生物碳质

生物碳质（精选4篇）

生物碳质 篇1

生物碳质是生物在缺氧情况下发生燃烧或者热解产生的含碳物质, 还包括炭化组分和非炭化部分, 来源广泛, 并在土壤等环境中广泛积累。由此, 主要讨论环境黑碳的结构特征和吸附性能, 对其在有机污染物治理方面的发展潜力进行讨论。

1 环境黑碳

黑碳是生物质和化石燃料等不完全燃烧产生的含碳颗粒, 其中包含多种不同的生物和化学特性物质, 有微焦化植物体、焦炭、木炭和石墨碳及烟灰颗粒物等, 颗粒小的黑碳会和大气形成气凝胶经大气循环最终进入水体和冰芯中[1]。黑碳最初是因为黑碳气凝胶造成的环境问题被人们关注的, 而后在海洋沉积物以及北极积雪中发现, 这是因为黑碳的难熔性, 并且成为了大火事件的指示物。在大气环境中, 黑碳是十分重要的成云晶核, 而最近的研究报告显示, 黑碳对多环芳香烃等有机污染物有着很强的吸附作用, 是有机污染物的超强吸附剂。土壤中黑碳对有机污染物的吸附作用逐渐吸引了环境化学工作者的视线。

1.1 土壤沉积物对有机污染物的吸附作用

有机污染物在土壤和沉积物中的吸附作用是环境化学和土壤化学的研究重点。过去, 研究人员认为土壤沉积物无极矿物质和有机质是表面吸附剂, 其吸附作用和比表面积有关[2]。之后一些学者把无机矿物质理解为溶剂, 而有机物的吸附作用和比表面积无关, 和土壤中有机质的含量有关, 并产生了分配理论和等温吸附线模型。

上式中Qe是吸附质在土壤、沉积物中的吸附量, Ce是吸附质在液相中的平衡浓度。十几年来, 大量实验中出现了很多非线性的吸附现象, 是不能使用上述线性模型解释的, 于是人们建立了非线性等温吸附的经验公式。

但是, 这种等温吸附曲线是假定吸附剂表面有机物只能形成单分子层并且表面全部占满饱和的情况下得到的, 和实际情况之间仍然存在较大差别。

研究人员开始提出各种理论解释非线性吸附模型, 很多研究人员把土壤沉积物中有机质理解为高度不均一的吸附剂, 并认为有机污染物宏观吸附是由一系列线性及非线性微观吸附组成的, 线性部分符合分配机理, 而非线性部分则和表面吸附有关。

1.2 黑碳对有机污染物的吸附作用

生物质或者化学燃料在自然环境中广泛存在, 被认为是有机污染物的超强吸附剂, 对环境有机污染物的迁移和生物有效性有重要影响。相对于其他土壤有机质, 黑碳有着更高的稳定性和更大的比表面积, 因而有着很大的吸附容量。相关文献表明, 有机污染物在土壤/沉积物中的分配特征差异很大, 沉积物中本身有着很高的天然有机质含量, 有着较高的芳香族组分, 因而有着更强的吸附能力, 燃烧小麦、水稻秸秆获得的有机污染物吸附能力是一般土壤的400~2 500倍[3]。在土壤中填加少量黑碳就能够显著提高土壤对有机污染物的吸附能力, 并且主要吸附能力都来自黑碳, 并认为, 底泥中有超强吸附能力的黑碳是导致环境中有机污染物含量上升的主要原因。

1.3 黑碳对土壤有机污染物生物有效性的影响

生物有效性表示化学物质被生物吸收的能力, 决定了化学物质毒性大小。黑碳颗粒的微孔纳米尺寸比一般微生物都小, 化合物进入到这些小孔中后就很慢再被生物利用, 降低了化学物质的生物有效性。黑碳本身有着高表面和疏水多孔的特点, 有机物很容易被吸附到其相对较硬的平面结构芳香烃表面, 或者吸附在黑碳内微小的纳米级小孔中。黑碳的存在可以理解成为有机物从沉积物中缓慢解吸的过程, 有机物被微生物降解很慢, 并且在有机体中的积累很低。

2 生物碳质对有机污染物的吸附作用

我国工业的大力发展获得了丰硕的经济成果, 但同时也付出了巨大的环境代价, 环境中有机物污染物含量上升, 对生态安全和人群健康带来了严重威胁。有机污染物的吸附作用是典型的环境化学行为, 对有机污染物在土壤和水环境中的迁移转化、生态效应和修复缓解都有着重要的意义。

环境中普遍存在的木炭、焦炭、烟灰等都对有机污染物有着超强吸附能力。生物碳质主要是生物质缺氧燃烧或热解产生的颗粒物, 生物质主要是森冷和农业秸秆等。松针就是典型的森林火灾易燃物, 森林火灾使之形成生物碳质在土壤中积累, 是森林黑碳的重要来源。在农村, 燃料结构发生了改变, 并且化肥逐渐代替了农家肥, 秸秆大量剩余, 往往就地焚烧, 形成了大量的烟灰进入大气形成了黑碳气溶胶, 固体残留进入土壤成为土壤中黑碳来源。这2种生物碳质的环境化学行为对有机污染物的吸附作用有着很高的研究价值。

2.1 炭化温度对生物碳质吸附机理的影响

水中污染物在介质上的吸附作用主要有分配作用和表面吸附作用, 分配作用主要是等温线性吸附曲线, 表面吸附是非线性曲线, 属于竞争吸附, 采用双模式能够解释水中污染物在黑碳中的吸附行为。一些学者对有机污染物在黑碳上的分配作用和表面吸附作用进行了定量分析, 认为随着炭化温度升高, 吸附剂的表面吸附作用贡献逐渐增加, 有机物浓度很低时表面吸附的贡献大于分配作用, 但高浓度时则分配作用贡献大于吸附作用。随着炭化温度的升高, 生物碳质的吸附机理逐渐从分配作用为主转变为表面吸附为主。

2.2 秸秆碳质对有机污染物的吸附作用

分解硝基苯在生物碳质上的等温吸附曲线为分配作用和表面吸附作用2部分, 高浓度范围内的等温吸附曲线进行线性回归, 则斜率为有机污染物在生物碳质上的分配作用大小, 截距则是饱和吸附量, 表明生物碳质的吸附机理主要为分配作用, 其他吸附作用几乎不存在, 而随着炭化温度升高, 分配作用逐渐弱化。热解温度在400℃以上时脂类分配相逐渐被去除, 分配作用逐渐弱化, 热解温度在700℃以上时, 吸附剂上的分配相被完全去除, 有机污染物可和吸附剂表面孔隙发生填充作用。

秸秆碳质分配系数和极性指数间存在着一定规律, 炭化温度逐渐升高, 分配作用逐渐增加, 和极性指数间的规律性变化原因和生物碳质分配介质和有机污染物匹配性、有效性有关。热解温度升高, 生物碳质极性逐渐减弱, 非极性逐渐增强, 有机物和生物碳质间更加匹配, 分配作用增强, 但是, 超过400 e后软碳逐渐转化成为硬碳, 降低了分配作用的有效性。

2.3 表面吸附作用和比表面积之间的关系

假设有机分子在吸附剂表面呈单分子层分布, 较低温度下炭化产物是无定形介质, 有着很高的极性, 表面吸附主要贡献来自有机分子极性, 尺寸影响不明显。硝基苯和间二硝基苯等极性分子的测量值高于预测, 表明这些进行分子和无定形吸附剂表面极性官能团间还存在着其他作用效果。硝基苯和硝基甲苯分子体积较小, 分子体积较大的有机物吸附量和实测值比理论值低, 这种限制性吸附受到可接近性微孔体积的影响, 而颗粒内表面积大小影响不明显。

2.4 机制调控

生物碳质组成和结构特性以及吸附性能和其制备条件关系密切。炭化温度是决定性的因素。研究一系列生物碳质对不同有机污染物的吸附作用, 能够获得生物碳质对浓度范围有机物最佳吸附能力所属炭化温度区间, 获得最佳吸附效果。700℃以上生物碳质炭化完全, 有着很高的比表面积和芳香性, 能够表现出很强的表面非线性吸附能力和低浓度范围内的吸附能力及低选择性, 用于处理低浓度有机污染物废水效果很好。

3 结语

通过上述讨论, 认为生物碳质对有机污染物有着超强吸附作用, 是土壤的400~2 500倍, 并且生物碳质制备方便, 性能稳定, 吸附后分解缓慢, 在有机污染物治理方面有着很大的应用潜力。

参考文献

[1]韩永明, 曹军骥.环境中的黑碳及其全球生物地球化学循环[J].海洋地质和第四纪地质, 2011, 25, 125-132.

[2]何跃, 张甘霖, 等.城市化过程中黑碳的土壤记录及其环境指示意义[J].环境科学, 2010, 28, 2369-2375.

[3]川许黎, 王亚强, 陈振林, 等.黑碳气溶胶研究进展[J].地球科学进展, 2011, 21, 352-360.

碳质耐火砖的应用广泛 篇2

由于碳质耐火砖的性质, 故被广泛应用于砌筑高炉炉底、炉缸。近年来使用范围不断扩大, 炉腹和炉身下部也开始采用碳砖。可提高高炉的连续作业时间, 延长使用寿命。

高炉炉缸用耐火材料性能的好坏是影响高炉寿命的关键因素之一。在高炉炉缸用耐火材料的发展中, 一是改进碳砖的性能、结构, 采用高热导、高纯度、微气孔的热压碳砖, 以克服由于碱侵蚀、碳沉积、铁水渗透等因素造成炉缸的毁损;二是采用新的炉缸材料。由法国Savoi公司开发的“陶瓷杯”技术, 近几年已在世界范围被接受和采用。“陶瓷杯”技术的显著特点是大大减少了铁水渗透引起的毁损, 减少热损失, 使易造成碳砖脆化的800℃等温层移至陶瓷杯砌层内, 消除了由于铁水温度提高和铁水流量加大而造成的出铁口区域的过早损毁, 从而提高了炉缸的寿命。

此外, 碳质耐火砖还广泛用于电化学工业、化学工业、石油化学工业、电镀工业、铁合金工业炉 (或设备的内衬) 、酸液、碱液槽衬和管路, 以及熔炼有色金属 (如铝、铅、锡等) 的炉衬。

论碳质灰岩地区找水定井位的方法 篇3

关键词：水文地质,调查,碳质灰岩,地下水

1 前言

淡水是经济社会可持续发展的重要战略资源,饮水安全与广大人民群众切身利益息息相关。随着工农业生产的飞速发展,自然环境的变化,尤其2010年广西、云南等大部分地区持续干旱,农村地区生产生活用水的安全性受到了严重的威胁。根据中央“十二五”解决农村饮水安全问题计划,广西国土资源厅开展了2013年“十二五”农村饮水安全工程找水打井工作,进一步扩大范围解决广西农村、城镇的安全饮水问题。

2 碳质灰岩地区的水文地质特征

2.1 广西灰岩地区的现状

广西是一个石灰岩分布甚广的省区,石灰岩分布面积达9.7万km2,约占全区总面积的40%,主要分布在桂西、桂西南、桂中、桂东北等地。石灰岩山区位于云贵高原与两广丘陵或广西盆地之间。在地形上是高原与丘陵、盆地间的过渡地带,也是我国二级阶梯与三级阶梯间的转换点;从地貌上看,大部分地区属峰丛洼地或峰林谷地。

石灰岩山区由于岩层裂隙多,洞穴多,漏水甚为严重,地面河流甚少,有些地区多形成服流,地下水埋藏一般很深,加之植被覆盖率低,水土流失严重,地面保水能力很差,干旱缺水也就成为严重问题。不少地方不说灌溉用水,就是人畜饮水也很难解决。干旱缺水在灰岩地区比较突出。

2.2 碳质灰岩定义

碳质灰岩属于灰岩的一种,为沉积岩。灰岩中常常含有数量不同的其他矿物,当炭质含量达到25%～50%时可定名为炭质灰岩。野外鉴别时可根据其层面是否含炭屑、煤屑或植物的根、茎、叶部化石来进一步确定。

2.3 碳质灰岩地区的水文地质特征

由于灰岩中含有碳质,决定了该类灰岩岩溶不会很发育,不会出现串珠状或具一定规模的岩溶,碳质灰岩地区地貌上多为山区或丘陵区。由于碳质灰岩中碳质含量及复杂的地质作用,导致其岩性与地质构造复杂,水文地质条件复杂,地下水以裂隙水为主,其分布特点具有明显无规律性、不均匀性和连通程度不一致性,而且地下水补给条件多变,径流条件复杂,这些特征决定了在碳质灰岩地区找水具有一定的特殊性。

3 水井定位方法

3.1 水文地质调查的基本方法

最基本的水文地质调查方法有6种:①水文地质测绘(填图);②水文地质勘探;③水文地质物探;④水文地质野外试验;⑤室内分析、测定、模拟试验;⑥地下水动态与均衡研究(地下水动态长期观测)。此外,还有同位素技术的应用、全球定位系统(GPS)的应用、遥感技术(RS)的应用、地理信息系统(GIS)的应用等。

(1)水文地质测绘。这是了解一个地区水文地质条件的第一步,也是全部水文地质工作的基础。按一定精度(比例尺)要求,对地质—水文地质现象进行野外观察、测量、描述,并将它们绘制成图件,总结出水文地质规律。也就是在了解地质条件的基础上,对地下水的形成条件、赋存状态与运动规律进行研究。

(2)水文地质勘探。使用一定的工程技术手段对地下水进行勘察,水文地质勘探包括钻探、物探、坑槽探,其中最重要的是钻探。

(3)水文地质物探。主要是配合地质钻探对钻孔内的水文地质状况进行精确探测。以严密的物理数学原理为基础,主要用于分析地下水的分布,判断地下水质量,探测岩溶洞,分析地层构造等。

(4)水文地质野外试验。为了取得水文地质参数或解决水文地质问题需进行水文地质试验(水量),包括抽水试验、注水或渗水试验、连通试验、弥散试验、流速及流向测定试验等。

(5)室内分析、测定、模拟试验。通过试验、室内分析测定地下水的水质、岩石的水理、力学性质、岩石的破坏及溶蚀机理、含水层的颗粒成分等。

(6)地下水动态与均衡研究(地下水动态长期观测)。对水位、水量、水质、水温等进行长期观测,以便对地下水的形成和变化规律、水质、水量、水位等进行正确的评价和预测。

3.2 水文地质调查内容

(1)区域的气象、水文条件调查:收集该区域的气象、水文资料,主要包括年均降水量、年均蒸发量、区域内大小河流的分布及季节变化等情况。了解区内地表水体分布、动态、补给、径流、排泄与地下水之间关系。在此基础上尽可能收集前人积累的调查资料。

(2)地形、地貌条件调查:利用1:50 000或更大比例的地形图,了解该区域的地形、地貌情况,尽量弄清楚分水岭的位置及地表河流的上游、下游大致情况,再进行实地调查和分析。在碳质灰岩地区,地下水的形成与分布与地形、地貌条件密切相关。调查中要对各种地貌单元形态特征进行观察、描述,分析各地貌单元的成因类型与地层构造及地下水之间的关系。

(3)地层岩性的调查:根据地下水赋存条件,对岩层的岩性、结构、层序组合进行调查研究;对岩石原生空隙的形成、特征、数量进行调查研究;对岩石的风化及构造裂隙形成规律进行调查研究;对风化及构造裂隙集中分布带进行调查研究。

(4)地质构造的调查:地质构造条件分析的目的在于确定可以存水的张性裂隙发育的构造部位,以及有利于地下水贮存的构造环境。良好的蓄水空间,有利的贮水环境,如果再加上有利的补水条件,就增加了地下水在某个构造部位中富集的可能性。对碳质灰岩地区构造的调查包括各种褶皱构造的分布特征、节理分布规律及其中含水层位的空间状态;对大、中、小型断裂构造进行分析,看其能否沟通构造破碎带及能否造成断层两侧或上、下含水层间的水力联系;对区内地下水形成其控制作用的构造复合部位进行调查;对不同类型岩层的接触带也要进行调查。在碳质灰岩地区,局部地下水的富集,不仅与大的构造形迹有关,而且经常与一些微小的构造形迹有关,因此应注意对微构造的调查,研究其对地下水富集的意义。

(5)水点的调查:对泉水调查的主要内容包括补给泉水的含水层及地下水类型;补给含水层所处的构造类型部位以及泉水出口处的构造特征;测量泉水的涌水量,调查泉水的动态特征;取样化验水质。对人工井孔的调查主要内容包括井孔所在点的地貌特征;被揭露含水层的构造特征及补、径、排规律;调查井孔的出水能力及动态规律。

3.3 通常水井定位方法

随着新技术的发展,物探方法找水技术迅速崛起,因其简便快捷、费用低廉而备受青睐。现在,物探方法可以解决许多水文地质问题,有些方法甚至可以直接用于寻找地下水源,为水井的定位提供依据。这类方法主要有激发极化衰减法、各种自然电场法、各种核技术找水方法等。

4 广西武鸣县某碳质灰岩地区找水实践

广西武鸣县某屯位于武鸣县的中部,为碳质灰岩地区,该屯西南面为碎屑岩山脉,东北面为岩溶丘陵地貌。收集的资料显示该区域为中等富水区。在该村屯附近做了联合剖面的物探工作,确定了两个井位(如图1所示),两个井位出裂隙多泥质充填,未发现地下水。

在两次失败的基础上,第三个井位的确定采用了水文地质调查和物探相结合的方法,详细调查了地形地貌和地质构造,结合物探分析,在该屯的东北侧定出井位,并成功找到地下水源,该井出水量为10t/h。

物探技术的影响因素较多,主要有高压电线、地下管线、地下通讯电缆、地表水体等,都会造成一些假的异常现象。另外,地形起伏多变、地层岩性复杂、产状变化较大等因素也会对曲线形态产生影响,增大解释难度。物探曲线自身的多解性及基岩区物探工作经验的多少都可导致不同的解释结果,给定井工作造成困难。因此,单纯依靠物探方法在碳质灰岩地区找水定井的成功率较低,水文地质调查和物探方法相结合可以大大提高水井定位的成功率。

5 结论

碳质灰岩地区地下水分布各向异性较大,单纯的物探方法在找水定井位的成功率较低,水文地质调查方法结合物探技术大大提高了找水定井位的成功率,通过该地区的找水工作得出以下结论。

(1)水文地质调查作为寻找地下水源的基础性工作,对碳质灰岩地区找水定井具有特别重要的意义。

(2)由于碳质灰岩地区的特殊性,给物探准确解释带来困难,单纯用物探方法找水定位成功率较低。

(3)重视水文地质调查工作,同时结合必要的物探工作,可以大大提高碳质灰岩地区定井成功率。

参考文献

[1]张云峰.基岩裂隙水地区找水经验浅谈[J].勘察科学技术,2004(3).

[2]白玉华.工程水文地质学[M].北京:中国水利水电出版社,2002

生物碳质 篇4

1 实验材料与方法

利用纯镁(99.98%,质量分数,下同)、纯铝(99.99%)和Al-15%Fe中间合金配制含0.1%Fe的Mg-3%Al合金。碳质孕育剂为石墨粉,实验前将镁粉、铝粉和石墨粉按5∶4∶1(质量比)均匀混合,并压制成薄片备用。将纯Mg,纯铝锭和Al-Fe中间合金按比例配料后放入高纯MgO坩埚熔化,熔化温度为750℃,熔化后人工搅拌保温15min,使熔体均质化。然后加入碳质剂颗粒并搅拌约1min,分别保温不同时间(2,5,10,20,30,60,120min)后搅拌出炉,将熔体倒入经500℃预热的钢制模具(20mm×25mm),凝固冷却后即得实验样品。采用RJ-2熔剂保护,保温过程中需不定期地适当搅拌合金熔体。沿距试样底面10mm处横截面切开铸锭,其中一部分试样进行400℃/8h均匀化退火以更清晰地显示晶界,主要用于晶粒组织观测。利用苦味酸酒精溶液腐蚀以显示晶界,并利用Leica DFC320金相显微镜观察并拍摄照片,采用ASTM E112-88截线法评价晶粒尺度。利用硝酸酒精溶液腐蚀铸态样品,采用EPMA-1600型电子显微探针观测碳质晶核组织特征,并进行元素分析。

2 实验结果

2.1 晶粒细化效果

图1所示为Mg-3%Al-0.1%Fe合金碳质孕育并经不同保温时间的金相组织。Mg-3%Al-0.1%Fe合金(图1(a))晶粒粗大(约550μm),而经碳质孕育处理并保温5min后,其晶粒明显细化(图1(b));当保温时间为20min时,晶粒尺度更小(图1(c));但是孕育处理并保温60min时,则发生明显的晶粒粗化(图1(d))。

图1 Mg-3%Al-0.1%Fe合金碳质孕育后经不同保温时间的金相组织(a)未孕育;(b)5min;(c)20min;(d)60min Fig.1 The microstructure of Mg-3%Al-0.1%Fe alloy holding for different time after carbon inoculation(a)without inoculation;(b)5min;(c)20min;(d)60min

图2所示为保温时间对合金碳质孕育后晶粒尺寸的影响。可以看出,孕育处理后保温2min时,未发生明显的晶粒细化,但随着保温时间的逐渐延长,晶粒尺度显著减小,到10min时细化至约200μm,而从10min到30min其晶粒尺度保持相对稳定。保温时间为20min时细化效果最佳。但是当保温时间继续延长并超过30min,开始出现孕育衰退现象。当保温时间达60min时合金晶粒尺寸甚至超过了未处理的合金,发生显著的孕育衰退。

2.2 碳质晶核结构观测与分析

经碳质孕育处理后保温5min时样品的EPMA观测与分析结果如图3所示。图3(a)为合金组织的背散射(BSE)照片,图3(a)中区域A以及粒子B,C,D的放大形貌如图3(b)所示。由图3可以看到在合金基体组织中分布着具有不同结构特点的颗粒相,在区域A中,由沿着直线E-F方向的线分析结果(图3(c))可知,两灰色颗粒存在Al,C,O和Fe原子的明显富集,且结合合金基体组织的面分析结果(图3(f))可以确定两灰色颗粒是Al-C-Fe颗粒。同时由区域A中粒子B的中心区域(图3(e))和边缘区域(图3(d))的EDS分析结果对比可知,粒子B中心区域的Fe含量要远远高于其边缘区域。可见,该Al-C-Fe颗粒应具有双相复合结构,即在Al-Fe或Al-C-Fe化合物表面包覆有一层Al-C-O相。此外,在该样品中还可以观测到尚未来得及参与反应的Al-Fe金属间化合物颗粒及其Al-C-O相,分别如图3(a)中的粒子C和D所示。

图3碳质孕育后保温5min样品的EPMA观测与分析(a)BSE电子像;(b)区域A及粒子B,C,D的放大像;(c)区域A中EF线上Mg,Al,C,O和Fe元素的EPMA分析;(d)图(b)中谱A的EDS分析;(e)图(b)中谱B的EDS分析;(f)图(b)中谱C的EDS分析Fig.3 EPMA analysis of the Mg-3%Al-0.1%Fe alloy holding 5min after inoculated by 0.2%C(a)backscattered electron image;(b)magnifications from the area A and particles B,C and D in BEI;(c)EPMA line analysis of Mg,Al,C,O and Fe elements on the line E-F drawn across particles in area A;(d)EDS result from spectrum A in fig.(b);(e)EDS result from spectrum B in fig.(b);(f)EDS result from spectrum C in fig.(b)

图4所示为经碳质孕育处理后保温20min的Mg-3%Al-0.1%Fe合金的EPMA观测与分析结果,其中图4(a)为BSE照片,图4(b)是图4(a)中区域A和B的放大形貌图。由图4(a)可见,颗粒A具有明显的双相复合结构,即中心细小白色颗粒被周围一种灰色相环绕而成,经EDS分析该白色颗粒富集Al,C和Fe元素,周围灰色相则富集Al,C和O元素。图4(b)所示的粒子B为Al-C-O粒子,未发现明显的Fe。值得注意的是,在合金基体上还可以观察到心部区域带有孔洞的粒子,如图4(b)区域B中的粒子,这种粒子的形貌和区域A中粒子A相似,也应具有双相复合结构,其孔洞可能是粒子中心白色颗粒相在试样制备过程中剥落所致。

图4碳质孕育后保温20min样品的EPMA观测(a)BSE电子像;(b)区域A,B的放大像Fig.4 EPMA analysis of the Mg-3%Al-0.1%Fe alloy holding for20min after inoculated by 0.2%C(a)backscattered electron image;(b)magnifications from the areas A and B

图5所示为经碳质孕育处理后保温60min的Mg-3%Al-0.1%Fe合金的EPMA观测与分析结果,合金组织的BSE照片如图5(a)所示,可以看到合金基体组织上分布着少量的灰色颗粒相。经进一步放大,基体中还发现一些白色颗粒,这些白色粒子应为Al-Fe相,而灰色颗粒(图5(b)中A粒子)作EDS分析,结果表明是富含Al-C-Fe-O的化合物颗粒。

图5碳质孕育保温60min样品的EPMA观测与分析(a)背散射电子像;(b)粒子A的放大像;(c)粒子A的EDS谱图Fig.5 EPMA analysis of the Mg-3%Al-0.1%Fe alloy holding for 60min after inoculated by 0.2%C(a)backscattered electron image;(b)magnifications image of particles A;(c)EDS spectrum measured from the particle A

3 分析和讨论

对于Mg-Al系合金碳质孕育机理,通常认为是碳原子与Al反应生成Al4C3作为α-Mg晶粒的有效形核物质[11,12,13,14];但因Al-C粒子易于水解,因此在大量的研究中均发现在碳质粒子观测与分析中均可检测到明显的O存在[9,24]。在图3和图4中所检测到的Al-C-O粒子均应为Al4C3粒子水解产生的,其中外侧包覆Al-C-O(Al4C3)的双相复合结构Al-C-Fe颗粒可作为初晶α-Mg的有效异质形核核心,从而细化合金晶粒。

对于合金熔体的孕育衰退,应有以下方面的因素影响:一是有效形核或变质物质随保温时间延长其含量逐渐减少;二是有效孕育晶核随保温时间延长其结构逐渐产生变化而失去形核能力,即晶核“毒化”;三是有效形核粒子与熔体间存在密度差异而逐渐下沉,导致有效形核颗粒的数量逐渐减少。以上最终都体现为孕育效果逐渐下降而产生孕育衰退。

在保温时间较短时,合金组织中主要发现了Al4C3粒子以及在Al-Fe或Al-C-Fe表面包覆有Al4C3粒子的双相Al-C-Fe颗粒。Al4C3粒子及双相Al-C-Fe颗粒可以作为初晶α-Mg的有效异质形核核心。随着保温时间的延长,Al4C3粒子及双相Al-C-Fe颗粒会逐渐向单相Al-C-Fe化合物颗粒转化,从Al-C-Fe三元系相图[25]可知,单相Al-C-Fe化合物颗粒最有可能为AlCFe3化合物,根据AlCFe3/α-Mg间的晶体学位向关系计算结果[26]可知,AlCFe3/α-Mg间不存在位向关系,单相AlCFe3化合物颗粒应不是初晶α-Mg的有效形核核心,从而使Al4C3粒子及双相Al-C-Fe颗粒失去形核能力,抑制碳质孕育细化效果,出现明显孕育衰退。

此外,在合金碳质孕育后保温过程中,有效形核粒子Al4C3及在Al-Fe或Al-C-Fe表面包覆有Al4C3的双相Al-C-Fe颗粒会逐渐发生聚集沉降,使有效形核粒子的数量及其比例下降,而有效形核粒子的聚集沉降速率和它们与镁合金熔体间的密度差值密切相关。Al4C3粒子的密度ρ=2.36g/cm3[27],双相Al-C-Fe颗粒由于引入了Fe而使其密度要比Al4C3粒子的要大,因此双相Al-C-Fe颗粒与镁合金熔体间的密度差要比Al4C3粒子与镁合金熔体间的要大,双相Al-C-Fe颗粒的聚集沉降速率要比Al4C3的要快,所以随着保温时间的延长,有效形核颗粒的数量逐渐减少,出现显著孕育衰退。

4 结论

(1)对含微量Fe(0.1%)的Mg-3Al合金进行碳质孕育处理,在孕育初期晶粒尺度随保温时间延长逐渐下降,产生显著的晶粒细化效果;较佳的孕育处理时间在10~30min之间;随着保温时间的延长,合金的晶粒显著粗化,Fe的存在加速了Mg-Al合金碳质孕育衰退。

(2)碳质孕育初期,有效形核粒子主要以Al4C3和Al4C3表层包覆有Al-(C)-Fe相的双相粒子为主,随保温时间延长有效形核粒子数量显著减少,导致晶粒粗化,产生孕育衰退。

摘要：对含微量Fe的Mg-3%Al合金进行碳质孕育处理,并调整保温时间,研究了保温时间对合金晶粒尺度和晶核组织特征的影响。结果表明:当保温时间在20min内时,合金组织中有效形核粒子主要以Al4C3和Al4C3表层包覆Al-(C)-Fe相的双相粒子为主,合金晶粒得到细化。但随保温时间进一步延长,因沉降聚集或结构变化使得有效形核粒子数量和比例逐渐下降,合金晶粒显著粗化,产生孕育衰退。