面预处理 在含铈的铝硅合金铸锭上切出断面，对断面进行研磨和抛光处理，并用有机溶剂将表 面清洗干净； (3) 电子束表面改性 将表面预处理后的铝硅合金铸锭置于6Xl(T3Pa的真空条件下，对其表面施加强流脉 冲电子束，其中强流脉冲电子束的加速电压为20~25kV，脉冲次数为15~25次，能量密度为 2. 5J/cm2。
[0007] 所述步骤（2)的有机溶剂为乙醇或丙酮。
[0008] 本发明通过在铝硅合金中添加少量稀土元素铈，能够明显细化材料组织结构，并 通过对含铈的铝硅合金实施强流脉冲电子束，使铝硅合金铸锭表面经过快速熔化和凝固， 相间各化学元素尤其是稀土成分分布更加均匀，同时明显减少了铝硅稀土合金表面裂纹及 熔坑，显著提高铝硅合金表面性能如耐腐蚀、耐磨损性等，并且电子束表面改性工艺是在 6Xl(T 3Pa的真空条件下进行，能够有效避免合金表面被氧化。本发明方法工艺简单，操作 方便，铝硅稀土合金表面裂纹及熔坑明显减少，对于提高材料表面性能具有重要意义和实 用价值。
【附图说明】
[0009] 图1为未添加稀土元素的铝硅合金在电子束处理之后的表面SEM图； 图2为本发明实施例1中稀土铝硅合金在电子束处理前的表面SEM图； 图3为本发明实施例1中稀土铝硅合金在电子束处理后的表面SEM图； 图4为本发明实施例1中稀土铝硅合金在电子束处理之后稀土元素 Ce的区域分布图； 图5为本发明实施例2中稀土铝硅合金在5次脉冲电子束处理后表面晕圈组织的SEM 图； 图6为本发明实施例2中稀土铝硅合金在15次脉冲电子束处理后，并且与图5的铝硅 合金在同一位置的SEM图； 图7为本发明实施例2中稀土铝硅合金在25次脉冲电子束处理后，并且与图5的铝硅 合金在同一位置的SEM图。
【具体实施方式】
[0010] 本发明实施例采用自制的井式电阻熔炼炉。
[0011] 本发明实施例采用的强流脉冲电子束设备型号为MMLAB-HOPE-1，束斑直径为 30mm，脉宽为0. 5-5 μ s，脉冲间隔为30s。
[0012] 实施例1: 按照质量百分比，铈在铝硅合金中的含量为2%，工艺步骤如下： (1)合金的熔炼铸锭 按照重量百分比为Si 17. 5%，Ce 2%，余量为Al的化学成分选配原料，在氩气保护下在 高温电阻炉内熔炼合金，熔炼温度为700~750°C，将熔炼合金液浇注到铸铁模具内，得到含 铈的铝硅合金铸锭； (2) 表面预处理 在含铈的铝硅合金铸锭上切出断面，对断面进行研磨和抛光处理，并用有机溶剂将表 面清洗干净； (3) 电子束表面改性 将表面预处理后的铝硅合金铸锭置于6X KT3Pa的真空条件下，对其表面施加强流 脉冲电子束，其中强流脉冲电子束的加速电压为20~25kV，脉冲次数为15次，能量密度为 2. 5J/cm2。
[0013] 将15次脉冲处理后的合金进行SEM检测，对比未添加稀土元素的铝硅合金在电子 束处理后的表面形貌，如图1所示，并分析结果显示：在未添加稀土元素时，合金表面经过 快速的加热和冷却过程后，表面变得平整均匀，但可以看出有明显的熔坑和微裂纹产生，微 裂纹是在冷却过程中产生的，它的形成主要与电子束处理过程中产生的应力场和粗大的脆 性相初生硅有很大关系；在添加稀土元素铈后，铝硅合金原始组织的初生硅相明显细化（图 2)，经过电子束处理后，如图3所示，相比于未加铈的铝硅合金表面更加平整，表面微裂纹 大部分被消除；图4为15次脉冲电子束加热处理后铝硅稀土合金中Ce元素区域分布图， 可以看出，电子束加热处理之后，稀土元素均匀分布于合金表面，包括共晶体和初生硅组织 中。表面裂纹的改善和稀土元素的均匀化分布，使得合金表面耐腐蚀性能得到提高。
[0014] 实施例2: 按照质量百分比，铈在铝硅合金中的含量为1%，工艺步骤如下： (1) 合金的熔炼铸锭 按照重量百分比为Si 17. 5%，Ce 1%，余量为Al的化学成分选配原料，在氩气保护下在 高温电阻炉内熔炼合金，熔炼温度为700~750°C，将熔炼合金液浇注到铸铁模具内，得到含 铈的铝硅合金铸锭； (2) 表面预处理 在含铈的铝硅合金铸锭上切出断面，对断面进行研磨和抛光处理，并用有机溶剂将表 面清洗干净； (3) 电子束表面改性 将表面预处理后的铝硅合金铸锭置于6X KT3Pa的真空条件下，对其表面施加强流 脉冲电子束，其中强流脉冲电子束的加速电压为20~25kV，脉冲次数为25次，能量密度为 2. 5J/cm2。
[0015] 在本实施例的电子束表面改性过程中，对铝硅合金铸锭在脉冲次数5次、15次和 25次的同一晕圈组织进行SEM检测，图5~7为不同脉冲次数处理的铝硅合金同一晕圈组织 的原位演化图，可以看出5次脉冲处理后合金表面相对比较粗糙，伴有少量的熔坑裂纹产 生，随着脉冲次数的不断增加，合金表面熔化更加完全，表面的微裂纹和熔坑不断减少，经 过25次脉冲处理之后，表面基本上观察不到裂纹存在，且铝硅基体结合更加紧密，基本上 已经观察不到晕圈形貌，合金表面化学成分均匀化分布。
[0016] 对添加铈及不添加铈的铝硅合金在不同脉冲次数处理后的样品进行电化学性能 测试，腐蚀介质为5wt%NaCl溶液，实验结果如表1所示。
[0017] 表1添加铈及不添加铈的铝硅合金不同脉冲次数处理后的电化学性能
表1显示，添加铈的合金在电子束加热处理后，相对于未添加铈的样品其腐蚀电流显 著下降，降低量将近为一个数量级，证明添加铈的铝硅合金在电子束处理之后耐腐蚀性显 著提高，且随着脉冲次数的增加，耐腐蚀性能不断增强。
【主权项】
1. 一种使用稀土元素改善铝硅合金表面裂纹的方法，其特征在于包括以下工艺步骤： (1) 合金的熔炼铸锭 按照重量百分比为Si17. 5%，Ce1~2%，余量为Al的化学成分选配原料，在氩气保护下 在高温电阻炉内熔炼合金，熔炼温度为700~750°C，将熔炼合金液浇注到铸铁模具内，得到 含铈的铝硅合金铸锭； (2) 表面预处理 在含铈的铝硅合金铸锭上切出断面，对断面进行研磨和抛光处理，并用有机溶剂将表 面清洗干净； (3) 电子束表面改性 将表面预处理后的铝硅合金铸锭置于6Xl(T3Pa的真空条件下，对其表面施加强流脉 冲电子束，其中强流脉冲电子束的加速电压为20~25kV，脉冲次数为15~25次，能量密度为 2. 5J/cm2。2. 根据权利要求1所述的一种使用稀土元素改善铝硅合金表面裂纹的方法，其特征在 于所述步骤（2)的有机溶剂为乙醇或丙酮。
【专利摘要】本发明提供一种使用稀土元素改善铝硅合金表面裂纹的方法，属于材料加工技术领域，包括以下工艺步骤：（1）按照重量百分比为Si 17.5%，Ce 1~2%，余量为Al的化学成分选配原料，在氩气保护下在高温电阻炉内熔炼合金，将熔炼合金液浇注到铸铁模具内；（2）在铸锭上切出断面，对断面进行研磨和抛光处理，并用有机溶剂将表面清洗干净；（3）将合金铸锭置于6×10-3Pa的真空条件下，对其表面施加强流脉冲电子束。本发明方法工艺简单，操作方便，添加稀土元素铈后，铝硅合金表面裂纹及熔坑明显减少，对于提高材料表面性能具有重要意义和实用价值。
【IPC分类】C22F3/00, C22C1/02
【公开号】CN104894416
【申请号】CN201510349051
【发明人】高波, 吕继可, 胡亮, 朱广林, 高超, 董立洋, 卢帅丹, 张光宗, 郝亚杰, 涂赣峰
【申请人】东北大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月23日
【技术领域】
[0001] 本发明属于材料加工技术领域，特别涉及一种使用稀土元素改善铝硅合金表面裂 纹的方法。
【背景技术】
[0002] 稀土是一种有益的元素，加入少量的稀土元素，能够明显地细化材料组织结构。在 激光熔覆加工处理中，引入稀土元素及其氧化物，不仅可以细化处理表面层的组织，还可以 消除表面层的微裂纹，有效地改善材料表面性能。
[0003] 强流脉冲电子束是最近几年发展的一种新型表面改性技术，其作为一种高密度能 量源，在材料近表层附近沉积了大量的能量，并且产生了快速加热和冷却过程，该过程的循 环往复导致了表面复杂的温度场和应力场的产生，进而导致材料组织发生了明显变化。由 于快速熔化或蒸发加热，热应力以及自淬火等过程的产生，导致了表面非平衡结构的形成， 例如纳米晶，非晶，过饱和固溶体，位错及其组态等，这些结构的产生提高了材料的物理和 化学性能。
[0004] 尽管如此，在一些脆性相含量比较多的合金中，如过共晶铝硅合金、钢铁和钴钨硬 质合金中，电子束处理后容易产生明显的微裂纹，它是电子束能量沉积导致合金表面产生 热应力(拉应力）的结果。微裂纹的产生使合金组织中出现缺陷，对材料表面性能的提高产 生不利影响，这也是阻碍强流脉冲电子束技术实际应用的一大问题。因此，消除微裂纹是进 一步提尚材料表面性能的关键。
[0005] 铝硅合金是一种重要的铝合金，它拥有高的流动性和低的收缩率，因而合金具有 优异的铸造性能，主要适用于制造汽缸盖、活塞、变速器壳、传动装置、排气管等零件，拥有 广泛的应用前景。目前国内使用的铝硅合金活塞材料主要为共晶型铝硅合金，其合金组织 由粗大的针状共晶硅和铝基固溶体组成的共晶体和少量的板块状初生硅组成，强流脉冲电 子束处理能够显著细化初生硅及其组织，有利于提高表面性能，但由于脆性相初生硅的存 在，合金表面在电子束处理后产生明显的微裂纹，在一定程度上限制了共晶型铝硅合金的 应用范围。向铝硅合金中添加混合稀土元素是一种有效减少电子束处理后合金表面裂纹的 手段，具有简便易行，工艺简单等优点。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术存在的问题，本发明提供一种使用稀土元素改善铝硅合金表面裂纹 的方法，向铝硅合金中加入稀土元素 Ce，通过电子束加热处理铝硅合金表面，减小和改善合 金表面裂纹，从而使经过电子束加热处理后的铝硅合金表面具有更加优异的性能。本发明 的技术方案如下： 一种使用稀土元素改善铝硅合金表面裂纹的方法，包括以下工艺步骤： (1)合金的熔炼铸锭 按照重量百分比为Si 17. 5%，Ce 1~2%，余量为Al的化学成分选配原料，在氩气保护下 在高温电阻炉内熔炼合金，熔炼温度为700~750°C，将熔炼合金液浇注到铸铁模具内，得到 含铈的铝硅合金铸锭； (2) 表面预处理 在含铈的铝硅合金铸锭上切出断面，对断面进行研磨和抛光处理，并用有机溶剂将表 面清洗干净； (3) 电子束表面改性 将表面预处理后的铝硅合金铸锭置于6Xl(T3Pa的真空条件下，对其表面施加强流脉 冲电子束，其中强流脉冲电子束的加速电压为20~25kV，脉冲次数为15~25次，能量密度为 2. 5J/cm2。
[0007] 所述步骤（2)的有机溶剂为乙醇或丙酮。
[0008] 本发明通过在铝硅合金中添加少量稀土元素铈，能够明显细化材料组织结构，并 通过对含铈的铝硅合金实施强流脉冲电子束，使铝硅合金铸锭表面经过快速熔化和凝固， 相间各化学元素尤其是稀土成分分布更加均匀，同时明显减少了铝硅稀土合金表面裂纹及 熔坑，显著提高铝硅合金表面性能如耐腐蚀、耐磨损性等，并且电子束表面改性工艺是在 6Xl(T 3Pa的真空条件下进行，能够有效避免合金表面被氧化。本发明方法工艺简单，操作 方便，铝硅稀土合金表面裂纹及熔坑明显减少，对于提高材料表面性能具有重要意义和实 用价值。
【附图说明】
[0009] 图1为未添加稀土元素的铝硅合金在电子束处理之后的表面SEM图； 图2为本发明实施例1中稀土铝硅合金在电子束处理前的表面SEM图； 图3为本发明实施例1中稀土铝硅合金在电子束处理后的表面SEM图； 图4为本发明实施例1中稀土铝硅合金在电子束处理之后稀土元素 Ce的区域分布图； 图5为本发明实施例2中稀土铝硅合金在5次脉冲电子束处理后表面晕圈组织的SEM 图； 图6为本发明实施例2中稀土铝硅合金在15次脉冲电子束处理后，并且与图5的铝硅 合金在同一位置的SEM图； 图7为本发明实施例2中稀土铝硅合金在25次脉冲电子束处理后，并且与图5的铝硅 合金在同一位置的SEM图。
【具体实施方式】
[0010] 本发明实施例采用自制的井式电阻熔炼炉。
[0011] 本发明实施例采用的强流脉冲电子束设备型号为MMLAB-HOPE-1，束斑直径为 30mm，脉宽为0. 5-5 μ s，脉冲间隔为30s。
[0012] 实施例1: 按照质量百分比，铈在铝硅合金中的含量为2%，工艺步骤如下： (1)合金的熔炼铸锭 按照重量百分比为Si 17. 5%，Ce 2%，余量为Al的化学成分选配原料，在氩气保护下在 高温电阻炉内熔炼合金，熔炼温度为700~750°C，将熔炼合金液浇注到铸铁模具内，得到含 铈的铝硅合金铸锭； (2) 表面预处理 在含铈的铝硅合金铸锭上切出断面，对断面进行研磨和抛光处理，并用有机溶剂将表 面清洗干净； (3) 电子束表面改性 将表面预处理后的铝硅合金铸锭置于6X KT3Pa的真空条件下，对其表面施加强流 脉冲电子束，其中强流脉冲电子束的加速电压为20~25kV，脉冲次数为15次，能量密度为 2. 5J/cm2。
[0013] 将15次脉冲处理后的合金进行SEM检测，对比未添加稀土元素的铝硅合金在电子 束处理后的表面形貌，如图1所示，并分析结果显示：在未添加稀土元素时，合金表面经过 快速的加热和冷却过程后，表面变得平整均匀，但可以看出有明显的熔坑和微裂纹产生，微 裂纹是在冷却过程中产生的，它的形成主要与电子束处理过程中产生的应力场和粗大的脆 性相初生硅有很大关系；在添加稀土元素铈后，铝硅合金原始组织的初生硅相明显细化（图 2)，经过电子束处理后，如图3所示，相比于未加铈的铝硅合金表面更加平整，表面微裂纹 大部分被消除；图4为15次脉冲电子束加热处理后铝硅稀土合金中Ce元素区域分布图， 可以看出，电子束加热处理之后，稀土元素均匀分布于合金表面，包括共晶体和初生硅组织 中。表面裂纹的改善和稀土元素的均匀化分布，使得合金表面耐腐蚀性能得到提高。
[0014] 实施例2: 按照质量百分比，铈在铝硅合金中的含量为1%，工艺步骤如下： (1) 合金的熔炼铸锭 按照重量百分比为Si 17. 5%，Ce 1%，余量为Al的化学成分选配原料，在氩气保护下在 高温电阻炉内熔炼合金，熔炼温度为700~750°C，将熔炼合金液浇注到铸铁模具内，得到含 铈的铝硅合金铸锭； (2) 表面预处理 在含铈的铝硅合金铸锭上切出断面，对断面进行研磨和抛光处理，并用有机溶剂将表 面清洗干净； (3) 电子束表面改性 将表面预处理后的铝硅合金铸锭置于6X KT3Pa的真空条件下，对其表面施加强流 脉冲电子束，其中强流脉冲电子束的加速电压为20~25kV，脉冲次数为25次，能量密度为 2. 5J/cm2。
[0015] 在本实施例的电子束表面改性过程中，对铝硅合金铸锭在脉冲次数5次、15次和 25次的同一晕圈组织进行SEM检测，图5~7为不同脉冲次数处理的铝硅合金同一晕圈组织 的原位演化图，可以看出5次脉冲处理后合金表面相对比较粗糙，伴有少量的熔坑裂纹产 生，随着脉冲次数的不断增加，合金表面熔化更加完全，表面的微裂纹和熔坑不断减少，经 过25次脉冲处理之后，表面基本上观察不到裂纹存在，且铝硅基体结合更加紧密，基本上 已经观察不到晕圈形貌，合金表面化学成分均匀化分布。
[0016] 对添加铈及不添加铈的铝硅合金在不同脉冲次数处理后的样品进行电化学性能 测试，腐蚀介质为5wt%NaCl溶液，实验结果如表1所示。
[0017] 表1添加铈及不添加铈的铝硅合金不同脉冲次数处理后的电化学性能
表1显示，添加铈的合金在电子束加热处理后，相对于未添加铈的样品其腐蚀电流显 著下降，降低量将近为一个数量级，证明添加铈的铝硅合金在电子束处理之后耐腐蚀性显 著提高，且随着脉冲次数的增加，耐腐蚀性能不断增强。
【主权项】
1. 一种使用稀土元素改善铝硅合金表面裂纹的方法，其特征在于包括以下工艺步骤： (1) 合金的熔炼铸锭 按照重量百分比为Si17. 5%，Ce1~2%，余量为Al的化学成分选配原料，在氩气保护下 在高温电阻炉内熔炼合金，熔炼温度为700~750°C，将熔炼合金液浇注到铸铁模具内，得到 含铈的铝硅合金铸锭； (2) 表面预处理 在含铈的铝硅合金铸锭上切出断面，对断面进行研磨和抛光处理，并用有机溶剂将表 面清洗干净； (3) 电子束表面改性 将表面预处理后的铝硅合金铸锭置于6Xl(T3Pa的真空条件下，对其表面施加强流脉 冲电子束，其中强流脉冲电子束的加速电压为20~25kV，脉冲次数为15~25次，能量密度为 2. 5J/cm2。2. 根据权利要求1所述的一种使用稀土元素改善铝硅合金表面裂纹的方法，其特征在 于所述步骤（2)的有机溶剂为乙醇或丙酮。
【专利摘要】本发明提供一种使用稀土元素改善铝硅合金表面裂纹的方法，属于材料加工技术领域，包括以下工艺步骤：（1）按照重量百分比为Si 17.5%，Ce 1~2%，余量为Al的化学成分选配原料，在氩气保护下在高温电阻炉内熔炼合金，将熔炼合金液浇注到铸铁模具内；（2）在铸锭上切出断面，对断面进行研磨和抛光处理，并用有机溶剂将表面清洗干净；（3）将合金铸锭置于6×10-3Pa的真空条件下，对其表面施加强流脉冲电子束。本发明方法工艺简单，操作方便，添加稀土元素铈后，铝硅合金表面裂纹及熔坑明显减少，对于提高材料表面性能具有重要意义和实用价值。
【IPC分类】C22F3/00, C22C1/02
【公开号】CN104894416
【申请号】CN201510349051
【发明人】高波, 吕继可, 胡亮, 朱广林, 高超, 董立洋, 卢帅丹, 张光宗, 郝亚杰, 涂赣峰
【申请人】东北大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月23日
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