控制宏观偏析的方法和效果

控制宏观偏析的方法和效果 宏观偏析亦称为“ 区域偏析” ，指金属铸锭（铸件）中各宏观区域化学成分不 均匀的现象。包括正常偏析、反常偏析和比重偏析。宏观偏析造成铸锭（铸件） 组织和性能的不均匀性。它和材料本性、浇铸条件、冷却条件等许多因素有关， 虽然无法绝对避免，但应当控制在一定范围之内。 宏观偏析的形成原因：铸件过厚、浇注温度过高、凝固时冷却速度过慢， 易使凝固温度范围宽的合金产生区域偏析。合金吸气较严重时，会加重区域偏 析，偏析使铸件的力学性能降低，易导致热裂和冷裂，降低铸件的耐蚀性，严 重时会导致铸件因性能不合格或断裂而报废或失效。区域偏析可通过扩散退火、 热变形加工和热等静压处理减轻。 减少宏观偏析的措施： 1. 保证合金成分，使凝固过程中液体密度差别最小。 2. 适当的铸件或铸锭高度。 3. 采用加入孕育剂、振动、搅拌等细化晶粒的措施，减少枝晶间液体金属 流动。 4. 加大冷却速度，缩短固液相区的凝固时间。 电磁振荡对半连铸 7075 址合金的宏观偏析的抑制作用。 电磁振荡对抑制溶质元素的宏观偏析，大致可归结为以下几个方面原因。 （1）初凝壳高度影响因素。熔体形成凸起的弯液面，与结晶器壁间的接触 高度和接触压力变小，次冷却强度降低。此外，洛仑兹力的搅拌作用，强化了 晶粒从结晶器壁的瓣离，因而初凝壳高度减小，形成位置点降低，消除了这部 分以结晶器壁为基底的晶粒在长大过程中凼颈缩和“搭桥”而封闭富集溶质的 熔体，以及发生再熔化逆偏析，形成表面偏析瘤造成溶质元素在铸锭表面含 量偏高的现象，抑制了宏观偏析。 （2）液穴因素。液穴深度变浅，降低了各溶质元素四密度不恻在液穴内部 分布不均匀而造成的密度偏析，有利于溶质元素在截面尺度范围内的均衡分布 和扩散，降低了宏观偏析的程度。 （3）温暖场和浓度场因素。极大地均匀了液穴中温度场和浓度场，抑制了 枝晶的生长，从而避免了枝晶臂彼此接触“搭桥” ，在晶间及二次枝晶臂根部封 闭充盈富集溶质元素的熔体，而导致的溶质宏观偏析。此外，近球形及蔷薇型 的等辅细晶组织一次与二次枝晶间距较小，溶质的渗透系数增大，熔体产生晶 问流动的阻力大大增加，抑制了熔体在两相区内的远程流动，因此宏观偏析程 度也减小。 （4）溶质元素分配系数因素。在交变电磁场作用下，7075Al 合金的液相线 温度和固相线温度均升高，且固相线温度升高幅度大，结晶区间间隔变小。液 固相线提升幅度的不一致，导致合金巾各溶质元素平衡分配系数 K。增大，若 此时液穴中某一溶质元素浓度为 c。 则凝固相中该种溶质元索的浓度 KoCo 随 之提高，液固两相中溶质元素浓度上的差异相应戒小，反偏析程度降低，并且 随着磁场强度增大和频率的减小(1030Hz 之间)，熔质元素平衡分配系数 Ko 增 加幅度提高，抑制反偏析，增强了溶质元素固溶强化的作用，客观上减小了宏 观偏析的程度。 （5）结晶区间间隔困素。结晶区间间隔减小，在一定程度了相当于强化了 二次冷却，加快了凝固速度缩短了凝固时间，使得溶质元素在较短时间内难 以析出，起到了弥散合金元素和强制固窬的效果。促进了固溶，同时抑制了富 含溶质熔体的远程流动，弱化了反偏析程度。 综上所述，几种因素的综合作用，使得电磁振荡减小了溶质元素的宏观偏 析。随交变线圈电流强度的增加，电磁力的水乎分量对熔体的约束作用增强， 熔体与结晶器的接触高度和接触压力减小，初生凝固壳形成位置点降低，减弱 了表面的渗出效应，使得溶质在铸锭表面的反偏析程度降低，与此同时，搅拌 作用和振荡作用增强，溶质分配系数增大，结晶间隔变小，液穴变浅，温度场 和浓度场更趋均匀，液穴中形核核心增加，微观组织的非技晶化程度提高，对 溶质元素的宏观偏析抑制作用加强。 随着交变磁场频率的降低，相同磁场强度条件下，电磁力的透入深度加深， 电磁振荡力的及电磁力的回旋部分逐渐增加，强迫对流得到加强。但是，当交 变电磁场频率进一步降低时，熔体内部的磁感应强度矢量趋于均匀，强迫对流 作用减弱，不利于消除溶质元素的宏观偏析。存在一个最佳频率范围，即 1030Hz 此时电磁振荡力更接近于熔体惯性响应频率，对克服自然对流，减 小晶粒凝固前沿的温度和浓度梯度作用更加明显，因而对抑制枝晶的过分长大， 改善溶质元素分布，消除宏观和微观偏析，具有更为显著的效果。由于电磁振 荡有着比 CREM 法更强的细化能力、臣快的过热释放能力和更加均匀的浓度 场特别是存凝固过程进行到由于熔体中固相分数过大，熔体流动凼粘滞力急 剧增加而近乎停滞的阶段，由于接近熔体惯性啊应区间的小频率(1030Hz)， 透入深度更深，强度更高的电磁振荡力所引发的晶问溶体受迫振荡，对消除自 然对流，减小晶粒凝固前沿温度锑度和囡溶质元素富集而产生的成分过冷作用 加强，因而对抑制枝晶的过分长大，改善溶质元素分布，促进固溶，消除宏观 和微观偏析的效果更为明显。采用化学分析的方法对其宏观溶质元素的分布进 行测定，图 1、图 2、图 3 为未施加磁场和不同磁场条件下，溶质元素在横截面 了的分布图。大致呈现出表面及邻近芯部区域溶质元素含量偏高，芯部及内侧 临近表面区域溶质元素偏低的情形。这是因为溶质元素在表面富集的同时，贫 化了内侧邻近区域，因此该处溶质含量有所下降。至于芯部区域溶质元素含量 偏低的原因，则有可能是早期形成的初生等轴晶在长大到一定程度以后，电磁 力不足以再驱使其运动，由于密度差，在重力作用下，发生沉积或者是表面氧 化物及非金属夹杂随熔体的流动输运至液穴底部不易上浮的结果。 图 1 常规铸造溶质元素沿铸锭半径的分布情况 图 2 不同交变磁场频率下溶质元索沿铸锭半径的分布(稳恒磁场强度 l0000A；交变磁场 强度 10000A) 图 3 不同交变磁场频率下溶质元索沿铸锭半径的分布(稳恒磁场强度 l0000A；交变磁场 20Hz、强度 10000A) 结论 (1)电磁振荡作用下，半连铸 7075 铝合金铸锭由均匀细小的近球形干蔷薇 形微观组织构成。 (2)电磁振荡作用下，初凝壳形成位置点降低，液穴变浅，丧面渗出效应减 弱，溶质分配系数增大，结晶区间变小，温度场和浓度场趋 f 均匀，微观组织 非枝晶化程度提高，抑制了溶质元素的宏观偏析。 (3)试验表明存在一个最佳电