外場對鋁硅合金富鐵相形成及半連鑄鑄坯組織的影響.pdf

1、鋁硅合金因為具有流動性好、耐磨性好、強度高、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于航天航空、汽車交通和工業(yè)生產(chǎn)中。然而在鋁硅合金的生產(chǎn)過程中存在鑄坯凝固組織及第二相粗大、鐵元素易混入熔體中生成有害富鐵相等問題，嚴(yán)重制約了優(yōu)質(zhì)鋁硅合金的制備和發(fā)展。工業(yè)上常通過添加Al-Ti-B細化劑的方法細化鋁合金基體，使用Sr等變質(zhì)劑細化Si相，利用Mn等中和元素改善富鐵相形貌，這不僅增加了合金的生產(chǎn)步驟，還伴隨有細化相顆粒易團聚、細化相易“中毒”失效、改變原

2、有合金成分等問題。使用物理外場處理鋁硅合金則可以有效避免這些問題，目前電磁場、超聲場等外場在材料加工領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用，在凝固過程中施加物理外場可以顯著改善合金的凝固組織和力學(xué)性能。
　　本文以改善鋁硅合金半連續(xù)鑄坯凝固組織和性能以及有害富鐵相形貌為目的，使用超聲場處理含鐵量2％的工業(yè)純鋁及Al-12％Si合金，利用超聲在熔體中傳播產(chǎn)生的一系列物理效應(yīng)，改善鋁合金中有害富鐵相的形貌，減小富鐵相的有害影響。并使用超聲場和電磁

3、場組成復(fù)合場施加在Al-8％Si合金的模鑄和半連續(xù)鑄造過程中，將超聲空化的細化作用和電磁場產(chǎn)生的強制對流作用結(jié)合，制備組織均勻細小的鑄錠，并大幅提升鑄錠的力學(xué)性能。
　　論文的研究結(jié)果表明:
　　1、超聲場處理可以有效細化Al-2％Fe合金中的初生Al3Fe相和Al-Al3Fe共晶相。在超聲場作用下，初生Al3Fe相由粗大針片狀變?yōu)榧毿K狀，平均長度由160μm降至20μm，長寬比由15降至2;共晶Al3Fe相平均長度由30

4、μm降至8μm，長寬比由16降至4。超聲場處理配合快速冷卻使凝固組織中初生相消失，凝固組織變?yōu)榧毿〉腁l-Al6Fe共晶組織。超聲空化效應(yīng)可以在熔體中產(chǎn)生深度過冷，極大地促進了Al3Fe相的形核過程，增加形核率，從而細化初生Al3Fe相和Al-Al3Fe共晶相。
　　2、超聲場處理Al-12％Si-2％Fe合金可以有效改善針狀β-Al9Si2Fe2相的形貌。660℃以上施加超聲場，超聲空化效應(yīng)促進亞穩(wěn)態(tài)α-Al12Si2Fe3相的

5、形核和生長，因此抑制了包晶反應(yīng)L+α→(Al)+β的發(fā)生，凝固組織中字母狀α-Al12Si2Fe3相取代針狀β-Al9Si2Fe2相，富鐵相平均尺寸由400μm降至90μm;配合快速冷卻可以使β-Al9Si2Fe2相轉(zhuǎn)變?yōu)槎噙呅螤瞀?Al12Si2Fe3相，平均尺寸降至10μm。640℃隨合金凝固施加超聲場，空化泡閉合瞬間產(chǎn)生的沖擊波可以打碎生長中的β-Al9Si2Fe2相，其平均長度由400μm降至60μm。
　　3、在Al-8

6、％Si合金模鑄凝固過程中使用旋轉(zhuǎn)磁場和超聲場組成的復(fù)合場可以有效細化鑄錠的凝固組織中的α-Al和共晶Si。單一施加旋轉(zhuǎn)磁場或超聲場時，通過增大磁場強度或增加超聲處理時間都可以增加細化效果。但超聲場的作用范圍較小，制各的鑄錠凝固組織不均勻，工具頭附近細化效果最好;旋轉(zhuǎn)磁場的細化效果沒有超聲場明顯，且磁場強度增加會引起熔體劇烈攪動。使用復(fù)合場時，旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的強制對流擴大了超聲場的作用范圍，超聲場的空化形核作用增強了旋轉(zhuǎn)磁場的細化效果，整個

7、鑄錠范圍內(nèi)得到均勻細小的等軸晶組織。
　　4、在鋁硅合金半連續(xù)鑄造過程中分別施加中頻磁場和超聲場。施加單一超聲場時，受超聲場作用范圍所限，鑄錠徑向各部分組織不均勻，鑄錠心部為細小的等軸晶，平均晶粒尺寸為70μm，抗拉強度和延伸率均大幅提高;鑄錠外圍的凝固組織為粗大的樹枝晶，平均晶粒尺寸為1200μm。單一施加中頻磁場時制備的鑄錠各部分組織均勻，輸入電流為100A時，鑄錠各部分的平均晶粒尺寸由1200μm降至600μm，抗拉強度由1

8、80MPa增至200 MPa，延伸率11％增至14％，且細化效果隨電流增大而增加。中頻磁場可以在鑄錠液相區(qū)引起強制對流，利于提高鑄錠表面質(zhì)量和細化內(nèi)部組織。
　　5、在Al-8％Si半連續(xù)鑄造過程中施加復(fù)合場成功制備了直徑160 mm的圓坯，鑄錠的平均晶粒尺寸為由1200μm降為150μm，共晶硅由粗大針片狀變?yōu)榧毿K狀，鑄錠抗拉強度為提高16.9％，延伸率提高37.2％。超聲場的空化作用在金屬熔體內(nèi)產(chǎn)生大量晶核，并被中頻磁場引起