金属材料细晶强化工艺综述

1、金属材料细晶强化工艺综述于朝清（重庆川仪一厂，重庆400702）摘要:介绍了金属材料的细晶强化工艺。采用不同的工艺方法，可使金属材料的晶粒尺寸在熔 铸阶段得到细化，并向微米、亚微米、纳米晶方向发展，为材料的后续加工和进一步提高其 物理机械性能奠定良好基础。关键词:金属材料;熔铸;纳米;细化;晶粒中图分类号:TM205. 1文献标志码:A文章编号:1671 - 8887 （2006） 03 - 0034 -071引言金属材料的机械性能（强度、硬度，耐磨性、弹性、抗疲劳和延展性、韧性等）以及导电、导 热、耐蚀性等与其结晶状态（晶粒大小和形貌）有着密切关系。它不仅影响到仪表电子元器 件乃至电子产品的

2、稳定性和使用寿命，而且在最大限度地发挥仪表电子功能材料的应用潜 能、有效地节约稀贵金属资源方面意义重大。金属材料的性能指标随着晶粒细化程度的提 高而提高已成为不争的事实，纳米材料与器件是未来新材料的重要发展方向之一。金属材料 纳米技术研究主要集中在纳米弥散强化、纳米晶、纳米粉体材料、纳米膜材料等方面。实践 证明，纳米弥散强化和纳米晶对提高金属材料的力学性能效果十分显著，有些工艺方法已经 达到实用化阶段。本文对金属细晶强化工艺进行了介绍，重点介绍了细晶强化的连铸工艺及 技术。2熔炼合金化细化2. 1微合金化微合金化技术较为成熟，应用广泛。如含Nb铁素体钢，当Nb含量由0. 1 %增加到0. 5

3、%时，晶粒由40 um 细化到1rm，屈服强度由150230 MPa提高到600650 MPa， 并有望达到800 MPa1 。目前可供实行微合金化的元素主要有Al、Sc、Ti、V、Y、Zr、 Nb、Ce、La等，添加量为0. 1 %0. 5 %。其作用机理为：（1）微合金元素在金属熔炼中处于晶粒成长的前沿，有助于加大前沿金属的过冷度,提高一 次成核率，增加均质成核数量，使金属晶粒细化。（2）微合金元素一般化学性质活泼，与O、N及金属元素形成化合物，聚集在晶界上,成为弥 散强化相，阻止晶粒继续长大。（3）弥散分布的微合金元素化合物，在金属塑性变形时，根据奥罗万机制,阻止金属晶界滑移, 强化金属

4、本体。如,AgCe0. 5是应用普遍的电接触材料，Ce的作用不仅可强化和韧化Ag基 体（包括Ag基合金），而且对提高抗电蚀、改善电接触性能有特殊功效。Ce的这种特性在 早年研发的WCe电极材料中，在改善起弧特性、提高抗电弧烧损方面得到应用。刘生发 2 等研究了 Ce对镁合金组织细化的影响。2. 2 纳米弥散强化纳米弥散强化技术在贵金属器具中的应用成效卓著，如，Ti- Pt （Al 2O3增强），ZGS- Pt （ZrO2增强），ODS- Pt （ Y2 03增强）及重庆川仪一厂的CYQ- Pt （ZrO2、Y2O3复合增强） 及PtRh合金。可节约贵金属用量，提高使用寿命,经济效益显著。纳米弥

5、散强化的制备工艺 有粉末冶金法和合金内氧化法。蒋丽娟等3 用粉末冶金法制得的纳米弥散强化铂,ZrO2颗 粒小于7 nm , ZrO2的含量为0. 6 %1. 0 %。室温下材料的屈服强度N 400 MPa ,1 400 C高温下的屈服强度15 MPa。内氧化法目前已普遍应用，适于批量生产。纳米弥散 强化相多为高熔点化合物，如Al 2O3、ZrO2、Y2O3、WC、SiC、Ta 2O5等。由于纳米 弥散强化相极度分散，在金属基体中起到“钉扎作用”，强化金属基体的作用相当明显，尤 其在高温工作条件下，弥散强化相稳定,其强化效果更加显著。当强化相含量为0. 1 %0.5 %时，不会对基体的本质特性带

6、来影响，有时还会增强材料的高温抗蚀性。纳米弥散强化工 艺技术在其他金属材料中也有应用，如 W-Al 2、Cu-Al 2、Cu-Cr-Zr- Y等4 。3铸锭晶粒细化3. 1电磁振荡现代冶金基本采用电冶金，如感应炉、电弧炉、电渣炉、自耗炉等。感应炉按电流频率不同 分为工频、中频、超音频、高频、甚高频等。相应的频率范围分别为50 Hz、110 kHz、 10100 kHz、200300 kHz及300 kHz以上。感应炉配有真空冶炼系统。可控硅变频和 整流技术及自动控温等先进技术的应用，使冶炼技术日趋完善，感应炉成为金属材料生产 过程中的关键设备。感应冶炼过程中，物料在感应线圈中交变磁场作用下，产

7、生感应电流(涡 流)，焦耳热使物料迅速升温和熔化，熔体在交变磁场作用下,按照磁力线方向翻腾，达到均 热均质的目的。在铸锭过程中如果施加不同频率和相位的交变磁场，可以改变液态金属的流 动状态及凝固条件，增加过冷度和一次成核率，对初始粗大的柱状晶进行破坏，可以达到细化 晶粒的目的5 ，其作用机理为：感应电流与磁场作用下产生的洛伦磁力对金属熔体产生强力搅拌，熔池温度均匀，过冷 度增加，形成爆发式形核，增加一次成核率，细化晶粒。异相磁场增加结晶前原子团簇的能量,相互碰撞摩擦，使枝晶生长困难，晶粒近似球状。熔体运动对枝晶起到冲刷、熔断的作用，抑制枝晶生长，增加形核核心。熔体与结晶器接触后，产生大量初始晶

8、坯,在熔体冲刷下，重新进入熔体，成为晶核。用于二次搅拌的感生电流所产生的焦耳热，由于集肤效应，有助于减小铸锭中心与边部的温差，使结晶器壁上的初始晶核游离，重新进 入熔体成核。电磁力的脉冲分量能够使金属熔体产生受迫振动，改变晶间熔体的运动方式，减小凝固前 沿的温度梯度和成分过冷,避免枝晶长大，起到细化晶粒和提高等轴晶比例的作用。此外，在 异相交变磁场作用下，使金属熔体产生径向推力，减小凝固过程中金属熔体与结晶器的接 触压力，能提高铸锭表面质量，可以省去表面切削(扒皮)，为无切削轧制工艺技术研究打下 基础。为获得理想的电磁振荡效果，应选择合理的感应器设计参数。如铸造60 mm2的方坯， 选择的参数

9、为异向位内线圈120匝，外线圈30匝，相位差90 ;通工频电流(50 Hz) 100 A , 功率22 kW ;线圈中心电流强度、相位、频率可以分别调整以选择最佳振荡效果，达到改善 铸锭内在质量和表面质量的目的。3. 2功率超声波功率超声波可以使一些物质的物理、化学和生物特性或状态发生改变。用于金属铸锭过程可 以达到增加过冷度、缩短凝固时间、排除有害气体、细化晶粒、提高力学特性的效果6 。 其机理为：超声波导入金属熔体后，在其中产生“空化”现象。空化泡破裂时产生强力冲击波，对已 形成的晶胚进行破碎，增加成核数量。超声波引起金属熔体的微弱振荡，有助于加大熔体的过冷度,提高一次成核数量。超声波引起

10、晶间熔体的微弱振荡，对已有的结晶进行冲刷摩擦，阻碍其生长，使其趋向 等轴状态。超声波振荡加快了金属熔体的流动，使成分和温度均匀，并加速气体和夹杂排放，使金 属均质纯净。(5)超声波振荡加快了结晶潜热的散发，缩短了凝固时间，抑制枝晶生长，使铸锭成为均细 的等轴晶状态。4连续铸轧工艺连续铸轧工艺是近期研发并成功用于生产的新技术，可大幅度提高成材率,缩短工艺流程，节 能降耗，属环保型工艺技术。20世纪90年代美国、卢森堡、挪威、法国等国建成了二辊、 四辊型的高速连续铸轧机，用于超薄铝合金带生产。为了提高铸轧速度，日本开发了水平式 二辊铸轧机(MDTRC)、水平履带式铸轧机(MDBRC)、喷淋式铸轧机

11、(METRC)、立式二 辊铸轧机(HPTRC)等多种铸轧生产线。连续铸轧技术在中国尚处试验研究阶段7 。重庆大 学已开展了二辊连续铸轧工艺技术的研究8 。4. 1水平式二辊铸轧机水平式二辊铸轧机(melt drag twin roll cas-ter , MDTRC)的轧辊为水冷铜辊或不锈钢辊，上 辊为变形辊，下辊为凝固辊。薄带经凝固辊凝固成形后，经变形辊进行轧制(见图1)。金属 熔体在半固态(固相率5 %10 %)经轧辊激冷和轧制变形，一次成核率很高，结晶致密， 晶粒细化，带坯表面光洁。为了提高熔体的固相率，可以配置导流槽，形成MDTRC - CS (melt drag twin roll

12、caster coolingslope)结构形式(图 2)。4. 2 水平履带式铸轧机为了提高铸轧带坯表面质量，在MDTRC和MDTRC-CS的基础上作改进，增加传送带，使 铸带运行平稳，形成 MDBRC(melt drag belt roll cast2er)和 MDBRC-CS (melt drag belt roll castercooling slope)的结构形式(图3、4)。铸带速度可达20 m/ min。参考文献：闫肃，刘景辉,刘云旭.低碳钢铁素体超细化技术J .金属热处理，2005(10) :13 - 16. 刘生发，黄尚宇，徐萍.Ce对Az91镁合金铸态组织细化的影响J .金

13、属学 报,2006(4) :443 - 448.蒋丽娟，徐颖，李明利.纳米氧化弥散强化铂D.稀贵金属纳米材料和低维材料学术研 讨会论文集,昆明,2002 ,11 :129 - 131. 刘勇,刘平,董企铭，等.变形对接触使用Cu-Cr-Zr- Y合金时效特性和力学性能的影响 J .有色金属学报,2006(3) :417 -420.王哲峰,崔建中,林风贤.空心管坯的异相位电磁连铸J .中国有色金属学 报,2005(3) :500 - 503.张勇，刘青梅,宋耀林，等.功率超声对T10钢凝固特性的影响J .铸造2006. 2 :188 - 190.鲍培玮，李培杰.双辊薄带高速铸轧机新技术J .铸造,2005(9) :847 - 851. 杨明波，梁小平,潘复生，等.双辊薄带铸辊界面平均换热系数的测定J .铸 造,2002(12) :772 - 775.王少鹏，谢发勤,吴向清.块体纳米材料深过冷制备技术的发展