（材料加工工程专业论文）近共晶铸造alsi合金共晶凝固过程的研究.pdf

中文摘要 摘要 本文综述了铸造一s i 合金的枝晶细化机理、共晶s j 变质机理及s i 合金共晶凝固模式的研 究进展。借助组织观察、液淬和热分析等考察了不锈钢杯铸型( 2 k s ) 和金属铸型( 1 0 k s ) 凝同条件 下b 、p 、m m 与s r 的加入对近共晶铸造a l - 1 3 0 m a s s s i 合金组织形貌及共晶凝固过程的影响。 主要的研究结果如下： 基本合金、加b 合金、加p 合金和s r 变质合金的组织观察与t a 分析结果表明，共晶体的形 核与生长可能分为两个过程，即，粗大共晶体( 类枝晶a a l + 粗片状s i ) 和细小共晶体( 共晶s i 呈 细片状) 的形成。首先是以初生s i 相为中心的粗人共晶体在较高温度f 形核，以离异共晶形式生长， 几乎不需要过冷。然后是细小共晶体在较低温度下形核、以共品两相耦合的方式生长，需要较大的 过冷。不锈钢杯铸型条件下的基本合金的凝崩过程是由过冷度控制的，凝固起源于型壁附近一定区 域内的晶体的形核与生长，并逐渐向试样中心推移。 b 的加入为共晶体的形核提供了大量形核基底，致使共晶显著形核温度( t i ) 和再辉前最低温 度( t - ) 大幅升高，对共品生长温度( t o ) 影响很小。b 的加入为初晶s i 提供了形核核心从而导致 粗大共晶体在整个试样截面内均匀分布，而t i 的大幅升高使得细小共晶体可以在更高的温度下形核 从而使粗大共晶体的生长空间受限，因此粗大共晶体随着b 含量的增加而减少而细小共晶体大大 细化。b 的加入对a l 一1 3 0 s i 合金的凝同过程产生了显著影响，使合金由朱加b 时的起源于型壁附 近一定区域内的晶体的形核与生长并逐渐向试样中- f i , 推移的凝固模式转变为加b 后在整个试样范围 内同时大量形核和生长的凝固模式。 热速处理能够使熔体中未熔的s i 颗粒及潜在的形核核心分布更为均匀，从而在凝固过程中细 化了组织。对b 含量较高的合金这种作用并不显著。 单独加p 后，合金的t i 、1 m 及t j 都有小幅上升，合金的形核和生长还是以从近型壁区逐渐 向试样中心进行为主，受过冷度控制，但液相区出现了一些独立形核区，预示着p 的加入能够为共 晶体的形核提供形核核心，使其在试样中部独立形核，但作用效果远不如b 。p 作为初晶s i 相有效 的形核核心，使初生s i 相、粗大共品体和细小共晶体在试样中的分布更加均匀。但是液相中存在的 a l p 却可以成为共晶s j 相的形核提供核心，从而使细小共晶体在较高的温度下形核和生长而使共晶 s i 片粗化。 在s r 变质的基础上加入p 元素后并没有改善共晶体的形核条件，对s r 的变质状况也没有明 显的削弱。p 的加入并朱改变了s r 变质合金的共晶凝同模式，仍然是从近型壁区向试样中心区进行 推移。先加s r 还是先加p 对合金的凝崩模式影响不人。 m m 的加入使s r 变质一s i 合金t g 、t n 先人幅下降后上升，至v i m 含量l j 畅时。1 b 、1 n 和 单纯s r 变质合金的相当。少量m m 的加入对s r 变质合金的凝向模式影响不人，共品凝同仍然严格 从近型擘区至试样中心进行，试样中部区域没有独立的共品形核区。m m 的人量加入改变了s r 变质 a j s j 合金的凝| i l i l 方式，使其由严格的从近型壁区逐渐向试样中心的凝固逐渐转变为在试样中心也存 在独立形核的方式。 关键词：a 1 - s i 合金，组织，凝固，共晶，形核，生长 英文摘要 d e v e l o p m e n to nm e c h a n i s m so fr e f m e m e n to fa - a id e n d r i t e sa n dm o d i f i c a t i o no fe u t e c t i cs i l i c o n ， a n de u t e c t i cs o l i d i f i c a t i o nm o d ei na i s ic a s t i n ga l l o y sw e r er e v i e w e d i nt h ep r e s e n tp a p e r , i n f l u e n c eo f a d d i t i o n so fb ，p s ra n dm mo nt h em i c r o s t r u c t u r ea n de u t e c t i cs o l i d i f i c a t i o nm o d eo fn e a r - e u t e c t i c a l 一1 3 0 s ia l l o y su n d e rd i f f e r e n tc o o l i n gr a t e so f2 k s ( c a s ti nat a p e r e ds t a i n l e s ss t e e lm o l d ) a n d1 0 k s ( i n ac y l i n d e rm e t a lm o l d ) h a sb e e ni n v e s t i g a t e db ym i c r o s t m c t t t r eo b s e r v a t i o n ，t h e r m a l a n a l y s i sa n d q u e n c h i n gt e c h n i q u e ，e t c r e s u l t sa r es h o w na st h ef o l l o w i n g m i c r o s t r u c t u r eo b s e r v a t i o no ff u l l ys o l i d i f i e da n dq u e n c h e ds a m p l e sa n dt h e r m a la n a l y s i so nb a s i c ， b - a d d i n g ，p a d d i n ga n ds r - c o n t a i n i n ga l l o y sc o n s t r u c tan e wh y p o t h e s i s ：t h e r ea r et w om o d e so fn u c l e a t i o n a n dg r o w t ho fe u t e c t i ci nn e a r - e u t e c t i ca 1 一s ia l l o y s ，n a m e l ys u c c e s s i v ef o r m a t i o n so f c o a r s ee u t e c t i c a n d f i n ee u t e c t i c t h ef o r m e ri sc o n s t i t u t e do fd e n d r i t e 1 i k ee u t e c t i cm a ip h a s ea n dc o a r s ee u t e c t i cs ip h a s e a n di nt h el a t e r , e u t e c t i cs i p h a s ep r e s e n t sa sf i n ef l a k e s a tat e m p e r a t u r ea b o v et h ee q u i l i b r i u m t e m p e r a t u r eo fe u t e c t i cr e a c t i o ni na i s is y s t e m , t h ec o a r s ee u t e c t i cf i r s tn u c l e a t e so r i g i n a t i n gf r o mt h e p r e - f o r m e dp r i m a r ys ip a r t i c l e sa n dg r o w sw i t had i v o r c e dm o d e o fw h i c ht h ef o r m a t i o nh a r d l yr e q u i r e s u n d e r c o o l i n g a n dt h e n ，t h ef i n ee u t e c t i cn u c l e a t e sa tal o w e rt e m p e r a t u r ea n dc o u p l e d g r o w s ，r e q u i r i n ga l a r g e ru n d e r c o o l i n g s o l i d i f i c a t i o no ft h eb a s i ca l l o yi nt h et a p e r e dm o l di sc o n t r o l l e db yu n d e r c o o l i n go f t h em e l t , o r i g i n a t i n gf r o mp r o l i f i cn u c l e a t i o na n dg r o w t ho fe u t e c t l ci nal i m i t e dr e g i o nn e a rm o l dw a l l ，i n p r o g r e s st o w a r d st h ec e n t e ro fc a s t i n g a d d i t i o no fb o r o bi nt h eb a s i ca l l o yi n f f o d u c e sag r e a tn u m b e ro fn u c l e a t i o ns i t e sf o rt h ef i n ee u t e c t i c ， r e s u l t i n gi nar e m a r k a b l ei n c r e a s ei nt h en u c l e a t i o nt e m p e r a t u r e ，t n ，a n dt h em i n i m u mt e m p e r a t u r e ，t m ， a n dh o w e v e ra l m o s tn oc h a n g eo ft h eg r o w t ht e m p e r a t u r e ，t j a d d i n gba l s oa f f o r d ss i t e sf o rn u c l e a t i o no f t h ep r i m a r ys ip h a s e ，a n dh e n c e ，t h ec o a r s ee u t e c t i cu n i f o r m l yd i s t r i b u t e st h s o u g h o u tt h es e c t i o no f c a s t i n g h o w e v e r , n u c l e a t i o no ft h ef i n ee u t e c t i ca tah i g ht nl i m i t st h eg r o w t hs p a c eo ft h ec o a r s ee u t e c t i c s o 谢t h i n c r e a s ei ua d d i t i o no fb t h ea m o u n to ft h ec o a r s ee u t e c t i cd e c r e a s e sa n di h ef i n ee u t e c t i cb e c o m ef r e e r a d d i t i o no fbh a sa bi m p o r t a n ti n f i n a n c eo ne u t e c t i cs o l i d 垴c a t i o nm o d e c h a n g e di n t os i m u l i r u e o n s n u c l e a t i o na n dg r o w t ho f e u t e c l i ct h r o u i g h o u tt h e5 e c t i o no fc a s t i n g t h e r m a lr a t et r e a t m e n to nm e l tc a nc a t l $ et h eu n m e l t e ds i l i c o np a r t i c l e sa n do t h e rp o t e n t i a ln u c l e io f e u t e c t i cd i s t r i b u t em o r eu n i f o r m l y , c o n s e q u e n t l yr e f i n i n gt h em i c r o s t r u e t u r e t h i se f f e c ti su n c o n s p i c o o n s f o rt h ea l l o yc o n t a i n i n gah i g hbl e v e l s o l ea d d i t i o no fp h o s p h o r u si nt h ea l l o yl e a d st oas l i g h ti n c r e a s eo ft h et n ，t ma n dt g ，i n d i c a t i n g a d d i t i o no fpc a na f f o r ds o m es i t e sf o rn u c l e a t i o no ft h ef i n ee u t e c t i c ，o fw h i c ht h ee f f i c i e n c yi sf a rl e s st h a n t h a to fb 1 r b ef i n ee u t e c t i cn u c l e a t e sa n dg r o w sa tah i g h e rt e m p e r a t u r e c a u s i n gt h ee u t e c t i cs i l i c o nf l a k e s c o a r s e n i n g e u t e c t i cs o l i d i f i c a t i o nm o d ed o e sn o tc h a n g er a d i c a l l yb ya d d i t i o n o fp s t i l lc o n t r o l l e db y u n d e r c o o l i n g h o w e v e r , s o m en u c l e a t i o ne v e n t sh a v eo p e r a t e di nt h el i q u i df a rf r o ms o l i d i f i e ds o l i db e f o r e q u e n c h i n g d u et ot h ef a v o r a b l er o l eo fpo nn u c l e a t i o no fp r i m a r ys ip h a s e ，d i s t r i b u t i o no fp r i m a r ys i l i c o d p a r t i c l e s ，c o a r s ee u t e c t i ca n df i n ee u t e c t i ci su n i f o r m i nc a s e so fc o m b i n e da d d i t i o no fs ra n dp f i r s tp - a d d e do rf i r s ts r - a d d e d ，t h en u c l e a t i o nc o n d i t i o no f e u t e c t i c 。i sn o ti m p r o v e d ，c o m p a r e dw i t hs o l ea d d i t i o no fs t , a n dw e a k e n i n go fpo ns t - m o d i f i c a t i o ni sn o t o b v i o u s a d d i t i o no fpd o e sn o tc h a n g et h ee u t e c t i cs o l i d i f i c a t i o no fs r - m o d i f i e da l l o y , s t i l lo r i g i n a t i n g f r o mt h em o l dw a l lo ri t sa d j a c e n c ei np r o g r e s st o w a r d st h ec e n t e ro fc a s t i n g s e q u e n c eo fa d d i t i o no fph a s n oj n f l u e n c eo ne u t e c t i cs o l i d m c a t j o n a d d i t i o no fm m ( m i s c hm e t a l1i ns r - m o d i f i e da l l o yl e a d st oc o n s i d e r a b l ed e c r e a s et - t r s la n dt h e nr i s e i nt h et n ，t ma n dt 6 w h e n1 o o fm mi sa d d e di nt h es r - m o d i f i e da l l o y , t h et n ，t ma n dt gg e th a c kt h e 英文摘要 a p p r o x i m a t el e v e lo fs o l ea d d i t i o no fs t s m a l la d d i t i o no fm md o e sn o tc h a n g et h ee u t e c t i cs o l i d i f i c a t i o n o fs r - m o d i f i e da l l o y , m s l c a di nf a v o ro fm o d i f i c a t i o no fs t h o w e v e r , n u c l e io fe u t e c t i ci n t r o d u c e db ya g r e a td e a lo fa d d i t i o no fm mf a v o rm a n yn u c l e a t i o ne v e n t so p e r a t i n gi nt h ec e n t r a ll i q u i dz o n ea n dh e n c e s g h f l yc h a n g i n gt h ee u t e c f i cs o l i d i f i c a t i o nm o d e k e yw o r d s ：a i s ia l l o y , m i c g o s t m c t m e ，e u t e c t i c , s o f i d i f i c a t i o n , n u c l e a t i o n , 乎o w 山 n i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示 了谢意。 研究生签名：日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公 布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生 院办理。 研究生签名：导师签名：日 期： 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 作为一种较为传统的金属材料，铸造铝合金有着悠久的应用历史，由于其具有密度小、导熟性 好、易于成形等优点，已广泛应用于航空航天、交通运输、轻f ：建材等部门，是轻合金中应用最广、 用量最大的合金，成为仅次于钢铁的第二大金属材料，其种类繁多的铸造方法也是其它合金无法比 拟的i 。 近年来，能源问题和环境问题日益突出，零件轻鼍化技术受到各国的重视，铝、镁等轻合金随 之发展迅速1 4 j 。随着现代f 业与铸造新技术的飞速发展对铸造铝合金的需求将会越来越人，在制 作形状复杂、比强度要求高的零件时广泛采用铸造铝合金。在全球范围内铝铸什的产量从1 9 9 5 年的6 4 0 万吨( 其中西方世界铝铸件的产量为5 6 0 万吨) 增加2 n 1 9 9 9 年的7 9 0 万吨，业界预计到2 0 1 4 年将提升至t j l 2 0 0 万吨的水平。但实际上，铝铸件的增k 远远超出了人们的预测，如2 0 0 4 9 和2 0 0 5 年 世界的锅铸件产晕分别达到1 0 3 4 万吨和1 1 7 2 万吨( 含少量镁台金) 口，6 i 。 表1 1 1 7 1 显示了1 9 9 5 年按照不同的应用范围所划分的铝铸件产量，由图可知，其中交通运输业主 要是汽车工业为铝铸件的消耗大户。从长远发展来看，汽车数量的增长与铝铸件的上升处于平行地 位。在世界范围内汽车工业正迅猛发展，欧美国家的汽车公司，如美国通用汽车公司、福特汽车 公司和德国人众汽车公司、宝马汽车公司等都在强化和开发铝部件在汽车上的应用，汽车轻量化的 要求极大推动着铝铸件的应用，铝合金铸件在汽车零件中所占的比重将越来越大。同时，随着铝铸 造技术的进步，以及铸造行业对e 机零部件的结构和性能的了解更加深入铝铸件越来越多地应用 于承受载荷的结构零件的制造。铝铸件不仅在强度性能上可达到要求，并且可有效减少零件的数量 和重量，从而达到降低飞机制造成本的目的。 表1 - 11 9 9 5 年按照不同的应用范围所划分的铝铸件产量m t a b l e l 1d i s t r i b u t i o no f a h l u a l h l l u mc a s t i n gp r o d u c e di n1 9 9 5a c c o r d i n gt od i f f e r e n ta p p l i c a t i o af i e l dm 铝在地壳中蕴含十分丰富截j k l 9 8 5 年为止，世界铝土矿的探明储量为2 2 6 7 亿吨口l ，其质量分 数远远人丁地壳中铁的含量。铝不但具有可同收性，并且是种可以反复使_ i j “永不消火”的金属。 自1 8 8 6 年以来人类所生产的6 9 亿吨原铝中，约有4 8 亿吨目前仍在被利用，并且以后仍将被使用。目 前，每年约有1 1 6 0 万吨废铝通过同收再生，满足了全球铝市场4 0 的需求。再生铝的能耗仅为制取 原铝的3 一5 。与原铝生产相比，铝的同收和再生利用不仅节能效果显著，而且可以减免铝生产中 c 0 2 和c 0 的排放量。这对于防治大气污染有重要意义所以铝的生产被称为“绿色金属”生产 9 1 。随 着铝铸件和再生铝生产工艺的发展铝合金的研究和应心将会继续保持迅猛发展的势头。 2 0 世纪踟年代以来随着一些人型骨干企业人量引进新 艺、新设备我国的铸造业获得了 迅速的发展。随着国民经济的高速发展，2 0 0 0 年以来，我国铸件产量一直居世界铸什人国榜首，2 0 0 4 年我国铸件产量达2 2 0 0 万吨，多r 美国平日本产量的总和。根据年度全球铸件生产统计报告，从 2 0 0 1 年到2 0 0 5 年。我国铸件产量都以1 0 以上的幅度递增，2 0 0 3 年的增长幅度达到1 5 左右【l “。 但是与t 日= 界i ：业发达国家相比，我国铸造业还处r 相对比较落后的地位。这些不足表现在，虽然铸 件产颦较多，但是我国铸造生产厂点较多，每个厂的铸什人均产营远低ti ：业发达国家而且低于 邻国印度。这种情况不利丁铸造设备、技术锋方面的开发和改进。故我国铸什出口往往以价格取胜， 铸什品质不高，能耗和污染也较为严重，铸造从业人员的素质普遍较差，管理严重滞后，这些都是 制约我国铸造业发展的重要冈索。 表1 - 2 i “1 为美国尔忠 m o d e mc a s t i n g ) ) 2 0 0 4 年1 2 月发表的关了：2 0 0 3 年度十人铸件生产国及其 东南大学硕士学位论文 铸件年产量的构成情况。我国的铸件总产量以1 8 1 5 万吨位居世界第一，其中灰铁铸件产量约为1 0 8 0 万吨，球铁铸件的产量约为3 6 3 万吨，铸钢件产量约为1 8 2 万吨，分别是美国的2 5 倍、0 9 5 倍、 1 9 倍。而有色合金特别是铝台金铸件产量仅占总铸件产量的6 9 ，大大低于美国的1 6 2 和日本的 2 0 6 可见产品构成中轻合金的比重很低是我国铸造技术落后的重要体现之一。例如8 0 年代末 到9 0 年代初，在铸件总量停滞甚至下降的时候，日本的铝铸件产量一直保持着年递增1 0 左右的高 增长率l l “。铝铸件的质量和产量不仅是铸造水平的标志，也将是2 1 世纪国家r 业水平高低的重要标 志1 1 ”。所以中国虽然是铸造大国，但却不是铸造强国。同世界= 业发达国家的铸造业相比，我国铸 造业还有很长的路要走。 表1 - 22 0 0 3 年度十大铸件生产国铸件年产量及其构成情况i l i i t a b l c l 2t h ey e a r y i e l d o f c a v i n ga n d t h c hc o m p o s i n g o f m c t 叩咖c a s t i n g m a k i n $ c o u n u y 缸2 0 0 3 1 1 1 1 铝合金分为形变铝合金与铸造铝合金两大类。主要的铸造铝合金体系有a i s i 系、a i - c u 系和发 展较为迅速的铸造铝基复合材料。其中以s j 作为主要合金元素的铸造a j s i 合金是铸造铝合金中最 重要的一个系列，占铝铸件产量的8 5 9 0 i l ”。s i 的加入，使其既保持了铝合金密度小、比强度 高的特点，同时提高了合金的铸造性能，改善了流动性，降低了热裂倾向性，减少了缩松，提高了 气密性，可获得组织致密的铸件。该类合金兼有优异的耐蚀性、可焊性及热膨胀性能，而且适用于 各种铸造方法，可以用来生产形状复杂、薄壁、耐蚀、气密性要求高、承受中高静载荷或冲击载荷、 或者要求在较高温度下t = 作的人、中、小型铸件【l ”。尽管铸造s j 合金具有r 。阔的应用前景，但 其研究与应用也面临着严峻的挑战。随着现代工业的飞速发展人们对铸件的可靠性等要求越来越 高对合金综合性能和特种性能的要求不断提高。 由丁现有铸造a l s i 合金的综合性能还不能满足： 业生产的更高要求，因此人们正从多个不同方 向对铸态a j s i 合金进行研究，以期在保持其优良的成形性能同时进一步提高其综合性能。目前铝 合金强化方法很多，一般分为加l 。硬化、同溶强化、异相强化、弥散强化、沉淀强化、晶界强化和 复合强化等7 类。概括起来，当前科研人员对a 1 s i 合金的强韧化研究土要集中在优化合金成分、铝 熔体净化处理、晶粒细化处理、变质处理等几个方面，并从它们之间的联系来考察其对合金组织和 性能的影响。 过土相当长时间内人们对a 1 s j 合金的研究主要集中在哑共晶铸造合金( s i ：6 - - 1 0 ) 和部 分过共品合金领域( s i ： 1 4 ) ，对近共品成分( s i ：1 2 1 4 ) 的s i 合金研究较少。近年来，近 共品成分的s i 合金以其优异的铸造性能较低的材料成本，良好的力学性能、耐蚀性、可焊性、 低的热膨胀系数，以及其住机械l 业、汽卞r 业、航空与军事j ：业中潜在的j “阔应用前景逐渐受到 重视i l q ，为研究人员开发出具有更高综合性能s j 合金提供了一个更，“阔的平台。 2 第一章绪论 1 2a i s i 合金凝固组织特点 a 1 s i 二元合金具有简单共晶相图( 见图1 - 1 ) ，其平衡两相是a 相和b 相，共晶温度为5 7 r c ， 共晶点的含s i 量为1 2 6 ；相具有良好的强度和韧性。是s i 溶于形成的同溶体，在共晶温度时 s i 的溶解度最大，为1 6 5 ，而在室温时只有0 0 5 ：b 相是a l 溶于s j 形成的围溶体，由于b 相中 含量极少，所以可以直接用s i 相来表示，它是一种硬而脆的组织。当s i 含量为1 6 5 1 2 6 时， 结晶过程中，先析出胡( + 般叫做初生或c t - a i 相) ，当温度降至5 7 7 0 c 时，剩余合金液的成分达 到了兆晶成分，析出( a + b ) 共晶体。当s i 含量大于1 2 6 时结晶时先析出b 相( 一般叫做初生 s i 相或初晶s i 相) 当温度降至5 7 7 0 c 时，剩余合金液的成分同样达到了共晶成分，析出( a + b ) 共 晶体。一般把共品体中的b 相称为共晶s j 相。 铝硅合金的组织由韧性较好的a 闶溶体和坚硬的s i 相构成，具有良好的耐磨性以及一定的强度 和韧性。由于硅线膨胀系数较小( 仅为铝的1 6 左右) ，因此a 1 s i 合金具有较小的线膨胀系数。随 着合金中s i 含量的增加，组织中的s i 相持续增多，提高了合金的抗拉强度和屈服强度。但是，铸造 a i - s i 合金中的共晶s i 相在未变质生长条件下将会长成层片状，这种形态的共晶s i 相割裂基体，使 a l s i 合金塑性下降。 p o 彤l 酗1 2 6 s i 图1 - 1a i s i 合金平衡相图 f i f r l - 1b i n a i yd i a g r a mo fa l u m i n i u m - s i l i c o ns y s t e m 1 3 a i s i 合金组织细化 a 1 s i 系铸造合金强化途径主要有组织细化、合金化与热处理强化等措施。 众所周知，对丁在较低温度f 使用的金属材料，一般总是希望获得较细小的晶粒，晶粒越细， 金属材料的强度、塑性和韧性等综合力学性能就越好，冈此，控制其组织和性能的土要措施是熔铸 出细小均匀的铸态品粒组织1 1 7 1 。组织细化对丁单相合金就是指晶粒细化，而对丁多相合金来说指基 体合金品粒和第一相细化。对于近共品铸造- s i 合金的组织细化，包括四个方面：初生a 相细化、 初生s j 相细化、共晶s i 细化( 共晶s j 变质) 和共晶团的细化。 1 3 1 枝晶a 细化方法及细化机理 a i - s i 合金通常节现二种不同的晶粒形态：等轴晶、耗状晶和双村! 状晶( t w i n n e dc o l u m n a r g r a i n t c g ) 。有目的地抑制柱状品和t c g 生长，促进细小等轴品形成，这种i ：艺过样就叫做品粒细化处 理。有文献报道，s i 的存在促进t c g 的形成，因而为了获得细小笆轴品组织，对铸造一s i 合金进 3 东南大学硕士学位论文 行细化处理尤为重要【1 “。对于初生c t 相，细小均匀的等轴晶是其最佳的铸态组织，要获得这种组织， 必须通过不同的手段细化晶粒，即结晶组织的微细化处理，包括内生法和外生法两种。内生法是借 助外来能量( 如机械振动、电磁搅拌、对流、超卢波处理、热温等作用) ，使a a l 基体细化；外生法 是指在熔体中加入某种细化剂( 变质剂) 从而达到细化晶粒的目的。在工业生产条件下添加细化 剂的细化处理是简便而有效的方法，也是铝熔体处理技术的重要组成部分。这是因为控制冷速或借 助外来能源等均需要特殊的设备和工艺，在实际工业生产中较难实现，并且还受生产条件、合金性 质等的限制”m 。 1 3 1 1a i s i 合金晶粒细化方法 2 0 世纪4 0 年代就开始了对铝合金晶粒细化剂的研究。那时人们把1 1 、b 直接加到铝合金熔体 中，发现对铝材品粒有一定的细化效果。5 0 年代，义将币、b 以k 2 啊f 6 和k b f 4 的形式加入到铝熔 体中与熔融的锅反应生成 h a l j 、t i b 2 而产生细化作用。由于其产生的细化效果不均一难以控制 反应参数，无法预测晶粒细化的响应程度，且币和b 的实收率低不稳定，目前已基本被淘汰。 年代，为了克服直接加入k 2 t i f 6 、k b f 4 盐类化合物的缺点，人们采用了中间合金形式的细化剂- 1 1 。 随后，出现了a i 币b 锭、块形式的细化剂，块状中间合金虽比盐类化合物优越，但仍存在着细化效 果衰退、“z f 中毒”、 r d 3 2 粒子集聚等问题。8 0 年代出现的a i 币b 丝其细化效果比锭、块形式的 j u - t j b 好其优点是币、b 利用率高，可减少细化剂用量，细化剂均匀分布细化效果较稳定连 续；可实现细化处理的自动化，改善了劳动条件；可避免t i b 2 粒子的集聚和沉淀等。s i g w o r t ha n d g u z o w s k i 1 5 i 开发了一种晶粒细化剂越3 t i 3 b 中间合金适合于亚共品a 1 s i 台金，已经投入了工业 应用。结果表明，a l - 3 t i 3 b 中间合金比通常所用的a i - s t i 一1 b 中间合金的细化效果更佳。a p p l i a a 和c h c n g ”1 考察了中间合金5 t j 、- 5 t i - 0 2 b 、- 5 t j - 1 b 和a l - 3 t j - 3 b 细化a i - 7 s j 和a 3 5 6 合金 的情况后，同样发现3 t i 3 b 的细化效果最佳。 我国把晶粒细化剂的研究作为“六五”重人课题，年代末加快了研究的速度和力度。进入如 年代，我国铝加1 = 企业已，“泛使用品粒细化剂【j ”。近年来国内外相继开发出其他一些新型细化剂， 如a l 币c 【刎、用c b 1 2 1 】、a 1 币b r e 阻，a l 币s p i 、a 1 t i b e “】等。马自立l “j 研发的a 1 s t - r e 复合细化变质剂，该细化变质荆可使z l l 0 2 合金e 8 0 m m 砂礁试样在完全变质的同时，显著细化a i - s i 合金枝品组织，与= 业用a 1 1 0 s r 中间合金相比，试样二次枝臂间距( d a s ) 减少了2 2 6 2 3 2 。 方旭升等l 捌研发的a j _ t i b r e 系列细化剂不仅细化效果优丁a i - s t i 1 b 中间合金，还具有高效、长 效等特点。但这些新型细化剂的效果和稳定性等还缺乏系统深入的研究应用范围仍有限，而且其 晶粒细化机理也不十分清楚，有待进一步深入研究。所以多年来，“泛采用的币- b 细化剂仍然是目 前最有效的晶粒细化剂之一，而寻找和研究更为有效的细化剂及其处理技术依然十分迫切和必须。 总之，白从4 0 年代人们发现微量b 、t j 能人人细化铝及其合金口”、改善合金力学性能以来，人 们对晶粒细化进行了广泛的研究，开发了多种i ：业用细化荆。晶粒细化成了合金强韧化的重要方法 之一，是提高a i - s i 合金力学性能的重要手段之一。 1 3 1 2a 1 s i 合金晶粒细化机理 人们在研究各种类型晶粒细化剂的同时，相继提出了相关的细化机理。其中关于哑共晶s i 合金的细化机理的基本概念最初采用的是l ：业纯铝和锻造铝合金的细化机理，并未考虑其中s i 含 量的影响。从基本理论上来说，细化机理是十分清晰的，最简单的情况是：人鬣潜在的异质形核基 底( s i t e ) 分布于铝熔体中，其中许多形核基底住冷却过程中被激活而成为有效的形核核心，从而促进 了形核和凝同。较为一致的看法是，当中间合金加入到镉熔体后。铝基体溶解，不同的中间台金向 熔体中释放山金属间化合物粒子( t i a l 3 和t i b 2 或( a j ，t i ) b 2 等) ，这些粒f 随后作为形核基底而起到 形核作h 。然而，关丁i 熔体中释放的金属间化合物粒子的确切的物理化学特性，及它们随后与熔体 之间的反席情况仍不清楚或说法不一p 。 4 第一章绪论 目前，对晶粒细化机理的观点主要有：包晶反应理论、硼化物理论( a m z 、t i b 2 粒子) 、共晶反应 理论、t i c 核心理论( 粒子理论) 、相图理论、亚稳相理论、a a 1 晶体增殖理论( 或称晶体分离理论) 、 相图和粒子双重理论、碳化物堋化物粒子理论、原子结构理论、相图粒子理论等。目前提出的一些 机理只能解释细化过程中的某些现象，各机理之间的有些说法甚至相互矛盾，迄今还没有一种观点 和理论能完全解释所有的晶粒细化现象和细化行为，这说明铝及其合金的晶粒细化机理是极其复杂 的p o l 。其中较有代表性的是包晶反应理论，硼化物理论( a i b 2 、t i b 2 粒子) 、碳化物硼化物粒子理 论等。 ( 1 ) 包晶反应理论 包晶反应理论是以a 1 砸相图中的包晶反应为基础的，由c r o s s l e y 和m o n d o l f o 提出。在6 6 5 时，存在包品反应：l + 1 i a i r + a a l ( 图i - 2 ) 。该理论认为a 1 砸中间合金主要含有t t a l 3 和a - a l 粒 子，当向锅合金熔体中加入a j 用中间合金时，在中间合金熔化的过程中，一部分t i a l 3 粒子被溶解， 溶解的t t a l 3 粒子在朱溶解的t t a l 3 粒子周围形成了一层富n 区，当t i a l 3 表面层的币浓度若达到 0 1 5 以上，温度降低剑6 6 5 c 时，t i a l 3 将和它周围的铝熔体发生如上述所示的包品反应。此时熔体 中其它位置的节浓度还很低，而熔体温度却高于铝的熔点，包晶反应产生的t i a l 3 表面的铝包层很 难在这种条件下长大，而其作为随后凝固过程中a - a l 相的形核核心使晶粒细化p “。t t a i ，和a - a i 在 ( 0 0 1 ) a i 和( 1 1 0 ) a j 面上存在良好的共格关系，铝原子可以在几个t i a l 3 品面上同时外延生长，d a v i e s 等在a - a l 中心也观察到了t i a l 3 质点1 3 2 。由于s i 的存在，会发生a i - s i - t i 三元共品生成的啊( a j l j ) 3 也存在包晶反应：t i ( a l l ) 3 + l ，a - a l 。s i 的存在使包晶点成分向更低面量位移、t i ( a l i l b 在 a l 中的溶解度降低，导致有效砸量增加。该三元化合物与合金液在高于合金液相线温度时发生包晶 反应，结晶出a 舢相，在合金冷却凝同过程中熔体中的原子直接在已结晶出的越相上外延生 长，而不需要过冷，因而枝晶口相得以细化。同时s i 的存在也使包晶反应温度显著降低，高s i 含量 使包晶反应温度低于合金液相线温度，因而导致t i ( a j 。s ) 3 丧失晶粒细化能力1 2 9 。 但这一理论不能解释钛低于0 1 5 时的晶粒细化现象，同时也无法解释b 的加入显著提高了 a l 币细化剂效率的原因。 o 型 赙 田“2 a i - 1 相图富a i 端 f i g 1 2 t h ea l u m i n u m r i c hs i d e o f i h c b i n a r y a l j np h a s ed i a g r a m 图1 - 3a i t i 、a i - 5 f i b 和a i b 晶粒细化剂在a 3 5 6 合 金中的品粒细化比较i 叫 f 培1 3 g r a i nr e f i n e m e n to f a 3 5 6a l l o yw i t ha i 豇 妯5 砸ba n da i bm a s t e ra l l o y s i 叫 ( 2 ) 硼化物颗粒理论 研究发现在t i 合金中加入b 元素时晶粒细化效果显著提高。上世纪7 0 年代，人们研制了块、 锭状a l - t i b 中间合金细化剂，随后义研制出不同成分的棒状( 线状) 的- 1 1 b 中间合金细化荆。早 期研究多以a l - 1 1 1 二元相i 璺l 为基础，来考虑b 的作用。d a v i e s l 3 3 j 认为啊二元相幽的液相线很陡，b 元素的加入使得二元相幽生成的t t a j 3 液相线更陡包品点左移，包品反戍可以发生在t i 浓度更低的 地方，使t t a l 3 的溶解减慢甚至停j r ，从而使有效的形核质点数鼙增加，提高了细化效果。但有人根 5 一ii-一苎。三-口。口!。， 东南丈学硕士学位论文 据