鑄造調(diào)研報告

調(diào)研匯報1.課題的來源及意義電磁攪拌運用電磁效應實現(xiàn)熔體的攪拌，熔煉時使溫度和成分均勻、連鑄時控制凝固過程的工藝。實質(zhì)是借助在鑄坯液相穴中感生的電磁力，強化鋼水的運動。詳細地說，攪拌器激發(fā)的交變磁場滲透到鑄坯的鋼水內(nèi)，就在其中感應起電流，該感應電流與當?shù)卮艌龌ハ嘧饔卯a(chǎn)生電磁力，電磁力是體積力，作用在鋼水體積元上，從而能推進鋼水運動。包晶反應是液相與一種或多種晶體相反應生成另一種晶體相的相變過程。包晶凝固是十分重要的相變過程，一系列包晶合金以其特殊的性能為人們所關注，凝固過程中形成的相和微觀構(gòu)造對這些材料的最終性能具有非常重要的影響。在改善既有材料性能的過程中，人們對深入理解包晶凝固理論提出了更高的規(guī)定。本課題是電磁攪拌細化Zn-Cu合金機理研究。2.包晶合金的研究進展及應用二元包晶合金的凝固過程一般均波及到持續(xù)的包晶或與共晶的復合相變。在實際的二元合金系中,常常碰到包晶轉(zhuǎn)變。由包晶轉(zhuǎn)變機理可知,包晶產(chǎn)物是依附在初生相表面形核長大的。運用這一點設法在熔體內(nèi)首先形成大量的固相質(zhì)點,包晶產(chǎn)物就在這些質(zhì)點表面形核長大,可以到達細化目的。工業(yè)生產(chǎn)中一般在鋁和鋁合金中加入少許的鈦;在銅和銅合金中加入少許鐵;或在鎂和鎂合金中加入少許鋯,都是運用包晶轉(zhuǎn)變的特點到達細化晶粒的目的的。不僅工業(yè)生產(chǎn)中應用了包晶轉(zhuǎn)變來變化材料的性能,并且近幾年對于某些鐵磁材料、超導材料、形狀記憶材料及耐高溫材料等功能材料的研究和開發(fā)也波及到了包晶反應,可見人們對包晶型合金的研究愛好日益增長。目前有關二元包晶合金的研究重要有如下3個方面:包晶凝固的形核機理、包晶轉(zhuǎn)變中的相競爭與選擇以及某些具有液相不混溶間隙包晶合金的研究。包晶凝固具有的重要性人們已經(jīng)有所認識,但對于此過程的研究并未像對單相及共晶凝固那樣深入。值得指出的是:對于單相和共晶凝固微觀組織,目前已具有十分深入的理論分析和相稱精確、定量的數(shù)學模型,而對于包晶反應的研究仍然不夠系統(tǒng),包晶反應中的某些相和微觀構(gòu)造的形成規(guī)律仍存在一定的爭議,包晶凝固微觀組織的形成規(guī)律長期以來僅限于定性的描述。這就需要進行大量基礎理論與試驗研究,發(fā)展并建立一種精確定量的包晶凝固理論模型,以更精確地指導生產(chǎn)實踐。在已刊登的二元包晶合金的文獻中,幾乎沒有發(fā)現(xiàn)研究其液態(tài)構(gòu)造方面的文獻。對于固態(tài)而言,液態(tài)是其母態(tài),固態(tài)是在對液態(tài)辯證否認的基礎上產(chǎn)生的,因此固態(tài)中必然繼承了液態(tài)中的某些信息;同樣,對液態(tài)而言,固態(tài)是其母態(tài),液態(tài)是在對固態(tài)辯證否認的基礎上形成的,因此液態(tài)中也必然保留了固態(tài)的有益成分。研究二元包晶合金的液態(tài)和固態(tài)的構(gòu)造及其互相關系,必將具有重要的理論意義和實際意義。研究液態(tài)和固態(tài)之間的遺傳性,是一種既有挑戰(zhàn)性又有重大意義的課題。從目前已經(jīng)有文獻簡介的狀況來看，Zn-Cu包晶合金的應用，此后將重要集中于電氣工業(yè)和電子工業(yè)以及交通工業(yè)。合金的成形工藝及鑄造工藝將日臻完善，可以期待壓力下成形并與一定的熱處理工藝相結(jié)合，使性能大幅度提高。合金的腐蝕和老化的研究及等溫性能的研究都將日益深入。為了適應合金的深入深入研究，其基礎理論的深入研究指日可待，合金的不平衡相圖，合金化理論，沉淀析出理論研究將愈加獨立、系統(tǒng)地進行。總之，目前國際上Zn-Cu包晶合金的發(fā)展研究勢頭迅猛，方興未艾，Zn-Cu包晶合金的潛在市場宏大，應用前景十分寬闊。我國鋅銅資源豐富，蘊藏量居世界前列，立足國內(nèi)富有資源，大力發(fā)展Zn-Cu包晶合金的研究和應用，具有重大經(jīng)濟意義。上世紀90年代至今，科研工作者對鋅銅包晶合金的發(fā)展作了大量的工作。李雙明[1]等綜述了包晶合金定向凝固中包晶相的形核與生長機制，討論了運用最高界面生長溫度假設以及成分過冷和充足形核判據(jù)下包晶合金的微觀組織與相選擇規(guī)律，對包晶相的3種生長機制進行了分析，并在Sn-Cu包晶合金定向凝固試驗中發(fā)現(xiàn)其包晶反應不僅存在于凝固界面處，在后續(xù)冷卻過程中也能進行，最終針對國內(nèi)外包晶合金定向凝固研究的現(xiàn)實狀況，提出了其需要深入研究的問題。王猛[2]等為了對包晶合金的凝固組織演化、組織及相選擇規(guī)律、迅速凝固條件下的層片生長構(gòu)造及其形成原因進行系統(tǒng)性研究,選擇了亞包晶、過包晶以及靠近包晶點成分的四組試樣,在45K/mm的溫度梯度和2μm/s-6400μm/s的凝固速度區(qū)間進行了定向凝固試驗。研究中大仙，伴隨凝固速度的提高，低速的胞狀生長有向高速條件下的有序?qū)悠M織轉(zhuǎn)變的趨勢，并在3200μm/s以及6400μm/s的高速凝固條件下Zn-2.0wt%Cu合金中獲得了經(jīng)典的兩相層片狀生長組織,其組織形貌與較低速度條件下形成的列狀胞晶組織有明顯差異。采用計算相圖措施對Zn-Cu包晶相圖的亞穩(wěn)分支進行了考察,發(fā)目前高速凝固條件下,由于界面非平衡效應和界面張力作用的影響,平衡的包晶相圖將發(fā)生向亞穩(wěn)共晶相圖的轉(zhuǎn)變,并據(jù)此對兩相層片狀生長組織的形成機理進行解釋。結(jié)合共晶凝固層片間距計算的有關理論模型對這種凝固組織的層片間距進行了分析,發(fā)現(xiàn)基于亞穩(wěn)相圖的共晶層片間距模型可以對試驗中觀測到的兩相層片間距給出很好描述。張瑞杰[3]等研究了Zn-2.75%Cu合金在老式Bridgeman法和ACRT-B法下定向凝固組織的差異。著重討論了生長速度和液相強制對流對Zn-Cu包晶定向凝固組織的影響。試驗發(fā)現(xiàn),在Bridgeman法定向凝固過程中,生長速度的增長使得液相中的溫度梯度減小,一次枝晶間距減小,一次枝晶間距與生長速度和溫度梯度的關系式為:λ=0.6064R-0.25GL-0.5。強制對流使得一次枝晶發(fā)生分叉和偏轉(zhuǎn)。并且伴隨對流強度的加大,一次枝晶間距減少,二次枝晶的生長被克制。包晶反應的存在,使得枝晶的尖端和二次枝晶熔解,導致了固相中枝晶和初生枝晶的差異。蘇云鵬[4]等運用Bridgman法對Zn-2%Cu(質(zhì)量分數(shù))包晶合金進行了迅速定向凝固試驗研究,當生長速度在1600～6400μm/s時,得到了類似于共晶的層片狀組織。運用X射線衍射儀及透射電鏡對層片狀組織進行了相構(gòu)成的分析,并結(jié)合計算亞穩(wěn)相圖對該組織的相及組織形成規(guī)律進行了分析,成果表明在迅速凝固條件下Zn-2%Cu包晶合金中實現(xiàn)共生生長是也許的。馬東[5]等采用Bridgman定向凝固法研究了不一樣生長速度下Zn-3.37%Cu(質(zhì)量分數(shù))包晶合金的凝固過程及其組織形態(tài).當生長速度高于1.0mm/s時,出現(xiàn)片層狀類共晶生長,且片層間距和生長速度的關系很好地符合λv1/2=(216±42)μm3/2·s-1/2關系,該數(shù)值與多數(shù)共晶系相比偏高.此類共晶組織在包晶合金中的發(fā)既有助于對包晶合金凝固過程的深入研究。林鑫[6]等運用5kw持續(xù)波CO:激光器對Zn一2%Cu包晶合金進行了表面決速熔凝試驗研究,掃描速率從6mm/s至1207mms/伴隨凝固速率的提高,該合金微觀組織形態(tài)由低速平界面向?qū)悠瑺罱M織、淺胞晶直至高速絕對穩(wěn)定平界面轉(zhuǎn)變.試驗成果表明,該合金微觀組織演化規(guī)律與運用林鑫等的數(shù)值模型和Jackson-Hunt的共晶模型相結(jié)合所得到的界面響應函數(shù)作出的預測成果吻合很好。黃衛(wèi)東[7]等對Zn-2%Cu包晶合金進行了定向凝固試驗研究,考察了在不一樣凝固速度條件下獲得的凝固組織,并對其組織構(gòu)成及尺度分布進行了分析.成果表明,組織從低速到高速經(jīng)歷了棒狀胞晶一等軸晶一列狀胞晶一板狀胞晶一共生構(gòu)造的轉(zhuǎn)變,其中高速組織特性間距久與凝固速度。之間存在5477=560.5的關系,與低速胞晶組織相比較有明顯差異;同步在沒有出現(xiàn)平界面生長的條件下獲得了包晶共生生長組織,由此對包晶共生生長的平界面假設提出了質(zhì)疑。吳建春[8]等對采用不一樣冷卻速度、不一樣散熱條件的鑄型得到的Zn-2.98Cu包晶合金的微觀組織進行了研究。研究表明:在常規(guī)的砂型和金屬型鑄錠中,其微觀組織為ε相+η相基體;在具有定向溫度梯度的鑄錠中,得到了定向的ε相枝晶+η相基體和定向的層片狀(ε+η)組織;并對層片狀組織做了深入分析,得到的Zn-Cu包晶合金層片間距平均值λ=4.06μm。3.電磁攪拌的研究現(xiàn)實狀況及應用在持續(xù)鑄鋼發(fā)展初期，鐵制造者們已認識到鋼液的凝固及鑄坯質(zhì)量受液相穴鋼液的運動和諸如對流、傳熱、收縮等基本物理現(xiàn)象的影響。毫無疑問，磁攪拌的研究是以優(yōu)化上述運動和現(xiàn)象以提高鋼的質(zhì)量和消除不利原因等為目的的。

電磁攪拌裝置(Electro-MagneticStirring)英語縮寫為EMS。目前采用電磁攪拌裝置已經(jīng)成為板坯連鑄設備為提高鑄坯產(chǎn)品質(zhì)量的重要途徑,其作用就是在鑄線扇形段上安裝多段電磁攪拌用的電磁線圈,

在各段輥內(nèi)的電磁線圈上施加低壓、低頻、大電流的交流電源,

電磁力線貫穿鑄坯的凝固相(即坯殼部分),在將要冷卻凝固的鋼水內(nèi)部產(chǎn)生強磁場,通過鋼水內(nèi)流動的感應電流互相作用,

使液向部分能定向移動及旋轉(zhuǎn)運動,從而對鑄坯內(nèi)的液相鋼水進行攪拌,使鑄坯內(nèi)部結(jié)晶組織均勻,

提高了板坯的質(zhì)量。弭光寶[9]等采用同心三螺旋線流動性測試裝置，通過對比試驗的措施，獲得了不一樣澆注溫度條件下未經(jīng)電磁攪拌處理經(jīng)電磁攪拌處理及電磁攪拌后再保溫處理的鋁合金流動指數(shù)和凝固組織，進而探討了電磁攪拌對合金熔體構(gòu)造的影響。成果表明：與未經(jīng)電磁攪拌處理相比，經(jīng)電磁攪拌處理后合金熔體的流動指數(shù)明顯提高，澆注溫度722℃時，流動指數(shù)提高約2%，澆注溫度670℃時，流動指數(shù)提高約13%，其本質(zhì)原因在于電磁攪拌作用使熔體中微觀不均勻的Si-Si原子集團尺寸和形狀發(fā)生變化，進而使熔體溫度場與濃度場愈加均勻、形核率得到深入提高。田戰(zhàn)峰[10]等采用自行開發(fā)的電磁攪拌器,研究了多種不一樣電磁攪拌方式，在不一樣工藝條件下，單獨施加或復合施加對Alsi7Mg合金微觀組織的影響。試驗成果表明:單一施加旋轉(zhuǎn)感應電磁攪拌時，漿料徑向組織很不均勻;單一施加無芯感應電磁攪拌，當攪拌電流較小時，徑向組織也不均勻,增大電流漿料質(zhì)量有明顯改善。采用(旋轉(zhuǎn)感應十無芯感應)復合電磁場進行復合電磁攪拌時，可在電流較小時獲得滿意的漿料質(zhì)量。戰(zhàn)國鋒[11]等通過試驗研究了電磁攪拌對高溫合金GH3030鑄坯的凝固組織及凝固過程中溶質(zhì)分布的影響。GH3030合金的凝固微觀組織為單相奧氏體，電磁攪拌可以打碎枝晶、增進形核，明顯細化其晶粒，得到組織致密，晶粒細小的凝固組織。沒有電磁攪拌的狀況下，鑄坯的宏觀偏析和微觀偏析都比較嚴重。通過施加電磁攪拌，熔體的流動使得熔體內(nèi)的傳熱得到改善，凝固前沿溫度梯度變小，同步增進溶質(zhì)富集區(qū)液體與熔體其他部分的混合，從而減輕了Cr元素在鑄坯中的宏觀偏析和微觀偏析"使Cr元素分布的愈加均勻，鑄坯質(zhì)量得到提高。楊必成[12]等研究了不一樣電磁攪拌頻率和不一樣冷卻速度對MgAl9Si合金凝固組織的影響，比較了攪拌和不攪拌兩種工藝下得到的不一樣組織。成果表明,電磁攪拌能完全克制樹枝晶的形成,提高攪拌頻率能使α-Mg趨于等軸化，延長攪拌時間不能變化晶粒形貌，只能使組織變得愈加粗大。此外，電磁攪拌還能增進凝固過程中Mg2Si相的形核。毛衛(wèi)民[13]等研究了電磁攪拌參數(shù)對持續(xù)冷卻條件下Z91鎂合金組織的影響成果表明當電磁攪拌的頻率到達或高于05Hz時，半固態(tài)AZglD鎂合金漿料或坯料組織中的球狀初生固相越來越多，越來越圓整;在電磁攪拌頻率為200Hz和冷卻速率較低的條件下,攪拌的功率越大，半固態(tài)AZ91D鎂合金組織中的球狀初生固相越多，晶粒也越細小，在電磁攪拌條件下，AZ91D鎂合金熔體的劇烈流動導致較為均勻的溫度場和溶質(zhì)場、愈加劇烈的溫度起伏,增進了半固態(tài)AZ91D鎂合金球狀組織的形成，半固態(tài)重熔加熱使半固態(tài)AZ91D鎂合金坯料初生固相的形態(tài)發(fā)生深入的球化。焦殿輝[14]等通過采用電磁攪拌制備高碳鋼半固態(tài)流變漿料并進行半固態(tài)成形的措施!研究Cr5MoV、Cr12和Cr12V等高碳鋼在電磁攪拌條件下的半固態(tài)組織演變過程。成果表明：電磁攪拌可以獲得非枝晶的初生奧氏體。伴隨攪拌時間的增長!初生奧氏體的形貌變得愈來愈圓整。在較高固相分數(shù)的條件下攪拌，初生奧氏體固相顆粒有粘連現(xiàn)象。EBSD分析成果表明：粘連的固相顆粒呈不一樣的位向。這些不一樣位向的顆粒是從不一樣的晶核生長出來的，在電磁攪拌作用下互相撞擊而粘附在一起。齊雅麗[15]等旋轉(zhuǎn)型電磁攪拌在鋼的持續(xù)鑄造、鑄件成形與凝固、半固態(tài)漿料制備、液態(tài)金屬電磁凈化等工藝過程中的應用受到了材料工作者的高度重視，并不停地獲得了電磁攪拌應用技術開發(fā)與理論研究的成果。得到周向速度分布的體現(xiàn)式，研究了旋轉(zhuǎn)型電磁攪拌對連鑄坯凝固組織的影響，為在旋轉(zhuǎn)型電磁攪拌應用中工藝參數(shù)的優(yōu)化提供了根據(jù)。劉政[16]等應用變頻控制的電磁攪拌裝置對低過熱度澆注的A356合金熔體進行短時弱電磁攪拌，探討了不一樣的攪拌時間對合金凝固組織中的初生a-Al相和共晶相形貌與分布規(guī)律的影響，從而得到最佳的電磁攪拌工藝參數(shù)。研究表明：A356合金熔體在620℃澆注，并經(jīng)頻率為30HZ的電磁攪拌15s，在615℃保溫10min后，初生a-Al的平均等積圓直徑55.70平均形狀因子到達了0.86，共晶組織顆粒細小致密且分布均勻，此條件下得到的半固態(tài)A356合金漿料的室溫凝固組織形貌最佳。吳華杰[17]等通過在160mm×200mm連鑄機上進行的試驗，研究了結(jié)晶器電磁攪拌對45鋼方坯凝固構(gòu)造的影響。討論了衡量電磁攪拌效果的指標問題，通過度析磁感應強度、電磁扭矩與電磁攪拌參數(shù)的關系可以得出，鑄坯等軸晶率變化趨勢與電磁扭矩變化趨勢有良好的一致性，電磁扭矩比磁感應強度更有效地反應電磁攪拌效果，前者更真實地衡量了電磁攪拌對鋼液的攪拌強度，伴隨攪拌強度的提高，鑄坯等軸晶率提高。通過研究,優(yōu)化了結(jié)晶器電磁攪拌工藝,使鑄坯等軸晶率達60%以上，改善了中心碳偏析，減少了疏松及縮孔程度。劉國平[18]等通過數(shù)值模擬計算了馬鋼圓坯連鑄(斷面尺寸為450mm)電磁攪拌參數(shù)對磁場分布的影響,并通過生產(chǎn)試驗研究了電磁攪拌參數(shù)對鑄坯質(zhì)量的影響。模擬計算表明,結(jié)晶器磁場強度伴隨攪拌電流的增長而增大,電流不變時,頻率越小,磁場強度越大?，F(xiàn)場試驗表明,采用電磁攪拌能有效改善鑄坯低倍組織,攪拌電流越大,鑄坯中心等軸晶比率越高;電磁攪拌還能有效改善鑄坯疏松和中心偏析狀況。選擇合適的電磁攪拌參數(shù)可以獲得良好的鑄坯質(zhì)量。4.本試驗的研究內(nèi)容、措施及可行性分析本課題在鑄造過程中，將Zn-Cu包晶合金進行電磁攪拌，其表面通過改性處理后可均與彌散地分布于基體中，作為第二相顆粒，改善材料的組織形態(tài)，提高其性能，并重點研究電磁攪拌細化Zn-Cu包晶合金機理。理論上，電磁攪拌技術已被成功加入到多種金屬材料中并良好的改善了其各項力學性能，表明該金屬強韌化技術可行。在實際中，本課題組具有試驗所需的多種試驗條件，可以完畢試驗任務規(guī)定。參照文獻[1]李雙明，呂海燕，李曉歷，劉林，傅恒志等.包晶合金的定向凝固與生長[J].稀有金屬材料與工程..（2）：234-239[2]王猛等.Zn-Cu包晶合金定向凝固組織及相選擇[J].西北工業(yè)大學畢業(yè)論文.,(7)：101-102[3]張瑞杰，徐嵬，介萬奇等.Zn-2.75%Cu合金定向凝固組織及對流的影響[J].鑄造技術.(2）:52-54[4]蘇云鵬，王猛，林鑫，沈淑娟，黃衛(wèi)東等.Zn-2%Cu包晶合金迅速定向凝固層片狀組織[J].中國有色金屬學報.(10)：1092-1097[5]馬東，李毅，黃思峻等.Zn-Cu包晶系中的片層狀類共晶組織[J].金屬學報.1999(7)：6-8[6]林鑫，蘇云鵬，王猛，李華琳，黃衛(wèi)東等.激光迅速熔凝Zn-2%Cu包晶合金的顯微組織[J].金屬學報.（1）：67-72[7]黃衛(wèi)東，王猛，林鑫，蘇云鵬，沈淑娟等.Zn-2%Cu包晶合金定向凝固的微觀組織[J].金屬學報.(4)：