CN104894416B - 一种使用稀土元素改善铝硅合金表面裂纹的方法 - Google Patents
一种使用稀土元素改善铝硅合金表面裂纹的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN104894416B CN104894416B CN201510349051.XA CN201510349051A CN104894416B CN 104894416 B CN104894416 B CN 104894416B CN 201510349051 A CN201510349051 A CN 201510349051A CN 104894416 B CN104894416 B CN 104894416B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- alloy
- electron beam
- rare earth
- earth element
- alusil
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Landscapes
- Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
- Welding Or Cutting Using Electron Beams (AREA)
Abstract
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。
Description
技术领域
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
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。
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。
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高材料表面性能的关键。
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
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℃，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6×10-3Pa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。
所述步骤（2）的有机溶剂为乙醇或丙酮。
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6×10-3Pa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
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
本发明实施例采用自制的井式电阻熔炼炉。
本发明实施例采用的强流脉冲电子束设备型号为MMLAB-HOPE-I，束斑直径为30mm，脉宽为0.5-5μs，脉冲间隔为30s。
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℃，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6×10-3Pa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。
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。
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℃，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6×10-3Pa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。
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。
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。
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。
Claims (1)
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℃，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，采用乙醇或丙酮将表面清洗干净；
(3)电子束表面改性
将表面预处理后的铝硅合金铸锭置于6×10-3Pa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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510349051.XA CN104894416B (zh) | 2015-06-23 | 2015-06-23 | 一种使用稀土元素改善铝硅合金表面裂纹的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201510349051.XA CN104894416B (zh) | 2015-06-23 | 2015-06-23 | 一种使用稀土元素改善铝硅合金表面裂纹的方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN104894416A CN104894416A (zh) | 2015-09-09 |
| CN104894416B true CN104894416B (zh) | 2017-05-31 |
Family
ID=54027366
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201510349051.XA Active CN104894416B (zh) | 2015-06-23 | 2015-06-23 | 一种使用稀土元素改善铝硅合金表面裂纹的方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN104894416B (zh) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106756291A (zh) * | 2016-12-12 | 2017-05-31 | 东北大学 | 一种使用稀土元素消除高硅铝硅合金表面熔坑的方法 |
| CN108060395A (zh) * | 2017-11-20 | 2018-05-22 | 东北大学 | 一种使用Mg元素改善铝硅合金表面裂纹的方法 |
| CN113237908B (zh) * | 2021-04-30 | 2022-10-11 | 北京科技大学 | 一种评定亚包晶钢裂纹敏感性的方法 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0270036A (ja) * | 1988-09-02 | 1990-03-08 | Furukawa Alum Co Ltd | 耐摩耗性アルミニウム合金材 |
| CN1772930A (zh) * | 2005-10-27 | 2006-05-17 | 上海大学 | 铸造铝硅合金变质处理的方法 |
| CN101760709B (zh) * | 2009-12-28 | 2012-06-06 | 东北大学 | 一种使稀土元素在铝硅合金表面均匀分布的方法 |
| CN101775530B (zh) * | 2010-03-04 | 2012-03-28 | 安徽省恒泰动力科技有限公司 | 一种过共晶铝硅合金活塞材料 |
-
2015
- 2015-06-23 CN CN201510349051.XA patent/CN104894416B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104894416A (zh) | 2015-09-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zhang et al. | Recent progress in high-entropy alloys | |
| Xuefeng et al. | Influence of rare earths on eutectic carbides in AISI M2 high speed steel | |
| CN104894416B (zh) | 一种使用稀土元素改善铝硅合金表面裂纹的方法 | |
| Lyu et al. | Microstructure and properties of CoCrFeNiAlx (x= 0.1, 0.5, 1) high-entropy alloys enhanced by laser surface remelting | |
| Hu et al. | The effect of neodymium on the microcracks generated on the Al–17.5 Si alloy surface treated by high current pulsed electron beam | |
| Yang et al. | Plasma boriding of high strength alloy steel with nanostructured surface layer at low temperature assisted by air blast shot peening | |
| CN104480461A (zh) | Ni60/SiC复合粉末多道搭接激光熔覆Cr12MoV钢的方法 | |
| CN110129596B (zh) | 薄带状纳米Al3(Sc,Zr)/Al复合孕育剂的制备方法 | |
| You et al. | Segregation behavior of nickel-based superalloy after electron beam smelting | |
| CN106756291A (zh) | 一种使用稀土元素消除高硅铝硅合金表面熔坑的方法 | |
| CN107012463A (zh) | 一种氧化铝改性的梯度激光熔覆层及其制备方法 | |
| Gao et al. | Surface modification of Mg67–Zn30–Y3 quasicrystal alloy by high current pulsed electron beam | |
| CN108060395A (zh) | 一种使用Mg元素改善铝硅合金表面裂纹的方法 | |
| Yan et al. | Obtaining a smooth and dense interface structure between Al-C nozzle material and the molten steel containing rare earth by pulsed electric current | |
| Chang et al. | A nickel-base superalloy with refined microstructures and excellent mechanical properties prepared by selective laser melting | |
| CN101760709B (zh) | 一种使稀土元素在铝硅合金表面均匀分布的方法 | |
| CN114058924A (zh) | 一种提高双相高熵合金CoCrNiCu耐磨性能的方法 | |
| Liu et al. | Microstructure and properties of Ni-Ti based gradient laser cladding layer of Ti6Al4V alloy by laser powder bed fusion | |
| Shen et al. | A novel method of preparation of metal ceramic coatings | |
| CN113088959A (zh) | 基于激光熔覆与脉冲电子束辐照的非晶涂层制备方法 | |
| Li et al. | The effect of continuous electron beam scanning process on the microstructure and geometry of U-5.5 wt% Nb alloy | |
| Sheng et al. | Microstructure and compressive properties of NiAl–Cr (Mo)–Dy near eutectic alloy prepared by suction casting | |
| Zhang et al. | Preparation and enhanced oxidation behavior of microalloyed Mo5SiB2 alloy at 1300° C | |
| CN109576597A (zh) | 铁基合金及其制备方法、外套管和内加热器 | |
| Geng et al. | High strength Al0. 7CoCrFeNi2. 4 hypereutectic high entropy alloy fabricated by laser powder bed fusion via triple-nanoprecipitation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20181109 Address after: Room 572, 606 Ningliu Road, Changlu Street, Jiangbei New District, Nanjing City, Jiangsu Province, 210008 Patentee after: Nanjing Osseton New Materials Technology Co., Ltd. Address before: 110819 No. 3 lane, Heping Road, Heping District, Shenyang, Liaoning 11 Patentee before: Northeastern University |