外場(chǎng)對(duì)鋁硅合金富鐵相形成及半連鑄鑄坯組織的影響.pdf

1、鋁硅合金因?yàn)榫哂辛鲃?dòng)性好、耐磨性好、強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于航天航空、汽車交通和工業(yè)生產(chǎn)中。然而在鋁硅合金的生產(chǎn)過(guò)程中存在鑄坯凝固組織及第二相粗大、鐵元素易混入熔體中生成有害富鐵相等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了優(yōu)質(zhì)鋁硅合金的制備和發(fā)展。工業(yè)上常通過(guò)添加Al-Ti-B細(xì)化劑的方法細(xì)化鋁合金基體，使用Sr等變質(zhì)劑細(xì)化Si相，利用Mn等中和元素改善富鐵相形貌，這不僅增加了合金的生產(chǎn)步驟，還伴隨有細(xì)化相顆粒易團(tuán)聚、細(xì)化相易“中毒”失效、改變?cè)?/p>

2、有合金成分等問(wèn)題。使用物理外場(chǎng)處理鋁硅合金則可以有效避免這些問(wèn)題，目前電磁場(chǎng)、超聲場(chǎng)等外場(chǎng)在材料加工領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用，在凝固過(guò)程中施加物理外場(chǎng)可以顯著改善合金的凝固組織和力學(xué)性能。
　　本文以改善鋁硅合金半連續(xù)鑄坯凝固組織和性能以及有害富鐵相形貌為目的，使用超聲場(chǎng)處理含鐵量2％的工業(yè)純鋁及Al-12％Si合金，利用超聲在熔體中傳播產(chǎn)生的一系列物理效應(yīng)，改善鋁合金中有害富鐵相的形貌，減小富鐵相的有害影響。并使用超聲場(chǎng)和電磁

3、場(chǎng)組成復(fù)合場(chǎng)施加在Al-8％Si合金的模鑄和半連續(xù)鑄造過(guò)程中，將超聲空化的細(xì)化作用和電磁場(chǎng)產(chǎn)生的強(qiáng)制對(duì)流作用結(jié)合，制備組織均勻細(xì)小的鑄錠，并大幅提升鑄錠的力學(xué)性能。
　　論文的研究結(jié)果表明:
　　1、超聲場(chǎng)處理可以有效細(xì)化Al-2％Fe合金中的初生Al3Fe相和Al-Al3Fe共晶相。在超聲場(chǎng)作用下，初生Al3Fe相由粗大針片狀變?yōu)榧?xì)小塊狀，平均長(zhǎng)度由160μm降至20μm，長(zhǎng)寬比由15降至2;共晶Al3Fe相平均長(zhǎng)度由30

4、μm降至8μm，長(zhǎng)寬比由16降至4。超聲場(chǎng)處理配合快速冷卻使凝固組織中初生相消失，凝固組織變?yōu)榧?xì)小的Al-Al6Fe共晶組織。超聲空化效應(yīng)可以在熔體中產(chǎn)生深度過(guò)冷，極大地促進(jìn)了Al3Fe相的形核過(guò)程，增加形核率，從而細(xì)化初生Al3Fe相和Al-Al3Fe共晶相。
　　2、超聲場(chǎng)處理Al-12％Si-2％Fe合金可以有效改善針狀β-Al9Si2Fe2相的形貌。660℃以上施加超聲場(chǎng)，超聲空化效應(yīng)促進(jìn)亞穩(wěn)態(tài)α-Al12Si2Fe3相的

5、形核和生長(zhǎng)，因此抑制了包晶反應(yīng)L+α→(Al)+β的發(fā)生，凝固組織中字母狀α-Al12Si2Fe3相取代針狀β-Al9Si2Fe2相，富鐵相平均尺寸由400μm降至90μm;配合快速冷卻可以使β-Al9Si2Fe2相轉(zhuǎn)變?yōu)槎噙呅螤瞀?Al12Si2Fe3相，平均尺寸降至10μm。640℃隨合金凝固施加超聲場(chǎng)，空化泡閉合瞬間產(chǎn)生的沖擊波可以打碎生長(zhǎng)中的β-Al9Si2Fe2相，其平均長(zhǎng)度由400μm降至60μm。
　　3、在Al-8

6、％Si合金模鑄凝固過(guò)程中使用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和超聲場(chǎng)組成的復(fù)合場(chǎng)可以有效細(xì)化鑄錠的凝固組織中的α-Al和共晶Si。單一施加旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)或超聲場(chǎng)時(shí)，通過(guò)增大磁場(chǎng)強(qiáng)度或增加超聲處理時(shí)間都可以增加細(xì)化效果。但超聲場(chǎng)的作用范圍較小，制各的鑄錠凝固組織不均勻，工具頭附近細(xì)化效果最好;旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的細(xì)化效果沒(méi)有超聲場(chǎng)明顯，且磁場(chǎng)強(qiáng)度增加會(huì)引起熔體劇烈攪動(dòng)。使用復(fù)合場(chǎng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生的強(qiáng)制對(duì)流擴(kuò)大了超聲場(chǎng)的作用范圍，超聲場(chǎng)的空化形核作用增強(qiáng)了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的細(xì)化效果，整個(gè)

7、鑄錠范圍內(nèi)得到均勻細(xì)小的等軸晶組織。
　　4、在鋁硅合金半連續(xù)鑄造過(guò)程中分別施加中頻磁場(chǎng)和超聲場(chǎng)。施加單一超聲場(chǎng)時(shí)，受超聲場(chǎng)作用范圍所限，鑄錠徑向各部分組織不均勻，鑄錠心部為細(xì)小的等軸晶，平均晶粒尺寸為70μm，抗拉強(qiáng)度和延伸率均大幅提高;鑄錠外圍的凝固組織為粗大的樹(shù)枝晶，平均晶粒尺寸為1200μm。單一施加中頻磁場(chǎng)時(shí)制備的鑄錠各部分組織均勻，輸入電流為100A時(shí)，鑄錠各部分的平均晶粒尺寸由1200μm降至600μm，抗拉強(qiáng)度由1

8、80MPa增至200 MPa，延伸率11％增至14％，且細(xì)化效果隨電流增大而增加。中頻磁場(chǎng)可以在鑄錠液相區(qū)引起強(qiáng)制對(duì)流，利于提高鑄錠表面質(zhì)量和細(xì)化內(nèi)部組織。
　　5、在Al-8％Si半連續(xù)鑄造過(guò)程中施加復(fù)合場(chǎng)成功制備了直徑160 mm的圓坯，鑄錠的平均晶粒尺寸為由1200μm降為150μm，共晶硅由粗大針片狀變?yōu)榧?xì)小塊狀，鑄錠抗拉強(qiáng)度為提高16.9％，延伸率提高37.2％。超聲場(chǎng)的空化作用在金屬熔體內(nèi)產(chǎn)生大量晶核，并被中頻磁場(chǎng)引起