一種使用稀土元素改善鋁硅合金表面裂紋的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于材料加工技術領域，特別涉及一種使用稀土元素改善鋁硅合金表面裂 紋的方法。
【背景技術】
[0002] 稀土是一種有益的元素，加入少量的稀土元素，能夠明顯地細化材料組織結構。在 激光熔覆加工處理中，引入稀土元素及其氧化物，不僅可以細化處理表面層的組織，還可以 消除表面層的微裂紋，有效地改善材料表面性能。
[0003] 強流脈沖電子束是最近幾年發(fā)展的一種新型表面改性技術，其作為一種高密度能 量源，在材料近表層附近沉積了大量的能量，并且產生了快速加熱和冷卻過程，該過程的循 環(huán)往復導致了表面復雜的溫度場和應力場的產生，進而導致材料組織發(fā)生了明顯變化。由 于快速熔化或蒸發(fā)加熱，熱應力以及自淬火等過程的產生，導致了表面非平衡結構的形成， 例如納米晶，非晶，過飽和固溶體，位錯及其組態(tài)等，這些結構的產生提高了材料的物理和 化學性能。
[0004] 盡管如此，在一些脆性相含量比較多的合金中，如過共晶鋁硅合金、鋼鐵和鈷鎢硬 質合金中，電子束處理后容易產生明顯的微裂紋，它是電子束能量沉積導致合金表面產生 熱應力(拉應力）的結果。微裂紋的產生使合金組織中出現缺陷，對材料表面性能的提高產 生不利影響，這也是阻礙強流脈沖電子束技術實際應用的一大問題。因此，消除微裂紋是進 一步提尚材料表面性能的關鍵。
[0005] 鋁硅合金是一種重要的鋁合金，它擁有高的流動性和低的收縮率，因而合金具有 優(yōu)異的鑄造性能，主要適用于制造汽缸蓋、活塞、變速器殼、傳動裝置、排氣管等零件，擁有 廣泛的應用前景。目前國內使用的鋁硅合金活塞材料主要為共晶型鋁硅合金，其合金組織 由粗大的針狀共晶硅和鋁基固溶體組成的共晶體和少量的板塊狀初生硅組成，強流脈沖電 子束處理能夠顯著細化初生硅及其組織，有利于提高表面性能，但由于脆性相初生硅的存 在，合金表面在電子束處理后產生明顯的微裂紋，在一定程度上限制了共晶型鋁硅合金的 應用范圍。向鋁硅合金中添加混合稀土元素是一種有效減少電子束處理后合金表面裂紋的 手段，具有簡便易行，工藝簡單等優(yōu)點。

【發(fā)明內容】

[0006] 針對現有技術存在的問題，本發(fā)明提供一種使用稀土元素改善鋁硅合金表面裂紋 的方法，向鋁硅合金中加入稀土元素 Ce，通過電子束加熱處理鋁硅合金表面，減小和改善合 金表面裂紋，從而使經過電子束加熱處理后的鋁硅合金表面具有更加優(yōu)異的性能。本發(fā)明 的技術方案如下： 一種使用稀土元素改善鋁硅合金表面裂紋的方法，包括以下工藝步驟： (1)合金的熔煉鑄錠 按照重量百分比為Si 17. 5%，Ce 1~2%，余量為Al的化學成分選配原料，在氬氣保護下 在高溫電阻爐內熔煉合金，熔煉溫度為700~750°C，將熔煉合金液澆注到鑄鐵模具內，得到 含鈰的鋁硅合金鑄錠； (2) 表面預處理 在含鈰的鋁硅合金鑄錠上切出斷面，對斷面進行研磨和拋光處理，并用有機溶劑將表 面清洗干凈； (3) 電子束表面改性 將表面預處理后的鋁硅合金鑄錠置于6Xl(T3Pa的真空條件下，對其表面施加強流脈 沖電子束，其中強流脈沖電子束的加速電壓為20~25kV，脈沖次數為15~25次，能量密度為 2. 5J/cm2。
[0007] 所述步驟（2)的有機溶劑為乙醇或丙酮。
[0008] 本發(fā)明通過在鋁硅合金中添加少量稀土元素鈰，能夠明顯細化材料組織結構，并 通過對含鈰的鋁硅合金實施強流脈沖電子束，使鋁硅合金鑄錠表面經過快速熔化和凝固， 相間各化學元素尤其是稀土成分分布更加均勻，同時明顯減少了鋁硅稀土合金表面裂紋及 熔坑，顯著提高鋁硅合金表面性能如耐腐蝕、耐磨損性等，并且電子束表面改性工藝是在 6Xl(T 3Pa的真空條件下進行，能夠有效避免合金表面被氧化。本發(fā)明方法工藝簡單，操作 方便，鋁硅稀土合金表面裂紋及熔坑明顯減少，對于提高材料表面性能具有重要意義和實 用價值。
【附圖說明】
[0009] 圖1為未添加稀土元素的鋁硅合金在電子束處理之后的表面SEM圖； 圖2為本發(fā)明實施例1中稀土鋁硅合金在電子束處理前的表面SEM圖； 圖3為本發(fā)明實施例1中稀土鋁硅合金在電子束處理后的表面SEM圖； 圖4為本發(fā)明實施例1中稀土鋁硅合金在電子束處理之后稀土元素 Ce的區(qū)域分布圖； 圖5為本發(fā)明實施例2中稀土鋁硅合金在5次脈沖電子束處理后表面暈圈組織的SEM 圖； 圖6為本發(fā)明實施例2中稀土鋁硅合金在15次脈沖電子束處理后，并且與圖5的鋁硅 合金在同一位置的SEM圖； 圖7為本發(fā)明實施例2中稀土鋁硅合金在25次脈沖電子束處理后，并且與圖5的鋁硅 合金在同一位置的SEM圖。
【具體實施方式】
[0010] 本發(fā)明實施例采用自制的井式電阻熔煉爐。
[0011] 本發(fā)明實施例采用的強流脈沖電子束設備型號為MMLAB-HOPE-1，束斑直徑為 30mm，脈寬為0. 5-5 μ s，脈沖間隔為30s。
[0012] 實施例1: 按照質量百分比，鈰在鋁硅合金中的含量為2%，工藝步驟如下： (1)合金的熔煉鑄錠 按照重量百分比為Si 17. 5%，Ce 2%，余量為Al的化學成分選配原料，在氬氣保護下在 高溫電阻爐內熔煉合金，熔煉溫度為700~750°C，將熔煉合金液澆注到鑄鐵模具內，得到含 鈰的鋁硅合金鑄錠； (2) 表面預處理 在含鈰的鋁硅合金鑄錠上切出斷面，對斷面進行研磨和拋光處理，并用有機溶劑將表 面清洗干凈； (3) 電子束表面改性 將表面預處理后的鋁硅合金鑄錠置于6X KT3Pa的真空條件下，對其表面施加強流 脈沖電子束，其中強流脈沖電子束的加速電壓為20~25kV，脈沖次數為15次，能量密度為 2. 5J/cm2。
[0013] 將15次脈沖處理后的合金進行SEM檢測，對比未添加稀土元素的鋁硅合金在電子 束處理后的表面形貌，如圖1所示，并分析結果顯示：在未添加稀土元素時，合金表面經過 快速的加熱和冷卻過程后，表面變得平整均勻，但可以看出有明顯的熔坑和微裂紋產生，微 裂紋是在冷卻過程中產生的，它的形成主要與電子束處理過程中產生的應力場和粗大的脆 性相初生硅有很大關系；在添加稀土元素鈰后，鋁硅合金原始組織的初生硅相明顯細化（圖 2)，經過電子束處理后，如圖3所示，相比于未加鈰的鋁硅合金表面更加平整，表面微裂紋 大部分被消除；圖4為15次脈沖電子束加熱處理后鋁硅稀土合金中Ce元素區(qū)域分布圖， 可以看出，電子束加熱處理之后，稀土元素均勻分布于合金表面，包括共晶體和初生硅組織 中。表面裂紋的改善和稀土元素的均勻化分布，使得合金表面耐腐蝕性能得到提高。
[0014] 實施例2: 按照質量百分比，鈰在鋁硅合金中的含量為1%，工藝步驟如下： (1) 合金的熔煉鑄錠 按照重量百分比為Si 17. 5%，Ce 1%，余量為Al的化學成分選配原料，在氬氣保護下在 高溫電阻爐內熔煉合金，熔煉溫度為700~750°C，將熔煉合金液澆注到鑄鐵模具內，得到含 鈰的鋁硅合金鑄錠； (2) 表面預處理 在含鈰的鋁硅合金鑄錠上切出斷面，對斷面進行研磨和拋光處理，并用有機溶劑將表 面清洗干凈； (3) 電子束表面改性 將表面預處理后的鋁硅合金鑄錠置于6X KT3Pa的真空條件下，對其表面施加強流 脈沖電子束，其中強流脈沖電子束的加速電壓為20~25kV，脈沖次數為25次，能量密度為 2. 5J/cm2。
[0015] 在本實施例的電子束表面改性過程中，對鋁硅合金鑄錠在脈沖次數5次、15次和 25次的同一暈圈組織進行SEM檢測，圖5~7為不同脈沖次數處理的鋁硅合金同一暈圈組織 的原位演化圖，可以看出5次脈沖處理后合金表面相對比較粗糙，伴有少量的熔坑裂紋產 生，隨著脈沖次數的不斷增加，合金表面熔化更加完全，表面的微裂紋和熔坑不斷減少，經 過25次脈沖處理之后，表面基本上觀察不到裂紋存在，且鋁硅基體結合更加緊密，基本上 已經觀察不到暈圈形貌，合金表面化學成分均勻化分布。
[0016] 對添加鈰及不添加鈰的鋁硅合金在不同脈沖次數處理后的樣品進行電化學性能 測試，腐蝕介質為5wt%NaCl溶液，實驗結果如表1所示。
[0017] 表1添加鈰及不添加鈰的鋁硅合金不同脈沖次數處理后的電化學性能
表1顯示，添加鈰的合金在電子束加熱處理后，相對于未添加鈰的樣品其腐蝕電流顯 著下降，降低量將近為一個數量級，證明添加鈰的鋁硅合金在電子束處理之后耐腐蝕性顯 著提高，且隨著脈沖次數的增加，耐腐蝕性能不斷增強。
【主權項】
1. 一種使用稀土元素改善鋁硅合金表面裂紋的方法，其特征在于包括以下工藝步驟： (1) 合金的熔煉鑄錠 按照重量百分比為Si17. 5%，Ce1~2%，余量為Al的化學成分選配原料，在氬氣保護下 在高溫電阻爐內熔煉合金，熔煉溫度為700~750°C，將熔煉合金液澆注到鑄鐵模具內，得到 含鈰的鋁硅合金鑄錠； (2) 表面預處理 在含鈰的鋁硅合金鑄錠上切出斷面，對斷面進行研磨和拋光處理，并用有機溶劑將表 面清洗干凈； (3) 電子束表面改性 將表面預處理后的鋁硅合金鑄錠置于6Xl(T3Pa的真空條件下，對其表面施加強流脈 沖電子束，其中強流脈沖電子束的加速電壓為20~25kV，脈沖次數為15~25次，能量密度為 2. 5J/cm2。2. 根據權利要求1所述的一種使用稀土元素改善鋁硅合金表面裂紋的方法，其特征在 于所述步驟（2)的有機溶劑為乙醇或丙酮。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種使用稀土元素改善鋁硅合金表面裂紋的方法，屬于材料加工技術領域，包括以下工藝步驟：（1）按照重量百分比為Si 17.5%，Ce 1~2%，余量為Al的化學成分選配原料，在氬氣保護下在高溫電阻爐內熔煉合金，將熔煉合金液澆注到鑄鐵模具內；（2）在鑄錠上切出斷面，對斷面進行研磨和拋光處理，并用有機溶劑將表面清洗干凈；（3）將合金鑄錠置于6×10-3Pa的真空條件下，對其表面施加強流脈沖電子束。本發(fā)明方法工藝簡單，操作方便，添加稀土元素鈰后，鋁硅合金表面裂紋及熔坑明顯減少，對于提高材料表面性能具有重要意義和實用價值。
【IPC分類】C22F3/00, C22C1/02
【公開號】CN104894416
【申請?zhí)枴緾N201510349051
【發(fā)明人】高波, 呂繼可, 胡亮, 朱廣林, 高超, 董立洋, 盧帥丹, 張光宗, 郝亞杰, 涂贛峰
【申請人】東北大學
【公開日】2015年9月9日
【申請日】2015年6月23日