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东北大学硕士学位论文 4 0 4 5 铝硅合金的低频电磁调质 摘要 本课题是国家重大基础研究计划( 9 7 3 ) 项目“外场作用下的铝合金凝固”研究 的部分内容。主要研究在4 0 4 5 铝硅合金的半连续铸造中施加低频电磁场，4 0 4 5 铝 硅合金微观组织的变化规律，并在此基础上，制定4 0 4 5 铝硅合金电磁调质的新工 艺。通过本文的研究，我们取得了如下的研究结果： 1 低频电磁场可有效细化4 0 4 5 合金的微观组织。初晶a a i 形貌发生了改变， 由长条状和板条状变为球状、点状，晶粒端部圆滑，同时二次枝晶臂大大减少， 初晶o f a 1 的晶粒平均尺寸减小到5 0 1 a m 以t ：共晶s i 明显细化，呈现点状或球状的 s i 质点；初晶区与共晶区整体表现为均匀分布的组织。同时，对已化学变质的4 0 4 5 合金的微观组织细化有一定的作用。 2 适当地降低电磁场频率和增加电磁场强度，有利于提高s i 元素在初晶口a 1 的晶内含量、提高铸态力学性能、改善铸锭表面质量。 3 在本研究范围内。低频电磁铸造4 0 4 5 铝硅合金m 1 0 0 m m 铸锭的最佳工艺为： 频率2 5 h z ，电流1 5 0 a ，浇注温度7 2 0 c ，铸造速度1 2 0 m m m i n ，冷却水强度 o 0 5 m a m i n 。在此工艺条件下，铸锭的铸态组织细小均匀，呈细小的蔷薇形、近球 形或球形，平均晶粒尺寸为2 0 5 0 1 m a ，共晶s i 细小、弥散，合金硬度在6 0 h v 以 上，拉伸强度极限为2 0 0 m p a 2 3 0 m p a ，延伸率为9 1 2 。 关键词：4 0 4 5 铝硅合金低频电磁场半连续铸造组织和性能 i i 查些查堂堡主兰堡垒圭 垒旦! 坐! ! m o d i f i c a t i o no f4 0 4 5a i - s ia l l o yu n d e rl o wf r e q u e n c y e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d s a b s 仃a c t t h i sw o r ki sap a r to f t h ep r o j e e ts o l i d i f i c a t i o no f a la l l o y su n d e re x t e n a lf i e l df o u n d e d b yn a t i o n a lk e y f u n d a m e n t a lr e s e a r c hp r o g r a m ( 9 7 3 ) t h es t u d yf o c u s e do nt h ec h a n g e o f t h em i c r o s t r u c t u r e so fd cc a s t4 0 4 5a l l o yu n d e rl o wf r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ( l f e c ) p r o c e s s ，a n dt h ed e v e l o p m e n t o fan e wt e c h n o l o g yt om o d i f yt h e m i c r o s t r u c t u r e so f4 0 4 5a l l o yb yl f e c t h ef o l l o w i n gr e s u l t sa r eo b t a i n e d ： 1 t h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l dr e s u l t si nar e f i n e m e n to ft h em i c r o s 仃u c n i r e so ft h e t a r g e ta l l o ye f f e c t i v l y t h es h a p eo f 口- a ip h a s eh a sb e e nc h a n g d e df r o ml a t h s h a p e d t os p h e r c a lo rg l o b a l ，t h ea m o u n to fs e c o n d a r yd e n d r i t i e si sr e d u c e da n dt h ea v e r a g e s i z e so f t h ep r i m a r y 口- a 1a r el e s st h a n5 0 1 u n a nu n i f o r md i s t r i b u t i o no f e u t e c t i c sa n d p r i m a r y 甜a ii so b t a i n e d t h ee u t e c f i cs ip a r t i c l e sb e c o m er o u n do rs p o ts h a p e i n a d d i t i o n ，t h el f e ci su s e f u l t om i c r o s t r u c t u r a lr e f i n e m e n to ft h e4 0 4 5a l l o y m o d i f i c a t e db yc h e m c i a lm o d i f i c a t i o n 2 t h er e s u l t ss h o wt h a tw i t hd e c r e a s ei ne l e c t r o m a g n e t i cf r e q u e n c ya n di n c r e a s ei n e l e c t r o m a g n e t i ci n t e n s i t y ，t h es o l u t ec o n t e n to fs i i n0 l a ip h a s ei sg r e a t l yi n c r e a s e d ， a n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ea s c a s ti n g o ta l ei n c r e a s e d ，t h es u r f a c eq u a l i t ya r e a l s oi m p r o v e d 3 t h eo p t i m a le x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r so f 巾1 0 0 m m4 0 4 5a l l o y i n g o tb yl f e ca r e o b t a i n e di nt h i ss t u d y t h ee l e c t r o m a g n e t i cf r e q u e n c yi s2 5 h z ，t h ec 眦e n ti s1 5 0 a ，t h e c a s t i n gt e m p e r a t u r ea n dv e l o c i t ya r e7 2 0 ca n d12 0m m m i nr e p e c t i v e l y ，a n dt h e c o o l i n gw a t e rf l u xi so 0 5m 3 m i n u n d e ro p t i m a lc o n d i t i o n ，t h e0 【a li nt h e a s - c a s t4 0 4 5 a l l o yi sf r e e ，u n i f o r m ，e q u i a x e d ，r o s e t t e - s h a p e do rg l o b u l a r t h ea v e r a g eo r , 一a 1g r a i ns i z e i sa b o u t2 0 5 0 i x t nw i t hv e r yf i n ed i s p e r s i v ee u t e c t i cs ip a r t i c l e sa m o n g 。l a ig r a i n s t h e h a r d n e s so ft h ea l l o yi sm o r et h a n6 0 h v ，t h eu l t i m a t et e n s i l es t r e n g t hi s2 0 0 2 3 0 m p a a n dt h ee l o n g a t i o ni s9 1 2 k e yw o r d s ：4 0 4 5a i s ia l l o y ，l o wf r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，d cc a s t i n g ， m i c r o s t r u c t u r e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i 一 独创性声明 本人卢明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究 成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果 也不包括本人为获得其它学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：李j j 必 日期：2 0 0 5 年j 廊 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的 规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名：导师签名 签字日期：签字日期 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 1 1 问题的提出 第1 章绪论 随着科学技术和国民经济的高速发展，各种型号的铝合金不断得到开发和利 用，同时也对其性能和质量提出更高和更全面的要求。铝合金铸坯的微观组织不 仅影响铸锭的质量，同时还影响它的可压力加工性以及压力加工后金属制品的组 织和性能。因此细化晶粒，强制台金元素固溶，抑制宏观和微观偏析，生产具有 均质等轴细晶组织的铝合金铸锭，一直是材料界极为关注的课题。在此背景下， 开发出一种既能提高铝合金铸锭内部组织性能，又可改善铸锭表面质量，减少表 面切削量，以提高铝材利用率，从而大幅度提高经济效益的新工艺已成为必然。 几十年来，将电磁场引入材料制备过程，通过特定的物理效应实现材料组织性 能的改善及工艺过程的优化，已成为材料科学领域重要的研究方向之一 i - s 。已有 的研究表明，外加电磁场能够对金属的凝固过程产生显著的影响【6 。6 j ，鉴于凝固组 织具有强烈的遗传性，是决定材料最终力学性能和物理性能的重要因素，所以通 过施加电磁场控制凝固过程、提高材料性能的研究具有特别重要的意义。电磁场 在金属凝固过程中产生多种物理效应，阐明电磁场影响凝固过程的机理是最大限 度提高材料性能、开发和完善生产工艺、合理设计生产设备的前提和基础。 a 1 s i 系铝合金是在a i - c u 系铝合金之后开发出来的一类铝合金。其含s i 量4 2 2 ，通常被称为矽铝明或硅铝明。该系合金由于加入了大量的s i 两具有优 良的铸造性能，即流动性好，收缩小，热裂倾向小。此外气密性也好，经过变质 处理和热处理后，具有优良的机械性能、物理性能和加工性能，也有较好的抗蚀 性，是铸造铝合金中品种最多、使用量最大的合金。 本课题是国家重点基础研究发展规划资助项目( 9 7 3 ) “外场作用下铝合金凝 固”研究的部分内容( 课题编号：g 1 9 9 9 0 6 4 0 5 0 1 ) ，主要研究低频电磁场对4 0 4 5 铝硅合金的调质作用，为4 0 4 5 铝硅合金在工业生产中改善材料微观组织、提高材 料性能提供理论基础和实验依据。 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 24 0 4 5 铝硅合金的成分与组织性能 1 2 14 0 4 5 铝硅合金的成分 s i ( a t ，6 ) 图1 1a i s i 台金相图 f i g 1 1 p h a s ed i a g r a mo f a l - s ia l l o y 舢一s i 合金的相图见图1 1 ，共晶温度为5 7 7 2 ，共晶点成分为1 2 6 讯s i 。 在共晶温度下，s i 在a 固溶体中的溶解度为1 6 5 ，室温下。降至0 0 5 。 4 0 4 5 铝硅台金属于亚共晶型合金，其成分见表1 1 。 表1 14 0 4 5 台金的化学成分 ! ! ! ! u 兰b ! 里i ! 型塑尘巴! ! ! 婴盟! 竖i 型! 型 墅盥!坚!m g墅! i型 9 0 - 1 l如_ 3 翊3茎0 0 5蚰0 5如10 2b a l 1 2 24 0 4 5 铝硅合金的组织性能 4 0 4 5 铝硅台金由塑性较好的口一a i 与坚硬的a 1 s i 共晶相所构成，属于非小面 一小面共晶凝固合金，具有良好的耐磨性、一定的强度和韧性、铸造性能良好， 流动性非常好。 在常规铸造条件下，4 0 4 5 a 1 s i 合金共晶中的s i 相呈粗大的板片状或针状， 即硅相的尺寸、形态及分稚状况差，初晶d a 1 与共晶区分布的均匀性也较差。另 外，粗大的硅相也严重地割裂了基体，降低了合金的强度和塑性，这一问题随硅 古量的提高而更为突出，已经引起了许多研究人员的关注。 古量的提高而更为突出，已经引起了许多研究人员的关注。 一2 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 24 0 4 5 铝硅合金的成分与组织性能 1 2 14 0 4 5 铝硅合金的成分 s i ( a t9 6 ) 图1 1 a 1 s i 台金相图 f i g 1 1 p h a s ed i a g r a mo f a i - s ia l l o y a 1 - s i 合金的相图见图1 1 ，共晶温度为5 7 7 2 ，共晶点成分为1 2 6 w t s i 。 在共晶温度下，s i 在口固溶体中的溶解度为1 6 5 ，室温下，降至o 0 5 。 4 0 4 5 铝硅合金属于亚共晶型合金，其成分见表1 1 。 表1 14 0 4 5 合金的化学成分 ! ! ! ! ! ! ：!鲢巴i ! ! ! 曼2 尘巴! 垡l ! ! ! ! ! 坐i ! ! ! 型 墅壁 曼!坚!m g兰!旦垒1 9 0 1 l如8s 0 3如0 5如0 5 o ，在前一区域内驯a o ，产生 层周期复原的倾向，因而是稳定的：若 1 5 时，就只能形成固溶度很小的固溶 体；反之则固溶度较大，甚至形成无限互溶的连续固溶体。但这一判断是根据铜 基和银基固溶体做出的，而在其他合金系中稍有不同，一般高熔点的金属a r 为 8 - - 1 0 ，易熔金属a r 则大于1 5 。 电负性的因素：如果溶质原子与溶剂原子的电负性的差别很大，则它们往 往形成比较稳定的金属间化合物，而形成固溶体的溶解度比较小。 原子价因素：在研究属于i b 族的贵金属为基的合金( 铜基、银基、金基 的合金) 时，发现在尺寸因素比较有利的情况下，溶质的原子价越高，其溶解度 越低。溶解度的大小与电子浓度有关。所谓电子浓度即为电子数目与原子数目之 比： cm f 5 【v ( 1 0 0 - x ) “，x 】1 1 0 0 ( 1 2 4 ) 式中x 为溶质的摩尔百分数；v 、v 分别为溶剂及溶质的原子价。 晶体结构因素：当溶质和溶剂的晶体结构类型相近或相同，这可能具有较 大的溶解度。 ( 2 ) 提高溶质固溶度的意义 置换固溶体是指溶质原予位于溶剂晶格的某些结点位置而形成的固溶体，金 属元素之间易形成置换圃溶体。置换固溶体的结构特点是溶质原子占据了溶剂组 元中某些原来属于溶剂原子的位置它仍然保持溶剂组元的晶格，但晶格常数有 所变化，并发生了某些晶格畸变。因而，与溶剂金属相比，置换固溶体具有较高 的强度及硬度。随着固溶体中溶质原子的溶入及其浓度的增加，晶格畸变增大， 固溶体的强度、硬度升高，物理性能也发生变化。溶质原子使固溶体的强度和硬 2 2 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 度升高的现象称为固溶强化。铝合金主要依靠固溶强化和沉淀硬化来提高其机械 性能，固溶强化是提高合金材料机械性能的重要途径之一。而固溶强化能力和其 本身的性能与固溶度有关。对同一元素，固溶度高的可获得较好的固溶强化效果。 但在实际应用中，也并非固溶度越大越好，因为在一些二元合金中，无限互溶成 广泛互溶的合金系，组元间常常具有相似的物理化学性质和原子尺寸，固溶体晶 格畸变程度较低，按添加单位重量合金计算的固溶强化增益并不高。例如，银、 锌就属这种情况，固溶强化作用很差，生产中也不可能大量添加这类元素。因此 简单的二元合金a l - z n 、a 1 m g 以及a l 一“合金没有实用价值。但在许多合金中， 由于与其他组元形成新的强化相或改变沉淀硬化特征，可显著提高合金的机械性 能，故这类元素的作用仍不可忽视。 铝合金固溶和时效工艺的基本依据是合金元素在铝中的溶解度随温度而变 化，它们对合金的强化是综合作用的结果。固溶处理使得合金元素溶入基体中， 保温后淬火获得均匀的过饱和口固溶体，为时效析出做准备，另外还使得基体位 错密度增大和晶格发生畸变，造成固溶强化，因此固溶处理对合金性能的影响是 显著的。 对固溶强化的研究大多都集中在改善合金的热处理工艺上，有关电磁场对合 金固溶度影响的研究还未见报道。由于金属熔体是由大量带电粒子组成的，当有 电磁场作用时，势必会引起带电粒子的运动从而影响合金中溶质元素的分布。 本文则针对电磁场作用下硅在铝中固溶度的增加作了分析。 1 5 2 4 电磁场对成分偏析的影响 ( 1 ) 偏析 合金在凝固过程中欲得到化学成分完全均匀的铸件是非常困难的。一般来说， 合金凝固之后，截面上不同位置，化学成分都存在不均匀的现象，这种成分不均 匀现象产生的原因是由于合金在凝固过程中存在着溶质的再分配。在凝固中，液 态与固态内以及液一固相之间的扩散，往往来不及使各相随时达到相应温度下的平 衡浓度，使初始析出的固相与液相浓度不同，先析出的固相与后析出的固相化学 成分不同，甚至在一个晶粒内各个微小区域也因凝固先后不同，其化学成分有差 异，这种化学成分的不均匀性称为偏析1 4 8 】。 偏析分为两大类，即微观偏析和宏观偏析。微观偏析是在较小的范围内产生 的，一般指在一个晶粒范围内，也称为短程偏析。微观偏析包括：胞状偏析、晶 内偏析( 枝晶偏析) 和晶界偏析。宏观偏析是在较大尺寸范围内产生的，也称为 2 3 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 区域偏析或长程偏析。在生产实践中常按成分的分布特征来分，有所谓正偏析、 负偏析、v 偏析和逆v 偏析、带状偏析、重力偏析和微重力偏析等。无论微观偏 析还是宏观偏析，对材料的力学性能和物理化学性能都会产生影响，多数情况下 是有害的。但是某些情况下，偏析是有利的或有用的，例如借助合金在凝固过程 的偏析特点，可以净化或提纯金属，使合金中有害的杂质偏析到预定位置，然后 除掉，从而提高合金的纯度和质量。 ( 2 1 电磁场作用下的成分偏析 成分偏析对铸锭的性能有很大的影响，在各种工艺中都应避免成分偏析所带 来的不良影响。硅钢连铸坯中发达的柱状晶会引起严重的内部裂纹和中心偏析 4 9 5 0 1 ，并使热轧板出现粗大的带状组织，因此应抑制硅钢铸坯中发达的柱状晶组 织，增加等轴晶比率。电磁搅拌作为改善铸坯质量的有效技术得到了广泛的应用。 由于中心偏析的形成起因于“小钢锭机理”和“等轴晶区滑移机理”，电磁搅拌后 的钢液流动使凝固前沿的柱状晶折断，铸坯中等轴晶增加，避免了凝固桥的形成， 破坏了小钢锭的凝固模式。此外，电磁搅拌使凝固坯壳子各个方向上传热均匀， 改变了二相区内液体的流动状态，使浓化的钢水分散地分布在等轴晶内并均匀化， 故降低了中心偏析。与此同时，电磁搅拌增加了钢液的凝固速度，使夹杂物不易 在二