钪、锆变质处理和脉冲磁场对Al-3Fe合金凝固组织及硬度的影响

      以高纯铝和Al-10Fe中间合金为原料制备Al-3Fe合金，在熔炼过程中加入质量分数分 别为0.3%和0.1%的钪和锆元素对熔体进行变质处理，在凝固过程施加不同电压(100，200， 300V)、不同频率(2.5，5，10Hz)的脉冲磁场，研究了变质处理和脉冲磁场对Al-3Fe合金凝固组织 和硬度的影响。结果表明：钪、锆变质处理，脉冲磁场(100V，5Hz)及二者复合处理均可以有效细 化合金的凝固组织，其中复合处理的细化效果最好，Al ₃ Fe相由未处理时粗大的长针状变为细小的 短棒状或短针状。复合处理条件下，随着脉冲电压的增加，Al ₃ Fe相长度先增加后减小；随着脉冲 频率的增加，Al ₃ Fe相长度减小。变质+脉冲磁场复合处理后，合金的布氏硬度提高最明显。

1、试样制备与试验方法 ✦

      试验原料包括纯度为99.99%的高纯铝，以及 Al-10Fe、Al-2Sc和Al-5Zr中间合金。 按照名义成分(质量分数/%)为 Al-3Fe称取高纯铝和Al-10Fe中间合金，置于电阻 炉坩埚中于850℃进行熔炼，待纯铝和Al-10Fe中 间合金完全熔化后，按照钪、锆元素质量分数分别为 0.3%，0.1%加入Al-2Sc和Al-5Zr中间合金进行变 质处理，保温30min，采用钟罩法加入质量分数2% 的C ₂ Cl ₆ 精炼剂，再保温10min；待温度降至780℃ 后，将熔体浇入如图1所示的自制脉冲磁场凝固装 置中，不锈钢铸型先预热至700℃，凝固时施加脉冲 磁场，脉冲磁场电压为100V，脉冲频率为5Hz。为 了进行对比，还在相同工艺下分别制备了未处理(即 未变质、未施加脉冲磁场)Al-3Fe合金、仅变质处理 Al-3Fe合金、仅脉冲磁场(100V，5Hz)处理Al-3Fe 合金，此外，还对变质熔体在凝固过程中施加了频率 5Hz不同电压(100，200，300V)脉冲磁场以及电压 300V，不同频率(2.5，5，10Hz)脉冲磁场，以便分 析脉冲磁场电压和频率对复合处理合金组织和硬度 的影响。在铸锭上从底部向上取高为30mm、直径 为24mm的试样，经研磨抛光后，采用体积分数为 0.5%的HF水溶液进行腐蚀，腐蚀时间在8~10s。 采用光学显微镜(OM)观察显微组织，并 对Al ₃ Fe相尺寸进行测量，随机 选取20个完整的Al ₃ Fe相进行测量，取平均值。在 变质+脉冲磁场(100V，5Hz)复合处理铸锭直径为 50mm的截面上，在距边缘0.5，1.5，2.5cm处各取3 个试样，分别记为边部区、过渡区和中心区，经研磨、 抛光、腐蚀处理，用光学显微镜观察显微 组织。采用电子布氏硬度计测试边部区，过渡区和中心区硬度，各测3点，取平均值。

2、试验结果与讨论 ✦

2.1 物相组成

     由图2可以看出，未处理、仅变质处理、仅脉冲 磁场处理和变质+脉冲磁场复合处理后的试验合金 均由α-Al和Al ₃ Fe两种相组成，未发现新相。加入 微量钪和锆时，Al-Fe合金中还会产生Al ₃ Sc相和 Al ₃ Zr相，但由于这两个相含量较少，XRD未能 检测到。

2.2 Al ₃ Fe相尺寸和形貌

     由图3可以看出：未处理试验合金中Al ₃ Fe相 呈粗大的分布不均匀的长针状，分别经过变质、脉冲 磁场、变质+脉冲磁场复合处理后，Al ₃ Fe相变为分 布均匀的短棒状或短针状。其中：变质处理后， Al ₃ Fe相为短棒状；仅脉冲磁场处理后，Al ₃ Fe相为 短针状；变质+脉冲磁场复合处理后，Al ₃ Fe相变为 更细小的短棒状或短针状。测得未处理、仅变质处 理、仅脉冲磁场处理、变质+脉冲磁场复合处理后， 试验合金中Al ₃ Fe相的平均长度分别为1211，394， 247，136μm，处理后的平均长度明显减小，并且脉 冲磁场处理的比变质处理的细化效果更好，而变质 +脉冲磁场复合处理的细化效果最好。

     变质处理时，新生成的Al ₃ Sc相和Al ₃ Zr相为 合金凝固提供大量的异质形核核心，从而细化了 Al ₃ Fe相；同时由于钪和锆元素阻碍了铁原子的迁 移，增加了界面前沿液相中铁的浓度梯度，造成 成分过冷，使Al ₃ Fe相来不及分枝便被后形核的富 铁相所包裹，加之铁原子在铝液中的扩散速率极低， 导致Al ₃ Fe相的进一步生长受到了抑制，因此 Al ₃ Fe相呈较未处理时明显细化。

     当Al-Fe合金熔体在脉冲磁场下凝固时，脉冲 磁场会对Al-Fe合金熔体产生电磁振动和电磁搅拌 作用。磁场强度越大，振动和搅拌越剧烈，熔体 的对流效应越强，铸型型壁处细小的Al ₃ Fe相更易 移动到内部，导致熔体的形核率提高,产生更好的细 化效果；同时搅拌力越强，Al ₃ Fe相被折断、破碎越 充分，细化效果越好。

     复合处理时，Al ₃ Fe相不仅受到脉冲磁场下的 电磁振动和电磁搅拌作用，还受到钪和锆变质剂的 作用，因此Al ₃ Fe相被进一步细化。

      由图4可以看出：随着脉冲电压的增加，变质+ 脉冲磁场复合处理试验合金中的Al ₃ Fe相平均长度 先增大后减小，当电压为100V时最大；随着脉冲磁 场频率的增加，Al ₃ Fe相的平均长度减小。当脉冲 磁场电压大于200V时，虽然电磁强度和电磁斥力 都很大，但电磁强度的变化更为明显，脉冲磁场对熔 体的均匀化作用更强，因此随着脉冲电压的增加， Al ₃ Fe相的分布逐渐均匀，平均长度逐渐减小。

      由图5可知，脉冲磁场复合处理后试验合金铸 锭从边部到中心的组织不同。边部存在粗大的长针 状Al ₃ Fe相；过渡区靠边部侧存在较为细小的短棒 状Al ₃ Fe相，靠中心侧则基本不存在Al ₃ Fe相，主要 为初生铝相且分布较为均匀。

     当脉冲磁场电压为100V时，脉冲磁场产生的 电磁震动和搅拌作用较弱，强迫对流作用减弱， Al ₃ Fe相主要受到电磁斥力的作用，在该力的作用 下Al ₃ Fe相向熔体边部迁移，在边部大量聚集，而心 部几乎不含Al ₃ Fe相，并且Al ₃ Fe相在迁移过程中 会不断地发生碰撞并聚集，从而造成Al ₃ Fe相粗化。 此外，由于导电性差异的存在，在脉冲磁场作用下 Al ₃ Fe相会受到一个指向试样表面的电磁斥力而发 生迁移。磁感应强度越大，电磁斥力越大，Al ₃ Fe相 的迁移作用越强。

2.3 合金硬度

     未处理的合金硬度偏低，为28.54HB。仅钪、锆 变质处理后合金的硬度为49.52HB。仅脉冲磁场 (100V，5Hz)处理后，合金的布氏硬度为25.78HB。 而经钪、锆变质+脉冲磁场复合处理后合金的硬度分 别为44.84，49.92，49.56，48.34，49.56，53.92HB。

     未处理时，Al ₃ Fe相在基体中呈粗大的长针状 分布，严重割裂基体，降低了合金的力学性能，因此 合金硬度偏低。仅加入合金元素变质处理后， Al ₃ Fe相变为短棒状，得到明显细化，因此合金硬度 明显提高。只进行脉冲磁场处理时，虽然此时的 Al ₃ Fe相比未处理合金发生细化，但其形状仍为短 针状，另外，施加脉冲磁场可能产生氧化、吸气和夹 杂等问题，对合金的力学性能造成不利影响，故 脉冲磁场对合金的布氏硬度影响不大。因此，变质 +脉冲磁场复合处理合金的布氏硬度与仅变质处理 合金的布氏硬度相差不大。

      由图6可以看出，变质+脉冲磁场复合处理试 验合金的硬度随着脉冲电压的升高先降低后提高再 略微下降，经脉冲磁场电压为200，300V的复合处 理后，Al ₃ Fe相有所细化，合金的布氏硬度提高，但 硬度与只经变质处理的试样相差不大。随着脉冲频 率的增加，合金硬度先降低后升高，当频率为2.5Hz 时达到最低。当频率提高为5，10Hz时，随着脉冲 磁场频率的提高，Al ₃ Fe相被细化的程度不断加大， 因此合金的布氏硬度也不断升高。经电压为100 V、频率为5Hz的脉冲磁场复合处理后，Al ₃ Fe相 在边部区聚集长大，导致试样边部区的硬度相比于 只经变质处理的有所下降，且试样边部区的硬度小 于试样中心区的硬度，经测试合金铸锭边部区和中 心区的硬度分别为44.84，49.12HB。

3、结 论✦

     (1) 仅经钪、锆变质处理，仅经脉冲磁场(100V， 5Hz)处理以及二者复合处理均可以有效细化Al- 3Fe合金的凝固组织，其中钪、锆变质+脉冲磁场复 合处理细化效果最好，Al ₃ Fe相由粗大的长针状变 为细小的短棒状或短针状。仅钪、锆变质处理与钪、 锆变质+电磁脉冲复合处理后，合金的布氏硬度均 明显提高。

     (2) 在脉冲磁场电压为0~300V范围内的复 合处理下，合金的Al ₃ Fe相长度随着电压的增加先 增大后减小，当电压为100V时达到最大，硬度先低 后升高；在脉冲磁场频率为0~10Hz范围内的复合 处理下，合金的Al ₃ Fe相长度随着频率的增加逐渐 减小，硬度先降低后升高。

     (3) 当脉冲电压为100V时，Al ₃ Fe相聚集在 试样边部区，且试样心部区硬度高于边部区硬度。