一种使用稀土元素消除高硅铝硅合金表面熔坑的方法与流程

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消除高硅铝硅合金表面熔坑的方法。

背景技术：

所谓熔坑是金属材料经过脉冲电子束轰击后，表面形成了一种中心凹陷类似火山坑状的“熔孔”及环形山似的结构。这种形貌增加了材料表面的粗糙度，容易导致抗疲劳性能、耐磨和耐腐蚀性能的急剧恶化。熔坑结构的存在不利于材料表面性能的改善，该组织结构极易在材料的第二相，气孔，微裂纹等位置处形成。

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，准晶，非晶等亚稳态结构，这些结构的产生提高了材料表面的物理和化学性能。

尽管如此，电子束处理后产生的表面熔坑结构，极大地恶化了合金的耐腐蚀性能，这也是阻碍强流脉冲电子束表面改性技术发展的一项难题；尽管国内外研究者致力于这一方面的研究，至今收效甚微；因此，需要另外寻求一种新的途径来解决上述问题。

技术实现要素：

针对现有高硅铝硅合金制备技术存在的上述问题，本发明提供一种使用稀土元素消除高硅铝硅合金表面熔坑的方法，向铝硅合金中加入稀土元素Pr，通过电子束加热处理铝硅合金表面，消除了合金表面的熔坑结构，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。

本发明的方法按以下步骤进行：

（1）在氩气保护下在高温电阻炉内熔炼合金，熔炼温度为760~800℃，将熔炼合金液浇注到铸铁模具内，得到含镨的高硅铝硅合金铸锭，其成分按照重量百分比为Si 20±0.1%，Pr 1~2%，余量为Al；

（2）利用线切割在铸锭上切出断面，然后对断面进行机械抛光和研磨至表面光亮，再用有机溶剂清洗干净，获得试样；

（3）将试样置于真空度≤6×10^-3Pa条件下，对其表面进行强流脉冲电子束处理，加速电压为20~25KV，脉冲次数为25次，能量密度为2~4J/cm²，获得含稀土的高硅铝硅合金。

上述的有机溶剂为乙醇或丙酮。

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和消除微裂纹或针孔，有效地改善了材料表面性能；铝硅合金是一种重要的铝合金，它拥有很高的流动性和低的收缩率，特别是高硅铝硅合金（Si的含量不小于20%）还具有很高的耐磨性，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；高硅铝硅合金组织由针状的共晶硅，铝基体以及粗大的初生硅（其尺寸通常大于100μm以上）组成；强流脉冲电子束处理容易使高硅铝硅合金组织中初生硅相产生大尺寸的熔坑结构，同时伴有微裂纹形成，极大的恶化了合金的表面性能，这在一定程度上限制了铝硅合金的应用范围；向高硅铝硅合金中添加稀土镨是一种消除电子束产生的熔坑结构的有效手段，具有简便易行，工艺简单等优点。

本发明通过在高硅铝硅合金中添加少量稀土元素镨，细化了原始组织中的初生硅相，然后对含镨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过程，最终使得合金表面各个元素分布均匀尤其是稀土Pr元素更加均匀，消除了合金表面的熔坑结构，显著提高了铝硅合金表面的耐腐蚀性，并且电子束表面改性工艺是在6×10^-3Pa以下的真空条件下进行，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，含稀土合金表面的熔坑明显消失，这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为本发明实施例1中强流脉冲电子束处理前未添加稀土Pr的试样表面SEM形貌图；

图2为本发明实施例1中强流脉冲电子束处理后未添加稀土Pr的试样表面SEM形貌图；

图3为本发明实施例1中的试样表面SEM形貌图；

图4为本发明实施例1中的含稀土的高硅铝硅合金表面SEM形貌图；

图5为本发明实施例1中的含稀土的高硅铝硅合金中稀土Pr的区域分布图；

图6为本发明实施例2中强流脉冲电子束处理前未添加稀土Pr的试样表面SEM形貌图；

图7为本发明实施例2中强流脉冲电子束处理后未添加稀土Pr的试样表面SEM形貌图；

图8为本发明实施例2中的试样表面SEM形貌图；

图9为本发明实施例2中的含稀土的高硅铝硅合金表面SEM形貌图。

具体实施方式

本发明实施例中强流脉冲电子束处理采用的设备型号为MMLAB-HOPE-Ⅰ。

本发明实施例中强流脉冲电子束处理时的束斑直径为30mm，脉冲宽度为0.5~5μs，脉冲间隔为30s。

实施例1

在氩气保护下在高温电阻炉内熔炼合金，熔炼温度为760℃，将熔炼合金液浇注到铸铁模具内，得到含镨的高硅铝硅合金铸锭，其成分按照重量百分比为Si 20±0.1%，Pr 1%，余量为Al；

利用线切割在铸锭上切出断面，然后对断面进行机械抛光和研磨至表面光亮，再用乙醇清洗干净，获得试样；

将试样置于真空度≤6×10^-3Pa条件下，对其表面进行强流脉冲电子束处理，加速电压为20KV，脉冲次数为25次，能量密度为2J/cm²，获得含稀土的高硅铝硅合金；

试样表面SEM形貌如图3所示，含稀土的高硅铝硅合金表面SEM形貌如图4所示，稀土Pr的区域分布如图5所示；

对试样进行电化学性能测试，腐蚀介质为3.5wt%NaCl溶液，测得强流脉冲电子束处理前的试样的腐蚀电流密度为1.239×10^-6μA/cm²，强流脉冲电子束处理后的试样的腐蚀电流密度为1.485×10^-8μA/cm²；

按上述方法，在不添加稀土的条件下进行对比试验，获得的对比试样表面SEM形貌如图1所示，强流脉冲电子束处理后表面SEM形貌如图2所示；

对对比试样进行电化学性能测试，腐蚀介质为3.5wt%NaCl溶液，测得强流脉冲电子束处理前的试样的腐蚀电流密度为8.265×10^-7μA/cm²，强流脉冲电子束处理后的试样的腐蚀电流密度为3.835×10^-6μA/cm²；

由图可见，未添加稀土Pr时，强流脉冲电子束处理后合金表面凹凸不平，有大量的熔坑产生，并伴有微裂纹形成，严重影响合金表面的耐腐蚀性能；而添加稀土Pr后，25次脉冲处理后合金表面变得平坦，熔坑消失，显示合金表面性能得到明显改善； 强流脉冲电子束处理后合金表面稀土Pr呈现均匀分布，使得稀土Pr充分发挥了消除熔坑的作用，从而改善了合金的表面性能。

实施例2

在氩气保护下在高温电阻炉内熔炼合金，熔炼温度为800℃，将熔炼合金液浇注到铸铁模具内，得到含镨的高硅铝硅合金铸锭，其成分按照重量百分比为Si 20±0.1%，Pr 2%，余量为Al；

利用线切割在铸锭上切出断面，然后对断面进行机械抛光和研磨至表面光亮，再用丙酮清洗干净，获得试样；

将试样置于真空度≤6×10^-3Pa条件下，对其表面进行强流脉冲电子束处理，加速电压为25KV，脉冲次数为25次，能量密度为4J/cm²，获得含稀土的高硅铝硅合金；

试样表面SEM形貌如图6所示，含稀土的高硅铝硅合金表面SEM形貌如图7所示；

对试样进行电化学性能测试，腐蚀介质为3.5wt%NaCl溶液，测得强流脉冲电子束处理前的试样的腐蚀电流密度为5.226×10^-6μA/cm²，强流脉冲电子束处理后的试样的腐蚀电流密度为4.478×10^-8μA/cm²；

按上述方法，在不添加稀土的条件下进行对比试验，获得的对比试样表面SEM形貌如图8所示，强流脉冲电子束处理后表面SEM形貌如图9所示；

对对比试样进行电化学性能测试，腐蚀介质为3.5wt%NaCl溶液，测得强流脉冲电子束处理前的试样的腐蚀电流密度为9.345×10^-7μA/cm²，强流脉冲电子束处理后的试样的腐蚀电流密度为3.445×10^-6μA/cm²；

由图可见，未添加稀土Pr时，脉冲处理后合金表面凹凸不平，有大量的熔坑产生，并伴有微裂纹形成，严重影响合金表面的耐腐蚀性能；而添加稀土Pr后，脉冲处理后合金表面变得平坦，熔坑消失，显示合金表面性能得到明显改善；

对于未添加稀土Pr的试样，电子束处理后腐蚀电流密度较原始样品增加了1个数量级；而对于添加稀土Pr的试样，电子束处理后腐蚀电流密度较原始样品明显降低，降低了2个数量级，证明由于熔坑的消除电子束处理后材料表面耐腐蚀性显著提高。

实施例3

在氩气保护下在高温电阻炉内熔炼合金，熔炼温度为780℃，将熔炼合金液浇注到铸铁模具内，得到含镨的高硅铝硅合金铸锭，其成分按照重量百分比为Si 20±0.1%，Pr 1.6%，余量为Al；

利用线切割在铸锭上切出断面，然后对断面进行机械抛光和研磨至表面光亮，再用丙酮清洗干净，获得试样；

将试样置于真空度≤6×10^-3Pa条件下，对其表面进行强流脉冲电子束处理，加速电压为22KV，脉冲次数为25次，能量密度为3J/cm²，获得含稀土的高硅铝硅合金。