冷却速率对再生铝合金ADC12变质效果的影响

李 厅，上官元硕，章 凯，余 忠

（上饶师范学院江西省塑料制备成型重点实验室，江西上饶334001）

冷却速率对再生铝合金ADC12变质效果的影响

李 厅，上官元硕，章 凯，余 忠

（上饶师范学院江西省塑料制备成型重点实验室，江西上饶334001）

冷却速率能够影响再生铝合金ADC12铸件的微观结构，宏观上表现为影响铸件的性能。以锲形铸锭为试样，观察了未添加变质剂时，冷却速率变化对再生铝ADC12的显微组织结构影响情况。另外，分析了当添加了0.3（wt%）的镧铈混合稀土元素时，冷却速率对再生铝合金ADC12变质效果的影响。

冷却速率；再生铝合金；ADC12；变质；稀土

众所周知，地球上的矿产资源是有限的，如果保持现在的这个消耗水平，部分有色金属元素将很快被消耗殆尽，铝资源也是其中之一。因此，人们把目光由原铝生产转向各种废铝再生上来，其中最直接高效的途径就是将废旧铝器件回收利用。大规模生产高品质的再生铝无疑将降低原铝矿产资源的开采速度，减轻资源环境压力。相比用铝矿石来生产原铝，每生产1吨再生铝，约可以节省固体材料11吨，少排放二氧化碳0.8吨，少排放二氧化硫0.6吨，少产生赤泥1.5吨，同时还可节约95%的生产能耗，节约用水10.05吨［1］。实际上，我国生产再生铝所需的能量约占生产原铝所需能量的4.86%，温室气体的排放量是生产原铝的4.2%，节能减排效果非常显著［2］。因此，大力推进再生铝产业的发展，节约资源成本是符合科学发展观的。

近年来，中国再生铝及加工企业数量增加很快，已成为美国之后的世界第二大再生铝生产国［3～4］。然而，我国的再生铝生产、管理以及技术水平，仍然落后于一些发达国家，致使一些品质比较好的废铝材料，没有得到充分利用，从而造成资源和能源的极大浪费，同时也引起了环境污染。因此，对再生铝合金生产技术进行研究，生产出优质的再生铝合金，刻不容缓。

李道韫、雷广孝等人［5－8］，研究发现稀土元素对再生铝合金具有除杂变质，提高再生铝合金性能的效果。但是，大多数的研究人员在研究再生铝变质效果时，把重点放在了变质剂添加量，变质温度以及保温时间上，而针对冷却速率这个影响因子开展的研究不足［9］。因此，本文以再生铝合金ADC12为对象，以La－Ce－Al稀土铝中间合金为变质添加剂，讨论冷却速率对混合稀土元素变质效果的影响。

1 试验方法

1.1 稀土铝（La－Ce－Al）中间合金制备

通常情况下，稀土元素镧（La）和铈（Ce）在高温条件下容易氧化甚至烧损，因此，在用该元素做变质剂时，一般以制备成稀土元素的中间合金的形式加入［10］。本文将稀土元素制备成La－Ce－Al中间合金，以混合稀土铝合金为变质剂对再生铝合金ADC12变质。

制备该中间合金所需要的实验材料主要有稀土金属镧、铈以及纯铝，本实验采用的纯铝化学成分见表1，金属镧和铈的物理性能见表2。

表1 纯铝（99.6%）中其他元素含量

表2 金属镧和铈的物理性能

La－Ce－Al中间合金的制备在电阻炉中进行，以石墨坩埚为熔炼容器，将纯铝和稀土元素混合熔炼，把混合熔炼得到的合金液浇铸在铁制模具中，得到10La－8Ce－82Al中间合金变质剂，该变质剂的成分如表3所示。

表3 混合稀土元素铝合金成分表

1.2 锲形铸锭试样制备

根据铸件各个位置的壁厚不同，冷却速率不同的原理，研究不同冷却速率下，再生铝合金ADC12铸态组织，以及该中间合金对再生铝合金ADC12变质效果的影响。La－Ce－Al中间合金质量换算后稀土元素的添加量见表4。

表4 稀土元素的添加量

将再生ADC12合金放在实验用石墨坩埚中，然后放在大功率电阻炉中进行熔炼，待合金熔化后保温，再添加上一步制作好的稀土铝中间合金变质剂，进行变质处理，待变质处理完成后，将金属液浇铸到锲形金属模具中，得到图1所示的锲形铸件坯料。对坯料进行切割取样，得到如图2所示各个位置的铸件样品，将样品研磨抛光，腐蚀，制成金相试样，最后在金相显微镜上对试样组织进行观察拍照。其中锲形铸件的各个位置对应不同冷却速率，C处试样冷却速率最大，B处次之，A处冷却速率最小。

图1 锲形铸锭坯料

图2 锲形铸件坯料的取样示意图

2 实验结果与分析

2.1 冷却速率对再生铝合金ADC12铸态组织的影响

图3是混合稀土元素添加量为0的再生铝合金ADC12锲形铸锭A、B、C三处，不同放大倍数下金相组织照片。其中（a）和（b）为铸锭A处不同放大倍数的金相组织图片，（c）、（d）为铸锭B处不同放大倍数的金相组织图片，（e）、（f）为铸锭C处不同放大倍数的金相组织图片。在（a）、（b）图显示的锲形铸锭A处，首先，α－Al枝晶尺寸较大，分布不均匀，二次枝晶臂间距也较大；其次，初生晶相的数量比较多，几何尺寸也较大；并且，从显微照片看来，共晶硅是呈细长状，而且数量很多，其排列无序，未显示比较明显的方向性，在基体内的分布也不均匀。将冷却速率更小的铸锭中部B处金相组织纤维照片（c）和（d）与A处金相组织显微照片进行对比，发现在锲形铸锭的B位置，α－Al枝晶几何尺寸相对比较小，二次枝晶臂间距也相对比较小；并且片状初生硅相的几何尺寸和细长针状共晶硅的长度都在减小。锲形铸锭C处位置的冷却速率最大，从图3中（e）和（f）金相组织显微照片可知，该处位置的α－Al枝晶几何尺寸、二次枝晶臂间距大小、初生硅相几何尺寸以及针状共晶硅长度都呈现进一步减小的现象，而且对于多数细长针状的共晶硅，其几何形貌变成了短棒状。由此可知，随着冷却速率的增加，试样内部显微组织的几何尺寸和形貌都发生了变化。

图3 未添加混合稀土元素锲形铸锭各位置试样的显微组织（a，b）为A处；（c，d）为B处；（e，f）为C处

锲形铸锭各位置的金相显微组织产生这些差异的原因，主要是由于锲形铸锭不同壁厚处的凝固条件不同导致的，C处与A、B处相比较，C处距离铸型的型腔壁较近，凝固时金属液较少，周围环境温度较低，散热条件好，导致铸件形核过冷度和冷却速率都更大。这样，在铸锭凝固时，基体中α－Al枝晶和硅相都没有充分长大的条件。因此，从锲形铸锭的A处到C处，其α－Al枝晶尺寸、二次枝晶臂间距以及初生硅相几何尺寸和细长针状共晶硅的长度都在逐步减小，部分共晶硅甚至变成了短棒状。

2.2 冷却速率对混合稀土元素变质效果的影响

图4 添加了0.3%混合稀土元素的锲形铸锭各位置试样的显微组织（a，b）为A处；（c，d）为B处；（e，f）为C处

一些研究者认为，在添加了0.2%～0.4%的稀土元素时，铝合金的变质效果会比较理想［4－7］。图4为镧－铈混合稀土元素的添加量为0.3%的时候，再生铝合金ADC12锲形铸锭A、B和C处金相图片。图4（a）和（b）为铸锭A处的金相图片，对比图3（a）和（b）可知，在冷却速率较小时，混合稀土元素的添加对铸锭组织也有变质效果。变质后，晶粒更细小，二次枝晶臂间距变小，部分共晶硅相的形貌由原来的细长针状变成了短棒状，然而铝合金基体中还是存在一些细长针状的共晶硅相，变质不太彻底，效果不太理想。图4的（c）、（d）是合金铸锭B处的金相组织图片，此处位置的冷却速率比A处大，混合稀土元素对再生铝合金铸件的变质效果也较好。由这两幅金相图片可知，合金铸件的基体晶粒变得非常细小，并且大部分的共晶硅相都呈现出短棒状，且相比A处更短小，另外还有少部分共晶硅呈点状。图4中（e）和（f）是铸锭C处位置的金相组织图片，铸件在此处位置的冷却速率相对其他两处最大，混合稀土元素对再生铝合金ADC12的变质效果相比较而言最好。由这两幅图可知，首先，铸件基体的晶粒已经很细小，组织排列也很紧密，二次枝晶臂间距也相应变小；其次，共晶硅也相比较而言最短最小，均匀分布在基体中。综上所述，当再生铝合金ADC12铸件的冷却速率较大时，La－Ce混合稀土元素对铸件仍具有变质效果，而且，冷却速率越大，变质效果越强。

3 结论

（1）铸件壁厚不同，散热条件不同，冷却速率也就不同，从而导致铸件不同位置A、B和C三处微观组织亦不相同，冷却速率大小相差越大，试样微观组织的差异越大。试样的冷却速率增大，显微组织的α－Al枝晶几何尺寸、二次枝晶臂间距和片状初生硅相几何尺寸均减小；针状共晶硅长度减小，形貌由细长针状变成短棒状，甚至是点状。

（2）La－Ce混合稀土元素对再生铝合金ADC12具有变质效果，当再生铝合金ADC12铸件的冷却速率较大时，La－Ce混合稀土元素对铸件仍具有变质效果，而且，冷却速率越大，变质效果越强。

［1］宋善明.再生有色金属利用与节能［J］.世界有色金属，2006（3）：21－23.

［2］丁宁，高峰，王志宏，等.原铝与再生铝生产的能耗和温室气体排放对比［J］.中国有色金属学报，2012，22（10）：2908－2915.

［3］王祝堂.2015年以前世界原铝及再生铝产量的平均增长率［J］.轻合金加工技术，2009（11）：20.

［4］郭峰，袁孚胜.再生铝加工生产技术及发展方向［J］.有色冶金设计与研究，2015，36（1）：28－30.

［5］李道韫.稀土在铝合金中的去氢作用［J］.吉林工业大学学报，1986，8（1）：61－63.

［6］李道韫.稀土对铸铝合金中气孔形成的影响［J］.中国稀土学报，1987，5（4）：39－43.

［7］张密林，鲁化一，唐定骧.稀土在铝及其合金中的应用进展［J］.稀土，1988，8（5）：13，34－35.

［8］雷广孝.稀土在铝及铝合金中的作用和应用概况［J］.轻合金加工技术，1990（2）：5－10.

［9］赵建华，谭力.冷却速度对A356铝合金变质效果的影响［J］铸造设备与工艺，2009（6）：25－27.

［10］李厅.混合稀土变质再生铝合金ADC12的组织及性能研究［D］.南昌：南昌大学，2011：13－14.

Effect of Cooling Rate to theDeteriorationof RecycledADC12

Ll Ting，SHANGGUAN Yuan－shuo，ZHANG Kai，YU Zhong

（Shangrao Normal University，Jiangxi Province Key Laboratory of Polymer Preparation and Processing，Shangrao Jiangxi 334001，China）

Cooling rate can affect themicrostructure regeneration ofthe casting of ADC12alloy，and showing the macro performanceimpact of the casting.A wedge－shaped ingot as a sample observed when no added modifier，to discuss the affecting of cooling rate in recycled aluminum ADC12casting microstructure.When well mixed rare earth elements added in an amount of 0.3（wt%），the cooling rate in recycled aluminum ADC12modification effect.

cooling rate；recycled aluminum alloy；ADC12；modification；RE

TG146.21

A

1004－2237（2016）03－0055－04

10.3969／j.issn.1004－2237.2016.03.011

2015－12－22

2014年上饶师范学院校设课题（201404）

李厅（1985－），男，江西上饶人，助教，硕士，主要从事轻合金、高分子材料制备成型研究。E－mail：www＿liting＠sina.com