Zr含量对工业纯铝组织及性能的影响

Zr作为能有效提高铝合金综合性能的元素，已成为许多铝合金中必不可少的微量添加元素.微量Zr元素在铝合金中有多种存在形式，而不同存在形式的Zr元素对铝合金的作用不同.熔铸过程向铝合金中添加Zr元素是制备含Zr铝合金的第1步，这个过程中形成的Zr元素不同存在形式可通过遗传效应直接影响后续变形热处理过程中铝合金内Zr元素的存在形式，进而影响铝合金性能.因此，控制熔铸过程中Zr元素在铝合金中的存在形式可更有效地发挥Zr元素在铝合金中的作用.相关文献表明[1-9]，微量Zr元素在铝合金凝固过程中可形成3种不同的存在形式，即以间隙原子的形式固溶到铝基体中的固溶态，粗大的初生稳态(D023)Al3Zr相和初生亚稳态(L12)Al3Zr相.Zr元素含量以及熔铸条件如何影响Zr元素在铝基体中的存在形式，以及这些不同存在形式的Zr元素对铝合金凝固组织及性能的影响如何尚待系统研究.由于凝固过程中铝基体中形成的Al3Zr相数量少、尺寸小，用金相法直接表征存在一定困难，而通过对宏观属性的表征可以间接判定Zr元素在铝合金中的存在形式.根据相关理论及文献报道[10]，随着Zr元素在铝基体中固溶量的增加，合金的电导率将下降，而硬度在固溶强化的作用下增加，而以初生Al3Zr形式存在的Zr元素则对电导率影响有限，这为判定Zr元素在铝基体中的固溶量提供了依据，也可间接判定形成Al3Zr相的多少.

本文利用金相分析、导电性及硬度测试的方法重点分析一定凝固条件下不同Zr含量工业纯铝中Zr元素的存在形式，以及Zr元素存在形式对工业纯铝组织性能的影响.

实验装置主要包括中频感应炉和铜模.铜模由紫铜制成，其形状和尺寸如图 1所示.实验材料为质量分数99.7%的工业纯铝和Al-5%Zr中间合金.先将工业纯铝放入中频感应炉中进行熔化，待铝加热到760 ℃，加入一定量的Al-5%Zr中间合金.调整中频感应炉电压，使铝液在780 ℃保温10 min后，用石墨棒对熔体进行充分搅拌.用压罩将一定量的六氯乙烷压入到熔体中进行除气，待除气完成后拔去铝液表面的浮渣.将铝液的温度升至800 ℃，浇铸到铜模中进行冷却.通过改变Zr元素的加入量获得不同Zr含量的工业纯铝铸锭，工业纯铝中Zr质量分数分别为0、0.1%、0.2%、0.3%.

为了确定铜模的冷却速率，用16通道测温仪(HIOKI公司)对铸造过程中的铜模进行了测温，K型线偶测温位置如图 1所示，位于铸模的中心距底部20 cm处，测温仪数据采集间隔为0.01 s.

用英国牛津仪器公司生产的落地式全谱直读光谱仪对不同试样进行光谱分析，确定各试样中Zr元素的质量分数.将不同铸锭在距铸锭底部2 cm处抛开，磨光后进行电导率和硬度测量.硬度测量采用452-SVD型自动转塔数显维氏硬度计，加载质量为3 kg，加载时间15 s，每个试样测试3个点，取其算术平均值.采用FISCHER公司生产的Sigmascope SMP10型电导仪进行电导率测量，分别在待测试样的不同位置测量3次，取其平均值作为试样电导率.将试样磨光后用王水(V(HNO3)/V(HCl)=1/3) 在室温下进行宏观腐蚀，用数码相机照相.采用德国莱卡公司的Leica 5000M型显微镜和日本岛津公司的SSX-550扫描电子显微镜，对不同试样进行微观组织观察，并用EDS分析微观组织中的相组成.

工业纯铝在铜模中的冷却曲线如图 2所示，可以看出，当温度升至800 ℃附近后迅速降低，在660 ℃附近出现了一个温度平台，该平台为铝合金的固相线温度，经计算在660 ℃之上铜模的却速率约为35 ℃/s.

各试样的光谱分析结果如表 1所示，可以看出，Zr元素的实测含量与加入含量基本一致.