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外场对铝熔体异相粒子运动及其凝固行为影响研究

张忠涛  
【摘要】: 铝是用量仅次于钢铁的第二大金属材料,其具有密度小、比强度高、耐腐蚀、易于回收等优异的性能,在汽车、建筑、食品及包装、电力、交通基础设施、航空航天、机械、电子信息等部门的传统或新型产品的制造中,具有广泛的应用。但是,铝合金生产中主要存在着易于吸气、细小夹杂物不易去除的问题,严重阻碍了铝工业的发展,同时,铸坯的表面质量粗糙、合金元素偏析、凝固组织粗大等缺陷也使其不能满足现代工业对优质材料的需求。目前外场如电磁场、超声场在冶金及材料加工领域得到了一定的研究及应用,为制备洁净、高性能铝合金提供了良好的基础和契机。 本文以去除金属熔体中的气体和夹杂物粒子及细化金属液凝固组织、改善铸坯性能为目的。首先分别进行了电磁场、超声场作用下铝熔体中夹杂物和气体运动行为的研究,利用研究结果制备了组织和性能梯度分布的铝硅梯度材料,进而将超声场与旋转电磁场结合起来组成复合场对铝合金凝固行为进行研究,考察其对铸坯凝固过程、凝固组织、合金元素分布及力学性能的影响,并结合试验结果对复合场作用下金属凝固过程中形核及长大过程进行分析,对复合场下熔体形核和长大的机理提出了较为科学的理论解释。最后,开发了一种新型的复合场水平连铸工艺,并制备了表面和内部质量好、力学性能高的Al-1%Si合金线材。上述研究为电磁场和超声场技术应用到铝合金的实际生产中奠定了一定的试验和理论基础,相信随着复合场技术的推广和应用,生产洁净、高性能的铝合金材料将成为现实。 论文的研究结果表明: 1.利用高频磁场对铝合金中的氧化铝夹杂物进行分离,对于30-200μm的氧化铝颗粒施加表面磁感应强度为0.04T的磁场1s时,在熔体的边部就有明显的氧化铝颗粒偏聚层,分离时间大于3s时,在铝熔体内部已经很少有直径在30μm以上的氧化铝颗粒;当金属熔体表面磁感应强度为0.06T时,仅施加电磁场1 s即可对氧化铝颗粒实现有效的分离。 2.利用功率超声场对铝合金中的异相粒子进行了分离研究,超声场对液态金属中的夹杂物和气体粒子有较好的去除效果,600W超声作用120s后,A356合金中的气体基本上被去除;利用酒精水溶液中的聚乙烯颗粒作为夹杂物的模拟物进行超声除杂模拟试验,结果表明,超声对粒径为96-109μm的聚乙烯颗粒的去除率可达90%以上;利用Al-18%Si中的初生硅作为铝合金中夹杂物的模拟物进行试验,结果表明超声场可对初生硅的运动行为进行有效控制;通过采取内部施加超声场配以外部强制冷却的方法制备了组织和性能梯度分布的梯度组织铝合金材料。 3.将旋转磁场和超声场组成复合场,考察其对Sn-3.5%Pb合金及A356合金凝固过程的影响,结果表明;复合场可以提高合金初始凝固温度、抑制元素偏析、细化合金凝固组织并改善共晶相形貌,初生铝平均晶粒度由原始的250μm降低到复合场作用时的30μm,相应的抗拉强度也由163MPa提高到了268MPa。一方面,功率超声空化作用使合金在其液相线温度以上就可以爆发生核,这些初生核被超声的声流效应和电磁搅拌共同产生的强制对流传递到整个熔体而使合金凝固组织大大细化:另一方面,超声场和电磁场引起的熔体的温度场和浓度场的起伏也有利于少数残存枝晶生长过程中在枝晶臂发生熔断,复合场产生的上述两方面共同作用使得最终铸坯具有细小的凝固组织和优良的力学性能。 4.将行波磁场与超声场组成复合场应用到Al-1%Si合金键合线材的水平连铸过程中,开发出了一种利用复合场水平连铸制备铝硅键合线材的新技术。复合场可以均衡保温炉内温度场、抑制硅元素偏析、提高连铸坯表面质量,同时还可以改善铸坯内部组织、提高铸坯力学性能,铸坯的抗拉强度和延伸率明显提高,分别由110MPa和13%提高到160MPa和40%。


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