（材料加工工程专业论文）电磁场对c194合金凝固组织的影响.pdf

一 j 吁 啊 j at h e s i si nm a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g ifiii f 1 1 ll i l t ii ii i jfiiii y 18 4 3 8 1 3 u m n e f f e c to f e l e c t r o m a g n e t i cf i e l do ht h e s o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r eo fc19 4 a l l o y b yp a n k a i h u a s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o rl ib a o m i a n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 8 l 一 限1i 独创性声明 本人声明 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 不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果 也不包括本人为获得其他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 凰 学位论文作者签名 j 灞凯碍 肖 肯 丌肛平7 7 7 l 几 一r f 日期 州每 习字1 j 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 本人同意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 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后 半年口一年口一年半旷两年口 学位论文作者签名 潞 矸 签字日期 加昭7 耳1 日g 目 导师签名 签字日期 彳线影卑 a 州嚼 7 东北大学硕士学位论文摘要 电磁场对c 1 9 4 合金凝固组织的影响 摘要 近年来 随着电子信息产业的高速发展 集成电路向高密度 小型化 多功能化发 展 对集成电路用引线框架材料的综合性能要求越来越高 c 1 9 4 铜合金是目前应用最 广泛的引线框架材料 生产中存在的主要的问题是半连续铸锭极易出现裂纹 大大降低 了产品的成材率 为了解决此问题 东北大学与辽阳铜合金加工厂合作 对控制c 1 9 4 合金半连续铸锭裂纹的途径进行了探索 本论文主要对c 1 9 4 半连续铸锭裂纹产生的机 理以及电磁场对其凝固组织的影响进行了研究 通过研究得到如下主要结论 1 c 1 9 4 合金半连续铸锭的组织特征是 在晶内及晶界均分布有组成为 a c u f e 2 p 的共晶 在共晶组织的边缘存在大量的小尺寸 1 p m f e 2 p 第二相 2 c 1 9 4 合金半连续铸锭裂纹的萌生是凝固末期的液膜造成的 裂纹萌生后沿晶界 扩展 晶界上宽大的 a c u f e 2 p 共晶组织是裂纹迅速扩展的原因 3 在c 1 9 4 合金凝固过程中施加电磁场 能够细化晶粒 减少和细化共晶组织 且电流强度越大 效果越明显 4 施加电磁场能明显减少共晶组织边缘的小尺寸f e 2 p 相 使共晶组织中的f e 2 p 相形态趋于球状 尺寸减小 且电流强度越大 效果越明显 5 初步的工业生产实验表明 在c 1 9 4 合金半连续铸造过程中施加电磁场 能明 显促进铸锭中柱状晶向等轴晶的转变 当拉坯速度由原来的3 m h 提高到5 5 m h 时 铸锭未出现裂纹 关键词 引线框架材料 c 1 9 4 铜合金 裂纹 电磁场 凝固组织 东北大学硕士学位论文 e f f e c to f e l e c t r o m a g n e t i cf i e l do n t h es o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r eo fc19 4 a l l o y a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s i t l lt h er a p i dd e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ci n f o r m a t i o ni n d u s t r y i n t e g r a t e d c i r c u i t i c k e e p sd e v e l o p i n gi nat r e n dt o w a r dh i g h d e n s i t y m i n i a t u r i z a t i o na n dm u l t i f u n c t i o n a sar e s u l t t h e r ei sa l li n c r e a s i n gd e m a n df o rt h ec o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c eo fi cl e a d f l a m em a t e r i a l s c19 4a l l o yi st h em o s tw i d e l yu s e dl e a df r a m em a t e r i a la tp r e s e n t t h em a i n p r o b l e me x i s t e di nt h ep r a c t i c a lp r o d u c t i o ni st h ec r a c k si nt h es e m i c o n t i n u o u si n g o t w h i c h g r e a t l yd e c r e a s e st h ef i n i s h e dp r o d u c tr a t e a i m i n ga ts o l v i n gt h i sp r o b l e m i nc o o p e r a t i o n 析t l il i a oy a n gc o p p e ra l l o yp r o c e s s i n gf a c t o r y r e s e a r c h e r si nn o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t ya r e t a k i n gm o r ei n s i g h ti n t ot h ea p p r o a c ht oc o n t r o lt h ec r a c k si nt h ec 19 4s e m i c o n t i n u o u si n g o t i nt h i st h e s i s t h ec r a c kf o r m a t i o nm e c h a n i s ma n dt h ee f f e c to fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l do nt h e s o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r eo fc19 4a l l o ya r em a i n l yr e s e a r c h e d t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sa r e o b t a i n e d 1 t 1 1 em i c r o s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec19 4s e m i c o n t i n u o u si n g o ti s e u t e c t i c s t r u c t u r ec o m p o s e do f c t c u f e 2 p d i s t r i b u t e sb o t ha tt h eg r a i nb o u n d a r ya n di n s i d e t h eg r a i n a r o u n de u t e c t i cs t r u c t u r et h e r ee x i s tm a s s i v es m a l l s i z e lg r n s e c o n d p h a s e sf e 2 e 2 t h ef o r m a t i o no ft h ec r a c k si nt h ec19 4s e m i c o n t i n u o u si n g o ti si n d u c e db yt h e l i q u i dm e m b r a n ea tt h ee n do fs o l i d i f i c a t i o n t h em o d eo fc r a c kp r o p a g a t i o ni s i n t e r g r a n u l a r a n dt h ew i d ee u t e c t i cs t r u c t u r e a c u f e 2 p i st h er e a s o nf o r t h er a p i d g r o w t ho f t h ec r a c k s 3 t h eg r a i ns i z eb e c o m e ss m a l l e r 加t t lt h ea p p l i c a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l di nt h e s o l i d i f i c a t i o no fc19 4a l l o y a n dt h ee u t e c t i cs t r u c t u r ei sa l s or e d u c e da n dr e f i n e d 1 1 1 e s oe f f e c t sb e c o m em o r eo b v i o u sw i t ht h ei n c r e a s ei nc u r r e n ti n t e n s i t y 4 t h eq u a n t i t i e so ft h es m a l l 1 6 m m 长度2 0 0 5 0 0 米 性能o b 3 9 0 4 4 0 m p a 电导率8 2 9 0 i a c s 包装 通过对国内外c 1 9 4 合金带材生产工艺的对比不难发现 国外的工艺中 在铸锭热 轧后进行在线强水冷 而国内的工艺中没有此工序 热轧后强水冷有利于合金中第二相 的强制固溶和后续的析出强化 进而有利于提高产品的综合性能 此外 国内还没有掌 握该合金熔铸工艺的关键技术 半连续铸锭极易发生开裂 严重影响了产品的成材率 1 5 电磁铸造技术的应用 电磁铸造是在金属凝固过程中施加电磁场 影响晶体的形核与长大 调节结晶过程 控制凝固组织 挖掘材料的潜在性能 以获得具有优异性能和特殊功能的新型材料 电 磁铸造是依靠多学科交叉而产生和发展起来的一种铸造技术 它的应用领域广泛 涉及 的工艺方法也很多 己经成为一门重要的学科 电磁铸造的发展历程可追溯到18 2 3 年 2 4 1 f a r a d a y 由海洋流动与地球磁场的关系着 手 测量了流体在电磁场中的流动情况 1 9 2 3 年 m u c k 获得了悬浮熔炼方法的专利 1 9 3 8 年 h a r t m a n n 系统地研究和分析了水银在流动槽中运动时与电磁场的相互作用关 系 1 9 4 2 年 a l f v e n 提出了磁冻结概念 a l f v e n 波的发现 使人们对导电流体与磁场 的相互作用有了本质上的认识和提高 然而磁流体力学理论的系统研究和发展却是直到 二十世纪六十年代后才逐渐开展起来的 最初 在材料制各过程中的应用也仅限于半导 体金属材料的成形 近二十年来 感应加热 电磁搅拌 电磁铸造等过程 在有色金属 和黑色金属冶炼和制备方面得到广泛的应用和发展 1 9 8 2 年在英国举行的u t a h 国际 力学理论和应用联合会 学术会议上第一次提出材料电磁过程这一术语 1 9 9 0 年和1 9 9 4 年先后在日本召开了第六届n s s 国际钢铁研讨会 会议以及第一届材料电磁工艺国际会 东北大学硕士学位论文第1 章前言 议 预示着材料电磁过程时代的到来 自1 9 9 4 年至今 每三年举行一次材料电磁过程 国际会议 1 5 1 电磁搅拌技术伍m s 电磁搅拌技术 2 5 e m s 即e l e c t r o m a g n e t i c s t i r r i n g 是冶金生产中最早应用电磁场的工 艺方法 是指在连铸过程中 通过在连铸机的不同位置处施加不同类型的电磁搅拌器 利用移动磁场与熔体交互作用所产生的l o r e n t z 力驱动熔体产生强迫对流 从而改善熔 体凝固过程中的流动 传热和传质条件 最终实现改善铸坯质量的目的 e m s 在钢的连续铸造生产中得到了广泛的应用 它不存在消耗部件 且不对熔体 造成污染 成为继浸入式水口 保护浇注等连铸技术之后 钢坯连铸冶金技术的最重要 的发展之一 不但能有效地改善连铸坯的表面及皮下质量 改善铸坯内部组织结构 扩 大等轴晶区 减轻或消除中心偏析和中心缩孔等内部缺陷 而且在放宽对连铸工艺的要 求 扩大连铸钢种 提高铸造速度 促进高效无缺陷优质铸坯的生产中发挥了重要的作 用 并取得了良好的经济效益 在钢坯连铸过程中采用双线圈电磁搅拌系统 能够有效提高高碳钢和合金钢连铸坯 的内部质量 这种双线圈系统的一套位于弯月面区 另一套则安装在结晶器的下部 它 们分别采用不同的电源 并通过各自的强度 频率以及旋转方向的控制而产生两个相互 独立的磁场 以满足不同浇铸工艺的需要 同时可避免结晶器保护渣的卷入以及熔体对 浇口的腐蚀 2 6 1 s p i t z e 等 2 7 1 将传统交流搅拌器的三相绕组的每一组线圈通以两个或多个 具有高低不同频率和不同运动方向的叠加电流 来加强液穴内钢液的流动 以改善铸坯 的质量 通过实验模型和数值模拟两种研究方法对流场分析的结果说明 这种搅拌方式 可以起到均匀钢液温度场和溶质分布的作用 李廷掣2 8 等利用s n 4 5 p b 合金模拟钢 液 进行了电磁搅拌与软接触凝固技术相结合以改善连铸钢坯表面和内部质量的基础研 究 不但消除了铸坯的表面缺陷 而且也细化了铸坯的凝固组织 铸坯表面气孔及皮下 夹杂是影响铸坯质量的环节之一 当采用结晶器内的旋转搅拌时 熔体的旋转运动不但 冲刷了凝固前沿 防止非金属夹杂物和气泡在最初凝固的皮下聚集 而且由于结晶器内 的熔体被搅拌 使得与熔体接触的保护渣实现了动态更替 这样可以使夹杂物容易上浮 到弯月面而从皮下去除 从而可明显改善铸坯的表面及皮下质量 大大减少了轧制前表 面清理的费用 同时电磁搅拌作用产生的流动场 减小了结晶器内熔体周向的温度梯度 使凝固坯壳的厚度更加均匀 从而减小了铸坯表面及皮下裂纹的生成和铸坯拉漏的可 能 可在铸坯表层得到无缺陷的凝固组织 此外 由于电磁搅拌引起的紊流流动切断了 1 0 东北大学硕士学位论文第1 章前言 柱状晶的前端 抑制了柱状晶的生长 并促进了等轴晶核的形成与长大 从而有利于大 量微细等轴晶凝固组织的形成 中心偏析和v 型偏析是铸坯内部质量的主要问题 宏观 偏析除与温度梯度 凝固速度 钢液组分有关外 还与柱状晶有很大的关系 即与柱状 晶与等轴晶的比例有关 柱状晶区与等轴晶区的比越小 越有利于消除宏观偏析 将电 磁搅拌应用于正在凝固的钢液 即使在过热度较高的条件下 也能有效地抑制粗大柱状 晶的生长 同时扩大铸坯内部等轴晶的区域 明显改善铸坯的凝固组织 电磁搅拌促进 等轴晶形成的机理目前认为主要包括以下几方面 首先强迫对流促进了过热熔体的热量 耗散 凝固前沿熔体过冷度的提高有利于等轴晶核的形成 因搅拌引起的紊流流动 迫 使柱状晶生长方式的改变 促进了纤维状和蜂窝状凝固组织的形成 搅拌作用产生的切 应力促进了凝固壳上枝晶臂的破碎与重熔 同时游离的枝晶臂被带入熔体内部促进了异 质形核 由于搅拌使柱状晶的生长得到控制 也就消除了柱状晶的搭桥现象 从而避免 了铸坯心部的中心缩孔和疏松 同时 由于电磁搅拌作用 可明显改善铸坯内的中心偏 析 由于电磁搅拌技术的应用改善了铸坯的微观组织 因此能够获得具有优良的抗拉强 度 疲劳强度和冲击韧性等综合力学性能的铸坯 连铸钢坯通过电磁搅拌也可增加韧性 和改善延展性 2 9 1 由于电磁搅拌能够减小熔体内部的温度梯度 因此即使在采用较高的 浇注温度时 也可得到高等轴晶率的铸坯从而放宽了对浇注温度的限制 有利于铸造工 艺参数的制订 1 5 2 电磁铸造 e m c 电磁铸造技术e m c e l e c t r o m a g n e t i c c a s t i n g s e 艺是前苏联学者g e t s e l e v l 3 0 3 等利用 电磁感应原理在2 0 世纪6 0 年代末开发成功的无接触连续铸造技术 通过交变电磁场产 生的l o r e n t z 力约束金属熔体 维持一定的液柱高度 替代了结晶器的支撑作用 从而 实现了无模铸造 设备主要由感应线圈 屏蔽体及冷却水套组成 为了获得支撑熔体所 需的约束力 在熔体表面必须形成足够的磁感应强度梯度 e m c 采用的电磁场频率通 常在2 0 0 0 3 0 0 0 k 之间 e m c 工艺由于能够有效的改善铸锭的表面品质 细化显微组织 因而受到了广泛 的重视 相关的工作也取得了较快的发展 电磁铸造法出现后 迅速在捷克斯洛伐克 匈牙利 东德等国率先普及 日本三菱公司1 9 7 2 年l o 月引进了该项技术 2 4 1 美国k a i s e r a l u s u i s s e a l c o a r e y n o l d s 和p e c h i n e y 等公司的大型铝厂也都相继在同时期引进了该项 专利 其中k a i s e r 和a l u s u i s s e 两家公司 在引进前苏联专利的基础上 投入巨资经数 年努力 实现了多块 4 5 块 铸造和大断面 5 0 0 x 1 3 0 0 m m 连续铸造铝合金的技术要求 东北大学硕士学位论文第1 章前言 目前 在美国和欧洲 每年大约1 2 0 万吨铝合金采用a l u s u i s s e 公司的电磁连铸技术进 行生产 国内的电磁连铸技术研究始于7 0 年代中期 东北轻合金加工厂采用电磁铸造 技术 e m c 法 曾成功地铸造出了直径3 2 0 m m 的铝合金圆锭 后来 西南铝加工厂在引 进原民主德国的电磁铸造技术上 经不断地研究 铸造出多种合金的铸锭 大连理工大 学也进行了大量实验 获得了表面光洁的圆锭 方坯和薄板坯 e m c 技术是利用电磁力成型金属熔体的无模连铸技术 因此显著改变了熔体表层 区内的散热条件 此外由于集中在表层内感应电流的焦耳热效应以及消除了铸锭的表面 渗出物 不存在下降过程中金属壳层与模壁的摩擦等原因 使得铸锭表面质量非常好 省却了扒皮工序 其次 铸锭表层组织的微细化也能防止热轧时的裂边 但同时我们也 注意到 这种采用高频电磁场取代结晶器的方法也存在很多局限 1 操作条件要求严格 为了维持l o r e n t z 力与熔体静压力之间稳定的动态平衡 与 传统半连续铸造相比对铸造过程中拉坯速度 浇注速度与浇注温度等工艺参数的控制提 出了更高的要求 尤其是在铸造开始阶段 熔体内部的温度场 弯液面形状都随时间变 化 因此增加了控制的难度 为了控制铸造开始时铸锭的冷却速度 减小铸锭内应力 采用了多种缓冷技术 主要包括二氧化碳法 刮水法与脉冲水法等工艺 为了控制稳定 平直的液柱形状 必须在精确计算磁感应强度在空间中分布规律的基础上 通过采用合 理尺寸的形状屏蔽体获得所需的电磁力分布 调节感应线圈与屏蔽体的相对位置 实时 调节各工艺参数保持铸造过程的稳定性 上述情况决定了e m c 工艺对自动控制技术提 出了很高的要求 使得铸造过程难以控制 2 保持液柱稳定的需要 必须采用高频电磁场 由于高频趋肤效应 使得在导体 中以指数定律衰减的电磁波 随着频率的提高 其渗透入熔体中的深度迅速减小 难以 做到利用电磁效应达到细化晶粒 改善微观组织的目的 也就是说它难以做到既保持液 柱稳定性即获得好的表面质量 但同时又使电磁波深入到熔体内部 加强搅拌改善微观 组织结构 进而提高铝材各项性能的目的 因此 目前该法主要用于改善铸锭的表面质 量 而不是其微观组织结构 此外 由于消耗在屏蔽体 感应线圈 交流发电机和变压 器中铁铜部件的电能与频率的平方成正比 这使得采用高频交流电的e m c 法的效率极 低 大约只有7 1 5 3 细晶电磁铸造 c i 也m 工艺 v i v e s l 3 3 3 4 1 提出的电磁细晶铸造c r e m c a s t i n g r e f i n i n g e l e c t r o m a g n e t i c i 艺是指 在d c d i r e c t c o o l i n g 铸造结晶器外布置感应线圈 线圈中施加5 0 h z 的工频交流电 通 1 2 东北大学硕士学位论文 第1 章前言 过其在金属熔体中产生的电磁场作用达到细化晶粒和改善表面质量的目的 如图1 2 所 示 采用该技术进行的直径为3 2 0 m m 2 2 1 4 铝合金圆锭连续铸造实验结果表明 c r e m 工艺能够有效地细化晶粒 改善表面质量 l 图1 2 c r e m 示意图 f i g 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fc r e m 线圈内交变电流在熔体内部产生垂直方向的交变电磁场 金属熔体内部的感生电流 与磁场交互作用 使熔体受到l o r e n t z 力的作用由于铸锭与结晶器几何形状在垂直方向 的不对称性 使得磁力线相对于铸锭的中心线发生了显著的偏转 导致熔体内部l o r e n t z 力的时间平均值同时存在垂直分量和水平分量 其中水平分量为与金属静压力梯度平衡 的有势力 而垂直分量为有旋力场 起到了搅拌熔体的作用 l o r e n t z 力水平分量使得 熔体自由表面形成凸起的弯月形 从而减小了熔体与结晶器接触高度和接触压力 实现 了所谓的软接触 改变了一次冷却区热通量的大小与分布情况 起到了减弱一次冷却强 度的作用 使初生凝固壳形成位置下降 表面渗出现象减弱 表面偏析层厚度随输入功 率的增加而线性减小 有效提高了铸锭的表面质量 但对铸锭横截面上大尺度范围内的 宏观偏析没有产生显著的影响 随着输入功率的增大 铸锭表面的环状波纹逐渐减小 当输入功率达到2 2 k w 时 熔体与结晶器的接触高度趋于0 得到了光滑的铸锭表面 消除了表面偏析区 在提高铸锭表面质量的同时减小了剥皮量 提高了成材率 l o r e n t z 力垂直分量形成的有旋力场起到了电磁搅拌的作用 流动场与无心感应炉 中熔融金属的流动场类似 热测量表明熔体内部的温度场受到电磁搅拌的强烈影响 l o r e n t z 力引发的强迫对流将中心区域的过热熔体带向铸锭的边缘区域 因此消除了中 心区域的局部过热 使整个液相区内温度差小于11 2 使熔体温度低于液相线温度 对 于具有较宽结晶温度区间的合金 两相区可能扩展到整个液相区 强迫对流将初生凝固 壳处形成的枝晶臂熔断并带入液穴内部形成异质结晶核心 起到了晶粒细化和抑制枝晶 1 3 东北大学硕士学位论文第1 章前言 生长的作用 铸锭由均匀细小的近球形和蔷薇形微观组织构成 采用c r e m 工艺时 结晶器电导率对熔体内部磁感应强度的分布具有重要的影响 3 3 电导率较低的结晶器能 够减小电磁场的涡流损耗 大幅度提高有效功率 r i v e s 还研究了在圆锭与扁锭连续铸 造过程中采用c r e m 工艺时熔体内部电磁场的分布规律 3 4 1 分别在采用传统的铝制结 晶器 分瓣铝结晶器 石墨结晶器及不锈钢结晶器的条件下 测量熔体内部电磁力垂直 与水平分量与感应线圈距离之间的关系 并测量了电磁场存在条件下熔体内部的流动 场 研究表明 结晶器材质对熔体内部电磁力强度产生了显著的影响 通过采用电导率 较小的结晶器能够明显加强搅拌效果 二 1 5 4 低频电磁铸造阻f e c 技术 r 低频电磁铸造l f e c l o w f r e q u e n c ye l e c t r o m a g n e t i cc a s t i n g i 艺是近年来在c r e m 的基础上 采用更低的频率 低于5 0 h z 在d c 铸造技术的结晶器周围布置交流感应线 圈 连续低频电磁铸造的方法 3 5 州 利用低频电磁场的渗透熔体能力强的特点 制备了 直径1 0 0 5 0 0 r a m 的不同合金规格的铝合金铸锭 发现l f e c 不但可以实现c r e m 铸锭 微观组织细小均匀 表面质量好的目的 更重要的是发现了l f e c 可以大大提高晶内合 金元素的含量 而且还可以增强锭坯的抗裂纹能力 减小宏观偏析 1 6 本文的研究意义和实验内容 与国外相比 我国引线框架铜合金的研制和生产还存在不小的差距 首先 引线框 架材料的研究和开发还处于初期阶段 还不具备研究高性能引线框架合金的基本手段 其次 我国能够生产的引线框架铜合金大都以紫铜 黄铜 和锡磷青铜等合金为主 而 且质量也不如国外的同类产品 就我国目前的情况而言 新型引线框架用铜合金的研究 很难在短期内获得突破的进展 应把更多的力量集中在一些成熟的典型合金的改性方 面 以加速引线框架国产化进程替代进口材料才更符合我国国情 c 1 9 4 型合金是最有代表性的一种中强度 中导电型时效析出强化铜合金 由于该 合金具有高的导热性和优良的力学性能 因此应用十分广泛 在铜引线框架材料生产应 用中所占比例达到6 5 以上 我国也具备生产c 1 9 4 型合金的能力 只是还有一些关键 的技术问题需要解决 目前c 1 9 4 的生产多采用传统的半连续铸锭 大锭热轧 高 精冷轧的技术路线 存在的最主要问题是半连续铸锭极易产生裂纹 大大影响了成材率 及生产效益 为解决c 1 9 4 合金生产中存在的问题 提高其成品率和综合性能 进而取代进口并 1 4 东北大学硕士学位论文第1 章前言 形成具有我国自主知识产权的生产技术 东北大学与辽阳铜业集团合作 开展了 高性 能c 1 9 4 合金板带材生产技术 的国家科技攻关研究 本论文是此课题研究的一部分 首先对c 1 9 4 合金半连续铸锭的组织特点和裂纹特征 形成原因进行了探讨 其次在实 验室内对c 1 9 4 合金在电磁场作用下的凝固规律进行了研究 在此基础上 提出了实际 尺寸铸锭的实验方案并进行了现场实验 具体的研究内容如下 1 对c 1 9 4 合金半连续铸锭的组织特征进行系统的研究 确定了铸态组织中的第 二相组成及分布特点 2 对c 1 9 4 合金半连续铸锭裂纹的宏观和微观特征进行了研究 分析了裂纹的形 成原因 提出了控制途径 3 在实验室内研究了不同磁场强度 不同冷却速度条件下c 1 9 4 合金凝固组织的 变化规律 4 在上述研究的基础上 提出了实际尺寸铸锭的实验方案并进行了一组参数的现 场实验 1 5 东北大学硕士学位论文第2 章c 1 9 4 半连续铸锭裂纹的特征及形成原因 第2 章c 1 9 4 半连续铸锭裂纹的特征及形成原因 在工业生产中 c 1 9 4 合金大多采用半连续铸造 存在的主要问题是铸造过程中极 易出现裂纹 当裂纹较轻时易导致在后续轧制过程出现断带现象 严重时导致整根铸锭 报废 大大降低了产品的成材率 辽阳铜业集团在半连续铸造c 1 9 4 合金过程中也存在 上述问题 为了解决此问题 本章对c 1 9 4 半连续铸锭裂纹的宏观和微观特征进行了分 析 通过与铸锭未出现裂纹处微观组织的对比 对裂纹的形成原因进行了探讨 提出了 控制途径 2 1 半连续铸造c 1 9 4 合金的铸态组织 众所周知 铸造裂纹的产生与合金的铸态组织有着密切的关系 所以要研究c 1 9 4 合金半连续铸锭裂纹形成的机理 就首先要对c 1 9 4 合金半连续铸锭的铸态组织进行详 细的分析 基于以上考虑 下文将主要对c 1 9 4 合金半连续铸锭宏观及显微组织进行论 述 2 1 1 半连续铸造c 1 9 4 合金的铸态宏观组织 半连续铸造c 1 9 4 合金的宏观组织如图2 1 所示 其中图2 1 a 为半连续铸锭横截面 腐蚀后的宏观组织 图2 1 b 为其侧面腐蚀后的宏观组织 从图2 1 a 可以看出 从铸锭 边部向中心分别为激冷区 柱状晶区和等轴晶区 铸锭的边部的表面激冷层很薄 晶粒 非常细小 但与图2 1 b 对比后不难发现 图2 1 a 中看到的等轴晶区实质上也是柱状晶 而且生长方向是向一侧倾斜的 这说明此铸锭基本不存在中心等轴晶区 全部为柱状晶 组织 由于铸锭边部的冷却速度极快 存在着很大的过冷度 那么就在过冷区域中产生了 大量的晶核 并相互抑制地成长为细小的等轴晶 这就是铸锭边部激冷层形成原因 铸 锭中柱状晶生长方向是向一侧倾斜的 而非垂直于结晶器的表面 这说明传热强度最大 的方向并不是与结晶器外壁垂直的方向 在半连续铸造过程中 铸锭凝固的传热方向并 不是单一的 而是分为径向和轴向 所以导致铸锭中柱状晶生长方向是向一侧倾斜的 倾斜角度的大小取决于径向和轴向传热的相互关系 1 6 叁韭查兰塑主堂堡垒查 箜三主竺 呈兰堂堡堡箜丝塾丝笪壁垒墨墅堕垦旦 一 图2 1 半连续铸锭的宏观组织 f i g 2 im 蚓髑饥蛾u r eo fs e n l i c 伽t i l l 鹏u si i l i 弛 a c r o s ss e c t i o n b s i d e 1 7 东北大学硕士学位论文第2 章c 1 9 4 半连续铸锭裂纹的特征及形成原因 2 1 2 半连续铸造c 1 9 4 合金的铸态显微组织 l 一 j j 半连续铸造c 1 9 4 合金的铸态显微组织如图2 2 所示 f i g 2 2 图2 2 半连续铸锭的显微组织 牛 廿 r 1 r 一一1 1 1 盥t m j i e h 一 c 撮1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 m a t r i xc o r r e e t i o nz a f z 一 j 4 础 一d p k 2 1 4 4 一3 3 2 4 f e k 70 8460 92cuk 07 7205 84matrix c o r r e c t i o nz a f 图2 3 能谱分析结果 f i g 2 3r e s u l t so fe n e r g ys p g e t r t l ma n a l y s i s 1 9 东北大学硕士学位论文第2 章c 1 9 4 半连续铸锭裂纹的特征及形成原因 关于c 1 9 4 合金的强化析出物的研究较多 但结果相差较大 有研究认为析出的强 化相是f e 2 p 1 6 4 7 1 有研究认为析出的强化相是f e 3 p 降5 0 1 还有研究认为析出的强化相主 要是单质f e 5 1 5 5 1 但以上研究均是针对c 1 9 4 合金的成品 而对铸态组织特征的研究还 未见报道 为了弄清c 1 9 4 铸态组织的组成和第二相的成分 采用扫描电镜及e d s 能谱 对铸态组织进行了分析 图2 3 为晶界处组织的能谱分析 结果证明 第二相中f e 和p 的原子比约为1 8 9 1 接近2 1 可以判断其化学组成为f e 2 p 而且其周围的a c u 几乎 不含f e 所以 晶界处的宽大组织为 a c u f e 2 p 共晶组织 二 j 二 c u k1 0 0 0 01 0 0 o o m a t r i xc o r r e c t i o n z a f 二 1 1 t 一 二二 i 山 越 一 p k2 0 7 53 2 3 5 f e k7 0 9 06 1 3 0 c u k0 8 3 50 6 3 5 m a t r i xc o r r e c t i o n z a f 图2 4 能谱分析结果 f i g 2 4r e s u l t so fe n e r g ys p e c t r u ma n a l y s i s 2 0 东北大学硕士学位论文 第2 章c 1 9 4 半连续铸锭裂纹的特征及形成原因 图2 4 为晶内岛状组织的能谱分析 结果证明 岛状组织的组成也是共晶组织 t t c u f e 2 p 而在对图2 3 和2 4 组织中的基体进行能谱分析后发现 基体中的f e 含量 约为1 1 w t 以上研究结果表明 这些存在于晶界以及枝晶臂之间的尺寸较大的第二 相均为f e 2 p 由于在枝晶界及岛状共晶组织周围存在第二相尺寸很小 所以采用了场发 射扫描电镜进行观察 见图2 5 东北大学硕士学位论文第2 章c 1 9 4 半连续铸锭裂纹的特征及形成原因 图2 5 a 为铸态显微组织的二次电子形貌照片 图2 5 b 则为与2 5 a 对应的背散射 照片 从图2 5 a 中可以清晰的看出枝晶界上河流状宽大的 a c u f e 2 p 共晶组织和晶内 的岛状 a c u f c 2 p 共晶组织 而在共晶组织周围的白色突起则为小尺寸的第二相 由图 2 5 b 可以看出 这些小尺寸的第二相的颜色与共晶组织中的f e 2 p 基本一致 初步判断 也应为第二相f e 2 p 而经过i n c a 能谱分析后 也验证了这个结论 见图2 6 从图2 6 b 可以看出 这些较小第二相的尺寸 l i a n a e l e m e n t w e i g h t a t o m i c p k1 9 6 53 0 9 9 f e k 6 8 3 85 9 8 1 c u k1 1 9 79 2 0 t o t a l s1 0 0 0 0 e l e m e n t w e i g h t a t o m i c p k2 0 7 23 2 0 4 f e k 7 9 2 86 7 9 6 t o t a l s1 0 0 0 0 图2 6 半连续铸锭中第二相颗粒的e d s 谱线 f i g 2 6e d ss p e c t r ao fs e c o n dp h a s ei ns e m i c o n t i n u o u si n g o t a b i gs e c o n dp h a s ei n c t c u f c 2 p b s m a l ls e c o n dp h a s ea r o u n d n c u f e a p 综上所述 c 1 9 4 合金铸态组织中的第二相为f e 2 p 分布有一定的规律性 粗大的 第二相f e 2 p 主要分布在 a c u f e 2 p 共晶组织中 而共晶组织则存在于晶界处和枝晶臂 间 相对细小的f e 2 p 5 岬 而在共 晶组织的边缘存在大量的 毋 2 0 8 6 4 2 东北大学硕士学位论文第3 章电磁场对c 1 9 4 合金凝固组织的影响 图3 7 图3 8 分别为铸锭平均晶粒直径和平均晶粒面积的示意图 可以看出 电磁 铸造的晶粒细化非常明显 同为常规铸造时 不同冷却速度下晶粒尺寸变化的原因在前 文已经探讨过 施加电磁场后 在电流强度同为5 0 a 时 冷却速度为o 5 s 的铸锭的 晶粒尺寸还是略大于冷却速度为l s 时的晶粒尺寸 但相对于常规铸造的细化效果要 高于冷却速度为1 1 2 s 的铸锭 当电流强度为7 5 a 和1 0 0 a 时 冷却速度为0 5 s 的铸 锭的晶粒尺寸都略小于冷却速度为1 s 时的晶粒尺寸 上述数据说明 冷却速度为0 5 s 时 电磁铸造对晶粒的细化作用相对较大 主 要原因在于 在合金的凝固过程中 电磁场对熔体的作用是在液固两相区实现的 也就 是当液相率较高时 电磁场和熔体交互产生的l o r e n t z 力才对熔体有较大的影响 如强 烈的对流作用 而当合金凝固后或固相率较高的时候 电磁场和熔体交互产生的l o r e n t z 力对熔体的影响就已经很小了 所以当冷却速度较小时 合金停留在液固两相区的时间 就较长 电磁场对熔体的影响也比冷却速度快时大 对晶粒的细化效果也更加明显一些 3 4 溶质元素含量的变化 借助扫描电镜对铸锭边缘和中心部位溶质元素f e 含量进行测量 选取冷却速度为1 s 的一组铸锭进行比较 结果见表3 4 结果表明 施加电磁场后 铸锭中心和边缘 的f e 含量的差值略有减小 这表明铸锭中f e 元素的宏观偏析有所减轻 表3 4 铸锭边缘和中心部位f e 的含量 t a b l e3 4f ec o n t e n t sa tt h ee d g ea n dc e n t e ro fi n g o t 同时还测量了铸锭中心晶内f e 元素随电流强度的变化 其结果见表3 5 数据表明 经电磁场处理后 晶内f e 元素的含量明显增加 并随着电流强度的增大而增加 由于 在合金熔炼过程中不可能精确控制每一坩埚合金的烧损 以及不能完全去除宏观偏析 所以电磁铸造铸坯的合金成分不可能完全相同 为了消除成分偏差的影响 实验中对照 表3 4 中铸锭中心的f e 元素 用相对溶质含量来比较f e 元素在晶内的固溶状况 其结 果见图3 9 图3 9 表明 经电磁场处理后 f e 元素在基体中的固溶度明显增加了 4 0 东 a g a 学硕士学位论文第3 章电磁场对c 1 9 4 合金凝固组织的影响 表3 5 铸锭中心部位晶内的f e 含量 t a b l e3 5f ec o n t e n t si n s i d eg r a i n sa tc e n t e ro f i n g o t 试样编号实验条件含量 m a s s ll s 冷却 不加磁场1 0 3 2 1 c s 冷却 电流强度5 0 a1 3 9 3 1 s 冷却 电流强度7 5 a 1 4 6 4 1 s 冷却 电流强度1 0 0 a 1 6 7 7 0 崞6 5 套 暑 一 3 o 勺5 5 一 o 疗 宝5 0 旦 罂4 5 4 0 一 东北大学硕士学位论文第3 章电磁场对c 1 9 4 合金凝固组织的影响 量 减轻了微观偏析 3 5 电磁场对c 1 9 4 显微组织及第二相的影响 3 5 1 电磁场对共晶组织形貌的影响 3 5 1 1 电流强度的影响 冷却速度为0 5 c s 的条件下 常规铸锭和电流强度分别为5 0 a 7 5 a 1 0 0 a 时 铸锭的低倍显微组织变化见图3 1 0 图3 1 0 铸锭显微组织随电流强度的变化 f i g 3 1 0v a r i a t i o no f m i c m s t m c t u r ew i t hc u r r e n ti n t e n s i t y a 鹊n o r t i l a lc a s t b 5 0 a c 7 5 a d 1 0 0 a 由图3 1 0 a 可以看出 常规铸锭的晶粒较大 晶内的枝晶也较发达 并且在晶界和 晶内存在较多的共晶组织 晶内的共晶组织分布不均匀 呈条状或岛状 局部呈网状分 布 而晶界的共晶组织较宽 图3 1 l 为共晶组织的s e m 形貌照片 经过e d s 能谱分析 共晶组织也为 a c u f e 2 p 与半连续铸造的铸锭一致 图3 1 0 b d 表明 在电磁场的作用下 合金中的共晶组织发生了明显改变 当电流 4 2 东北大学硕士学位论文第3 章电磁场对c 1 9 4 合金凝固组织的影响 强度为5 0 a 时 晶内的共晶组织明显减少 但共晶组织的形态变化不大 当电流强度为 7 5 a 时 晶界的共晶组织以岛状居多 条状的基本消失 但晶界上的共晶组织宽度变化 不大 电流增加到1 0 0 a 后 晶内的共晶组织进一步减少 较常规铸锭变化非常明显 而且晶界上的共晶组织的宽度明显的变窄 以上证据表明 电磁场能够有效减少 a c u f e 2 p 共晶组织的数量 并改变其形态 电流强度为1 0 0 a 时 变化最为明显 属 易 的 共 的 有 东北大学硕士学位论文 第3 章电磁场对c 1 9 4 合金凝固组织的影响 可能在冷至相当于共晶温度以下仍有满足共晶成分的液相 从而会使结晶后的组织中沿 晶界出现共晶组织 正如在如图3 1 0 a 中所看到的组织 如前所述 在电磁场的作用下 共晶组织的数量以及形态均发生了明显的变化 这 主要是由于电磁搅拌产生的强制对流能提高熔体的流动性 从而提高熔体内溶质原子的 传输能力m 特别是强烈的紊流作用使熔体内的成分分布更为均匀 降低了凝固前沿的 溶质的偏析程度 那么成分能够满足共晶反应的小液池就会减少 共晶组织的数量也相 应降低 另外 随着电流强度的增加 铸锭组织中的枝晶逐渐退化 枝晶臂随之粗化 这也能够有效减少枝晶臂间的共晶组织 3 5 1 2 不同冷却速度的影响 冷却速度为1 s 的条件下 常规铸锭和电流强度分别为5 0 a 7 5 a 1 0 0 a 时 铸 锭低倍显微组织的变化见图3 1 2 东北大学硕士学位论文第3 章电磁场对c 1 9 4 合金凝固组织的影响 与分布的变化规律与冷却速度为o 5 s 的情况基本一致 而两者的区别有如下两点 1 常规铸锭的区别 冷却速度为l s 铸锭中的共晶组织要比冷却速度为o 5 s 铸锭的更 多 这主要是由于冷却速度快 结晶后固相内溶质的扩散来不及进行 晶内和晶界的溶 质偏析比较严重 从而形成了较多的共晶组织 2 施加电磁场后 当电流强度为5 0 a 7 5 a 时 冷却速度为1 s 的铸锭中的共晶组织还是要比冷却速度为o 5 s 的多 当电 流强度增大到1 0 0 a 时 不同冷却速度下共晶组织的差别变得不明显 3 5 2 电磁场对第二相形态 尺寸以及分布的影响 冷却速度为l s 的条件下 常规铸锭和电流强度分别为5 0 a 7 5 a 1 0 0 a 时 铸 锭的s e m 显微组织见图3 1 3 图3 1 3 显微组织的扫描电镜图像 f 逸 3 1 3s e mi m a g e so f m i c r o s m i e a x r e a 嬲n o r m a lc a s t b 5 0 人 c 7 5 八 d 1 0 0 a 4 5 东北大学硕士学位论文第3 章电磁场对c 1 9 4 合金凝固组织的影响 可以看出 常规铸锭的共晶组织 a c u f e 2 p 非常粗大 且呈条状分布 宽度在4 0 岬 左右 共晶组织内部存在较大尺寸的第二相 且形状不规则 在共晶组织周围分布着许 多较小的第二相 当电流强度为5 0 a 时 晶内的共晶组织以岛状居多 条状的减少 而 条状共晶组织的宽度变化不大 共晶组织内部的第二相形状趋于规则 大部分为近球状 而共晶组织周围析出的较小尺寸第二相的数量变化不大