富铁相在镁合金熔体中的沉淀行为与演变机制研究

发布时间：2017-08-30 22:35

  本文关键词：富铁相在镁合金熔体中的沉淀行为与演变机制研究

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【摘要】：铝及铝合金中的杂质Fe元素对材料性能危害极大,且难以高效率、低成本地去除,这很大程度上限制了铝资源的循环再生,造成了极大的浪费。目前的除铁方法,如过滤、离心、电磁等在实际生产中均有一定的应用局限性。有鉴于此,本文提出了一种高含Fe量Al-Si合金铁铝分离及再生的新方法。首先,将Al-Si-Fe合金加入到纯镁熔体中,利用自然沉降法把密度较大、熔点较高的富铁相沉淀到熔体底部；然后,将含Fe量极少的Mg-Al-Si合金与富铁沉淀层分离,实现了利用镁熔体来除铁的目的。本文研究了不同工艺条件下镁合金中富铁相的相组成、组织形貌和沉淀规律,揭示了富铁相在镁熔体中凝固过程中的析出行为与演变机制,基于动力学与XRD半定量物相分析建立了富铁颗粒自然沉降模型,基于Pandat软件的热力学分析模拟了Mg-Al-Si-Fe四元合金的凝固路径及相关相图。本文的主要研究内容如下：(1)研究了将高含Fe量Al-Si合金加入到镁熔体中的Al-Fe分离规律。当Al-14Si-4Fe合金的添加量为4wt.%时,在适当的工艺条件下,合金底部可以生成体积分数约为2.0%的富铁沉淀层,上部为含Fe量极少的Mg-Al-Si合金。其中,底部沉淀层中的富铁相以Al5Fe2和Al0.7Fe3Si0.3相为主。当Al-14Si-4Fe合金的添加量提高至9wt.%时,底部沉淀层的体积分数取决于熔体保温温度、静置时间的共同作用；为获得最佳的沉淀效果,镁熔体在720℃时保温45min,此时的体积分数约为3.4%。(2)利用控制变量法研究了镁熔体成分、保温温度、冷却速度对沉淀层中富铁相微观组织及形貌的影响。当镁熔体中初始Fe含量为0.36wt.%(名义含量,下同)时,沉淀层中富铁相随Si含量的增加先后出现块状Al5Fe2相和Al0.7Fe3Si0.3相。随着镁熔体的保温温度由650℃上升至800℃,沉淀层中先后出现针状Al13Fe4相、块状Al5Fe2和Al0.7Fe3Si0.3相。改变熔体冷速,空冷后的富铁相以块状Al5Fe2、Al0.7F3Si0.3相为主,炉冷后的富铁相以针状Al13Fe4相和块状Al5Fe2相为主。(3)基于动力学分析与XRD半定量物相分析建立了富铁颗粒自然沉降模型。在Mg-7.38Al-1.26Si-0.36Fe合金熔体中,当保温温度高于720℃时,富铁颗粒的密度较大(约4.98g·cm-3),沉降速度较快(约mm·min-1),静置30min时,底部可以形成较为集中的沉淀层,其体积分数约为6%；当熔体保温温度低于700℃时,富铁颗粒的密度较小(约3.96g·cm-3),沉降速度较慢(约1.10mm·min-1),静置30min时,底部不能形成较为集中的沉淀层其体积分数约为34%。(4)基于Pandat计算软件的热力学分析模拟了Mg-Al-Si-Fe四元合金的凝固路径和计算相图。在Mg-7.38Al-1.26Si-0.36Fe合金熔体中,750℃保温时开始析出Al0.7Fe3Si0.3相,在冷凝过程中,该相会依次演变为过渡的Al2Fe相和稳定的Al5Fe2相。在平衡相图中,低温的熔体还会析出少量的Al13Fea相。在Mg1.26Si0.36Fe-xAl合金的变温纵截面计算相图中,随着A1含量的增加,Al0.7Fe3Si0.3相临界相变温度也会增加,两者基本呈线性变化的规律。
【关键词】：镁合金 Al-Si合金 富铁相 演变行为 除铁
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG292
【目录】：

• 摘要8-10
• ABSTRACT10-13
• 第1章 绪论13-29
• 1.1 引言13-14
• 1.2 铝合金回收再利用的研究现状14-19
• 1.2.1 铝合金中铁元素的来源及危害14-16
• 1.2.2 Al-Si合金中常见的除铁方法16-18
• 1.2.3 高含Fe量铝合金回收再利用的特点18-19
• 1.3 镁合金中富铁相的研究现状19-23
• 1.3.1 Fe元素在镁合金中的存在形式及影响19-21
• 1.3.2 Si对镁合金中富铁相析出的作用21-22
• 1.3.3 Mg-Al系中间合金的特点与应用22-23
• 1.4 本文选题意义及研究内容23
• 参考文献23-29
• 第2章 试验材料与研究方法29-33
• 2.1 引言29
• 2.2 研究方案与技术路线29-30
• 2.3 试验材料与试验方法30
• 2.3.1 试验材料30
• 2.3.2 试验设备与辅助工具30
• 2.3.3 试验方法30
• 2.4 试样的制备与分析30-33
• 2.4.1 试样的制备30-31
• 2.4.2 试样分析仪器与软件31-33
• 第3章 富铁相在镁熔体中的沉降规律33-45
• 3.1 引言33
• 3.2 Al-Si合金的物相组成及微观组织33-35
• 3.3 Fe元素在镁熔体中的存在形式与分离行为35-37
• 3.3.1 Fe元素在镁熔体上部的存在形式及含量35-36
• 3.3.2 富铁相的成分及微观形貌36-37
• 3.4 不同工艺条件下富铁相的沉降规律37-40
• 3.4.1 保温温度对沉降规律的影响37-39
• 3.4.2 静置时间对沉降规律的影响39-40
• 3.5 RIR法半定量分析沉淀物的相组成40-43
• 3.5.1 RIR法半定量分析的依据40-41
• 3.5.2 镁熔体底部沉淀物的相组成41-43
• 3.6 本章小结43
• 参考文献43-45
• 第4章 富铁相在镁熔体中的演变机制45-61
• 4.1 引言45
• 4.2 不同工艺条件下富铁颗粒的相组成与微观形貌45-49
• 4.2.1 合金成分对富铁相的影响45-47
• 4.2.2 保温温度对富铁相的影响47-48
• 4.2.3 冷却速度对富铁相的影响48-49
• 4.3 富铁相沉降的动力学分析49-52
• 4.3.1 模型的建立与参数选择50-51
• 4.3.2 富铁相沉淀模型分析与讨论51-52
• 4.4 Mg-Al-Si-Fe合金相图及富铁相的热力学分析52-56
• 4.4.1 Pandat计算软件的基本介绍52-53
• 4.4.2 热力学计算的结果与分析53-56
• 4.5 富铁相在镁合金熔体中的演变机制及其应用56-58
• 4.6 本章小结58-59
• 参考文献59-61
• 第5章 结论61-63
• 致谢63-65
• 附录65-67
• 附录(Ⅰ) 发表论文65
• 附录(Ⅱ) 申请专利65
• 附录(Ⅲ) 参加学术会议65
• 附录(Ⅳ) 参与科研项目65
• 附录(Ⅴ) 所获奖励65-67
• 学位论文评阅及答辩情况表67

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本文编号：761880