金屬材料細(xì)晶強(qiáng)化工藝綜述

1、金屬材料細(xì)晶強(qiáng)化工藝綜述于朝清（重慶川儀一廠，重慶400702）摘要:介紹了金屬材料的細(xì)晶強(qiáng)化工藝。采用不同的工藝方法，可使金屬材料的晶粒尺寸在熔 鑄階段得到細(xì)化，并向微米、亞微米、納米晶方向發(fā)展，為材料的后續(xù)加工和進(jìn)一步提高其 物理機(jī)械性能奠定良好基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞:金屬材料;熔鑄;納米;細(xì)化;晶粒中圖分類號:TM205. 1文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號:1671 - 8887 （2006） 03 - 0034 -071引言金屬材料的機(jī)械性能（強(qiáng)度、硬度，耐磨性、彈性、抗疲勞和延展性、韌性等）以及導(dǎo)電、導(dǎo) 熱、耐蝕性等與其結(jié)晶狀態(tài)（晶粒大小和形貌）有著密切關(guān)系。它不僅影響到儀表電子元器 件乃至電子產(chǎn)品的

2、穩(wěn)定性和使用壽命，而且在最大限度地發(fā)揮儀表電子功能材料的應(yīng)用潛 能、有效地節(jié)約稀貴金屬資源方面意義重大。金屬材料的性能指標(biāo)隨著晶粒細(xì)化程度的提 高而提高已成為不爭的事實(shí)，納米材料與器件是未來新材料的重要發(fā)展方向之一。金屬材料 納米技術(shù)研究主要集中在納米彌散強(qiáng)化、納米晶、納米粉體材料、納米膜材料等方面。實(shí)踐 證明，納米彌散強(qiáng)化和納米晶對提高金屬材料的力學(xué)性能效果十分顯著，有些工藝方法已經(jīng) 達(dá)到實(shí)用化階段。本文對金屬細(xì)晶強(qiáng)化工藝進(jìn)行了介紹，重點(diǎn)介紹了細(xì)晶強(qiáng)化的連鑄工藝及 技術(shù)。2熔煉合金化細(xì)化2. 1微合金化微合金化技術(shù)較為成熟，應(yīng)用廣泛。如含Nb鐵素體鋼，當(dāng)Nb含量由0. 1 %增加到0. 5

3、%時，晶粒由40 um 細(xì)化到1rm，屈服強(qiáng)度由150230 MPa提高到600650 MPa， 并有望達(dá)到800 MPa1 。目前可供實(shí)行微合金化的元素主要有Al、Sc、Ti、V、Y、Zr、 Nb、Ce、La等，添加量為0. 1 %0. 5 %。其作用機(jī)理為：（1）微合金元素在金屬熔煉中處于晶粒成長的前沿，有助于加大前沿金屬的過冷度,提高一 次成核率，增加均質(zhì)成核數(shù)量，使金屬晶粒細(xì)化。（2）微合金元素一般化學(xué)性質(zhì)活潑，與O、N及金屬元素形成化合物，聚集在晶界上,成為彌 散強(qiáng)化相，阻止晶粒繼續(xù)長大。（3）彌散分布的微合金元素化合物，在金屬塑性變形時，根據(jù)奧羅萬機(jī)制,阻止金屬晶界滑移, 強(qiáng)化金屬

4、本體。如,AgCe0. 5是應(yīng)用普遍的電接觸材料，Ce的作用不僅可強(qiáng)化和韌化Ag基 體（包括Ag基合金），而且對提高抗電蝕、改善電接觸性能有特殊功效。Ce的這種特性在 早年研發(fā)的WCe電極材料中，在改善起弧特性、提高抗電弧燒損方面得到應(yīng)用。劉生發(fā) 2 等研究了 Ce對鎂合金組織細(xì)化的影響。2. 2 納米彌散強(qiáng)化納米彌散強(qiáng)化技術(shù)在貴金屬器具中的應(yīng)用成效卓著，如，Ti- Pt （Al 2O3增強(qiáng)），ZGS- Pt （ZrO2增強(qiáng)），ODS- Pt （ Y2 03增強(qiáng)）及重慶川儀一廠的CYQ- Pt （ZrO2、Y2O3復(fù)合增強(qiáng)） 及PtRh合金?？晒?jié)約貴金屬用量，提高使用壽命,經(jīng)濟(jì)效益顯著。納米彌

5、散強(qiáng)化的制備工藝 有粉末冶金法和合金內(nèi)氧化法。蔣麗娟等3 用粉末冶金法制得的納米彌散強(qiáng)化鉑,ZrO2顆 粒小于7 nm , ZrO2的含量為0. 6 %1. 0 %。室溫下材料的屈服強(qiáng)度N 400 MPa ,1 400 C高溫下的屈服強(qiáng)度15 MPa。內(nèi)氧化法目前已普遍應(yīng)用，適于批量生產(chǎn)。納米彌散 強(qiáng)化相多為高熔點(diǎn)化合物，如Al 2O3、ZrO2、Y2O3、WC、SiC、Ta 2O5等。由于納米 彌散強(qiáng)化相極度分散，在金屬基體中起到“釘扎作用”，強(qiáng)化金屬基體的作用相當(dāng)明顯，尤 其在高溫工作條件下，彌散強(qiáng)化相穩(wěn)定,其強(qiáng)化效果更加顯著。當(dāng)強(qiáng)化相含量為0. 1 %0.5 %時，不會對基體的本質(zhì)特性帶

6、來影響，有時還會增強(qiáng)材料的高溫抗蝕性。納米彌散強(qiáng)化工 藝技術(shù)在其他金屬材料中也有應(yīng)用，如 W-Al 2、Cu-Al 2、Cu-Cr-Zr- Y等4 。3鑄錠晶粒細(xì)化3. 1電磁振蕩現(xiàn)代冶金基本采用電冶金，如感應(yīng)爐、電弧爐、電渣爐、自耗爐等。感應(yīng)爐按電流頻率不同 分為工頻、中頻、超音頻、高頻、甚高頻等。相應(yīng)的頻率范圍分別為50 Hz、110 kHz、 10100 kHz、200300 kHz及300 kHz以上。感應(yīng)爐配有真空冶煉系統(tǒng)?？煽毓枳冾l和 整流技術(shù)及自動控溫等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，使冶煉技術(shù)日趨完善，感應(yīng)爐成為金屬材料生產(chǎn) 過程中的關(guān)鍵設(shè)備。感應(yīng)冶煉過程中，物料在感應(yīng)線圈中交變磁場作用下，產(chǎn)

7、生感應(yīng)電流(渦 流)，焦耳熱使物料迅速升溫和熔化，熔體在交變磁場作用下,按照磁力線方向翻騰，達(dá)到均 熱均質(zhì)的目的。在鑄錠過程中如果施加不同頻率和相位的交變磁場，可以改變液態(tài)金屬的流 動狀態(tài)及凝固條件，增加過冷度和一次成核率，對初始粗大的柱狀晶進(jìn)行破壞，可以達(dá)到細(xì)化 晶粒的目的5 ，其作用機(jī)理為：感應(yīng)電流與磁場作用下產(chǎn)生的洛倫磁力對金屬熔體產(chǎn)生強(qiáng)力攪拌，熔池溫度均勻，過冷 度增加，形成爆發(fā)式形核，增加一次成核率，細(xì)化晶粒。異相磁場增加結(jié)晶前原子團(tuán)簇的能量,相互碰撞摩擦，使枝晶生長困難，晶粒近似球狀。熔體運(yùn)動對枝晶起到?jīng)_刷、熔斷的作用，抑制枝晶生長，增加形核核心。熔體與結(jié)晶器接觸后，產(chǎn)生大量初始晶

8、坯,在熔體沖刷下，重新進(jìn)入熔體，成為晶核。用于二次攪拌的感生電流所產(chǎn)生的焦耳熱，由于集膚效應(yīng)，有助于減小鑄錠中心與邊部的溫差，使結(jié)晶器壁上的初始晶核游離，重新進(jìn) 入熔體成核。電磁力的脈沖分量能夠使金屬熔體產(chǎn)生受迫振動，改變晶間熔體的運(yùn)動方式，減小凝固前 沿的溫度梯度和成分過冷,避免枝晶長大，起到細(xì)化晶粒和提高等軸晶比例的作用。此外，在 異相交變磁場作用下，使金屬熔體產(chǎn)生徑向推力，減小凝固過程中金屬熔體與結(jié)晶器的接 觸壓力，能提高鑄錠表面質(zhì)量，可以省去表面切削(扒皮)，為無切削軋制工藝技術(shù)研究打下 基礎(chǔ)。為獲得理想的電磁振蕩效果，應(yīng)選擇合理的感應(yīng)器設(shè)計(jì)參數(shù)。如鑄造60 mm2的方坯， 選擇的參數(shù)

9、為異向位內(nèi)線圈120匝，外線圈30匝，相位差90 ;通工頻電流(50 Hz) 100 A , 功率22 kW ;線圈中心電流強(qiáng)度、相位、頻率可以分別調(diào)整以選擇最佳振蕩效果，達(dá)到改善 鑄錠內(nèi)在質(zhì)量和表面質(zhì)量的目的。3. 2功率超聲波功率超聲波可以使一些物質(zhì)的物理、化學(xué)和生物特性或狀態(tài)發(fā)生改變。用于金屬鑄錠過程可 以達(dá)到增加過冷度、縮短凝固時間、排除有害氣體、細(xì)化晶粒、提高力學(xué)特性的效果6 。 其機(jī)理為：超聲波導(dǎo)入金屬熔體后，在其中產(chǎn)生“空化”現(xiàn)象。空化泡破裂時產(chǎn)生強(qiáng)力沖擊波，對已 形成的晶胚進(jìn)行破碎，增加成核數(shù)量。超聲波引起金屬熔體的微弱振蕩，有助于加大熔體的過冷度,提高一次成核數(shù)量。超聲波引起

10、晶間熔體的微弱振蕩，對已有的結(jié)晶進(jìn)行沖刷摩擦，阻礙其生長，使其趨向 等軸狀態(tài)。超聲波振蕩加快了金屬熔體的流動，使成分和溫度均勻，并加速氣體和夾雜排放，使金 屬均質(zhì)純凈。(5)超聲波振蕩加快了結(jié)晶潛熱的散發(fā)，縮短了凝固時間，抑制枝晶生長，使鑄錠成為均細(xì) 的等軸晶狀態(tài)。4連續(xù)鑄軋工藝連續(xù)鑄軋工藝是近期研發(fā)并成功用于生產(chǎn)的新技術(shù)，可大幅度提高成材率,縮短工藝流程，節(jié) 能降耗，屬環(huán)保型工藝技術(shù)。20世紀(jì)90年代美國、盧森堡、挪威、法國等國建成了二輥、 四輥型的高速連續(xù)鑄軋機(jī)，用于超薄鋁合金帶生產(chǎn)。為了提高鑄軋速度，日本開發(fā)了水平式 二輥鑄軋機(jī)(MDTRC)、水平履帶式鑄軋機(jī)(MDBRC)、噴淋式鑄軋機(jī)

11、(METRC)、立式二 輥鑄軋機(jī)(HPTRC)等多種鑄軋生產(chǎn)線。連續(xù)鑄軋技術(shù)在中國尚處試驗(yàn)研究階段7 。重慶大 學(xué)已開展了二輥連續(xù)鑄軋工藝技術(shù)的研究8 。4. 1水平式二輥鑄軋機(jī)水平式二輥鑄軋機(jī)(melt drag twin roll cas-ter , MDTRC)的軋輥為水冷銅輥或不銹鋼輥，上 輥為變形輥，下輥為凝固輥。薄帶經(jīng)凝固輥凝固成形后，經(jīng)變形輥進(jìn)行軋制(見圖1)。金屬 熔體在半固態(tài)(固相率5 %10 %)經(jīng)軋輥激冷和軋制變形，一次成核率很高，結(jié)晶致密， 晶粒細(xì)化，帶坯表面光潔。為了提高熔體的固相率，可以配置導(dǎo)流槽，形成MDTRC - CS (melt drag twin roll

12、caster coolingslope)結(jié)構(gòu)形式(圖 2)。4. 2 水平履帶式鑄軋機(jī)為了提高鑄軋帶坯表面質(zhì)量，在MDTRC和MDTRC-CS的基礎(chǔ)上作改進(jìn)，增加傳送帶，使 鑄帶運(yùn)行平穩(wěn)，形成 MDBRC(melt drag belt roll cast2er)和 MDBRC-CS (melt drag belt roll castercooling slope)的結(jié)構(gòu)形式(圖3、4)。鑄帶速度可達(dá)20 m/ min。參考文獻(xiàn)：閆肅，劉景輝,劉云旭.低碳鋼鐵素體超細(xì)化技術(shù)J .金屬熱處理，2005(10) :13 - 16. 劉生發(fā)，黃尚宇，徐萍.Ce對Az91鎂合金鑄態(tài)組織細(xì)化的影響J .金

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