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外场对铝硅合金富铁相形成及半连铸铸坯组织的影响

张宇博  
【摘要】:铝硅合金因为具有流动性好、耐磨性好、强度高、热膨胀系数小等优点被广泛应用于航天航空、汽车交通和工业生产中。然而在铝硅合金的生产过程中存在铸坯凝固组织及第二相粗大、铁元素易混入熔体中生成有害富铁相等问题,严重制约了优质铝硅合金的制备和发展。工业上常通过添加Al-Ti-B细化剂的方法细化铝合金基体,使用Sr等变质剂细化Si相,利用Mn等中和元素改善富铁相形貌,这不仅增加了合金的生产步骤,还伴随有细化相颗粒易团聚、细化相易“中毒”失效、改变原有合金成分等问题。使用物理外场处理铝硅合金则可以有效避免这些问题,目前电磁场、超声场等外场在材料加工领域得到了广泛的研究和应用,在凝固过程中施加物理外场可以显著改善合金的凝固组织和力学性能。 本文以改善铝硅合金半连续铸坯凝固组织和性能以及有害富铁相形貌为目的,使用超声场处理含铁量2%的工业纯铝及Al-12%Si合金,利用超声在熔体中传播产生的一系列物理效应,改善铝合金中有害富铁相的形貌,减小富铁相的有害影响。并使用超声场和电磁场组成复合场施加在Al-8%Si合金的模铸和半连续铸造过程中,将超声空化的细化作用和电磁场产生的强制对流作用结合,制备组织均匀细小的铸锭,并大幅提升铸锭的力学性能。 论文的研究结果表明: 1、超声场处理可以有效细化Al-2%Fe合金中的初生Al3Fe相和Al-Al3Fe共晶相。在超声场作用下,初生Al3Fe相由粗大针片状变为细小块状,平均长度由160μm降至20μm,长宽比由15降至2;共晶Al3Fe相平均长度由30μm降至8μm,长宽比由16降至4。超声场处理配合快速冷却使凝固组织中初生相消失,凝固组织变为细小的Al-Al6Fe共晶组织。超声空化效应可以在熔体中产生深度过冷,极大地促进了Al3Fe相的形核过程,增加形核率,从而细化初生Al3Fe相和Al-Al3Fe共晶相。 2、超声场处理Al-12%Si-2%Fe合金可以有效改善针状β-Al9Si2Fe2相的形貌。660℃以上施加超声场,超声空化效应促进亚稳态α-Al12Si2Fe3相的形核和生长,因此抑制了包晶反应L+α→(Al)+β的发生,凝固组织中字母状α-Al12Si2Fe3相取代针状(3-Al9Si2Fe2相,富铁相平均尺寸由400μm降至90μm;配合快速冷却可以使β-Al9Si2Fe2相转变为多边形状α-Al12Si2Fe3相,平均尺寸降至10μm。640℃随合金凝固施加超声场,空化泡闭合瞬间产生的冲击波可以打碎生长中的β-Al9Si2Fe2相,其平均长度由400μm降至60gm。 3、在Al-8%Si合金模铸凝固过程中使用旋转磁场和超声场组成的复合场可以有效细化铸锭的凝固组织中的α-A1和共晶Si。单一施加旋转磁场或超声场时,通过增大磁场强度或增加超声处理时间都可以增加细化效果。但超声场的作用范围较小,制备的铸锭凝固组织不均匀,工具头附近细化效果最好;旋转磁场的细化效果没有超声场明显,且磁场强度增加会引起熔体剧烈搅动。使用复合场时,旋转磁场产生的强制对流扩大了超声场的作用范围,超声场的空化形核作用增强了旋转磁场的细化效果,整个铸锭范围内得到均匀细小的等轴晶组织。 4、在铝硅合金半连续铸造过程中分别施加中频磁场和超声场。施加单一超声场时,受超声场作用范围所限,铸锭径向各部分组织不均匀,铸锭心部为细小的等轴晶,平均晶粒尺寸为70gm,抗拉强度和延伸率均大幅提高;铸锭外围的凝固组织为粗大的树枝晶,平均晶粒尺寸为1200μtm。单一施加中频磁场时制备的铸锭各部分组织均匀,输入电流为100A时,铸锭各部分的平均晶粒尺寸由1200μm降至600μm,抗拉强度由180MPa增至200MPa,延伸率11%增至14%,且细化效果随电流增大而增加。中频磁场可以在铸锭液相区引起强制对流,利于提高铸锭表面质量和细化内部组织。 5、在Al-8%Si半连续铸造过程中施加复合场成功制备了直径160mm的圆坯,铸锭的平均晶粒尺寸为由1200μm降为150μm,共晶硅由粗大针片状变为细小块状,铸锭抗拉强度为提高16.9%,延伸率提高37.2%。超声场的空化作用在金属熔体内产生大量晶核,并被中频磁场引起的强制对流和超声声流传递到整个熔体中,在晶粒长大过程中,中频磁场产生的强制对流还可以引起树枝晶在枝晶臂发生重熔或熔断。在超声场和电磁场的共同作用下制备了具有均匀细小组织和优良力学性能的铸坯。


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