鑄造調(diào)研報(bào)告

1、調(diào)研報(bào)告1.課題的來(lái)源及意義 電磁攪拌利用電磁效應(yīng)實(shí)現(xiàn)熔體的攪拌，熔煉時(shí)使溫度和成分均勻、連鑄時(shí)控制凝固過(guò)程的工藝。實(shí)質(zhì)是借助在鑄坯液相穴中感生的電磁力，強(qiáng)化鋼水的運(yùn)動(dòng)。具體地說(shuō)，攪拌器激發(fā)的交變磁場(chǎng)滲透到鑄坯的鋼水內(nèi)，就在其中感應(yīng)起電流，該感應(yīng)電流與當(dāng)?shù)卮艌?chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力，電磁力是體積力，作用在鋼水體積元上，從而能推動(dòng)鋼水運(yùn)動(dòng)。 包晶反應(yīng)是液相與一種或多種晶體相反應(yīng)生成另一種晶體相的相變過(guò)程。包晶凝固是十分重要的相變過(guò)程，一系列包晶合金以其特殊的性能為人們所關(guān)注，凝固過(guò)程中形成的相和微觀結(jié)構(gòu)對(duì)這些材料的最終性能具有非常重要的影響。在改進(jìn)現(xiàn)有材料性能的過(guò)程中，人們對(duì)深入理解包晶凝固理論提出

2、了更高的要求。 本課題是電磁攪拌細(xì)化Zn-Cu合金機(jī)理研究。2.包晶合金的研究進(jìn)展及應(yīng)用二元包晶合金的凝固過(guò)程一般均涉及到連續(xù)的包晶或與共晶的復(fù)合相變。在實(shí)際的二元合金系中,經(jīng)常碰到包晶轉(zhuǎn)變。由包晶轉(zhuǎn)變機(jī)理可知,包晶產(chǎn)物是依附在初生相表面形核長(zhǎng)大的。利用這一點(diǎn)設(shè)法在熔體內(nèi)首先形成大量的固相質(zhì)點(diǎn),包晶產(chǎn)物就在這些質(zhì)點(diǎn)表面形核長(zhǎng)大,可以達(dá)到細(xì)化目的。工業(yè)生產(chǎn)中通常在鋁和鋁合金中加入少量的鈦;在銅和銅合金中加入少量鐵;或在鎂和鎂合金中加入少量鋯,都是利用包晶轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)達(dá)到細(xì)化晶粒的目的的。不但工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用了包晶轉(zhuǎn)變來(lái)改變材料的性能,而且近幾年對(duì)于某些鐵磁材料、超導(dǎo)材料、形狀記憶材料及耐高溫材料等功

3、能材料的研究和開(kāi)發(fā)也涉及到了包晶反應(yīng),可見(jiàn)人們對(duì)包晶型合金的研究興趣日益增加。目前關(guān)于二元包晶合金的研究主要有以下3個(gè)方面:包晶凝固的形核機(jī)理、包晶轉(zhuǎn)變中的相競(jìng)爭(zhēng)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有所認(rèn)識(shí),但對(duì)于此過(guò)程的研究并未像對(duì)單相及共晶凝固那樣深入。值得指出的是:對(duì)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當(dāng)精確、定量的數(shù)學(xué)模型,而對(duì)于包晶反應(yīng)的研究仍然不夠系統(tǒng),包晶反應(yīng)中的某些相和微觀結(jié)構(gòu)的形成規(guī)律仍存在一定的爭(zhēng)議,包晶凝固微觀組織的形成規(guī)律長(zhǎng)期以來(lái)僅限于定性的描述。這就需要進(jìn)行大量基礎(chǔ)理論與實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)展并建立一個(gè)精確定量的包晶

4、凝固理論模型,以更準(zhǔn)確地指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。在已發(fā)表的二元包晶合金的文獻(xiàn)中,幾乎沒(méi)有發(fā)現(xiàn)研究其液態(tài)結(jié)構(gòu)方面的文獻(xiàn)。對(duì)于固態(tài)而言,液態(tài)是其母態(tài),固態(tài)是在對(duì)液態(tài)辯證否定的基礎(chǔ)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(duì)液態(tài)而言,固態(tài)是其母態(tài),液態(tài)是在對(duì)固態(tài)辯證否定的基礎(chǔ)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)的結(jié)構(gòu)及其相互關(guān)系,必將具有重要的理論意義和實(shí)際意義。研究液態(tài)和固態(tài)之間的遺傳性,是一個(gè)既有挑戰(zhàn)性又有重大意義的課題。從目前已有文獻(xiàn)介紹的情況來(lái)看，Zn-Cu包晶合金的應(yīng)用，今后將主要集中于電氣工業(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

5、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(yīng)合金的進(jìn)一步深入研究，其基礎(chǔ)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更加獨(dú)立、系統(tǒng)地進(jìn)行?？傊?，目前國(guó)際上Zn-Cu包晶合金的發(fā)展研究勢(shì)頭迅猛，方興未艾，Zn-Cu包晶合金的潛在市場(chǎng)宏大，應(yīng)用前景十分寬闊。我國(guó)鋅銅資源豐富，蘊(yùn)藏量居世界前列，立足國(guó)內(nèi)富有資源，大力發(fā)展Zn-Cu包晶合金的研究和應(yīng)用，具有重大經(jīng)濟(jì)意義。上世紀(jì)90年代至今，科研工作者對(duì)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(zhǎng)

6、機(jī)制，討論了利用最高界面生長(zhǎng)溫度假設(shè)以及成分過(guò)冷和充分形核判據(jù)下包晶合金的微觀組織與相選擇規(guī)律，對(duì)包晶相的3種生長(zhǎng)機(jī)制進(jìn)行了分析，并在Sn-Cu包晶合金定向凝固實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)其包晶反應(yīng)不僅存在于凝固界面處，在后續(xù)冷卻過(guò)程中也能進(jìn)行，最后針對(duì)國(guó)內(nèi)外包晶合金定向凝固研究的現(xiàn)狀，提出了其需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。王猛2等為了對(duì)包晶合金的凝固組織演化、組織及相選擇規(guī)律、快速凝固條件下的層片生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)及其形成原因進(jìn)行系統(tǒng)性研究, 選擇了亞包晶、過(guò)包晶以及接近包晶點(diǎn)成分的四組試樣,在45K/mm的溫度梯度和2m/s-6400m/s的凝固速度區(qū)間進(jìn)行了定向凝固實(shí)驗(yàn)。研究中大仙，隨著凝固速度的提高，低速的胞狀生長(zhǎng)有向高

7、速條件下的有序?qū)悠M織轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，并在3200m/s以及6400m/s的高速凝固條件下Zn-2.0wt%Cu合金中獲得了典型的兩相層片狀生長(zhǎng)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顯著差異。采用計(jì)算相圖方法對(duì)Zn-Cu包晶相圖的亞穩(wěn)分支進(jìn)行了考察,發(fā)現(xiàn)在高速凝固條件下,由于界面非平衡效應(yīng)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(duì)兩相層片狀生長(zhǎng)組織的形成機(jī)理進(jìn)行解釋。結(jié)合共晶凝固層片間距計(jì)算的相關(guān)理論模型對(duì)這種凝固組織的層片間距進(jìn)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(duì)實(shí)驗(yàn)中觀察到的兩相層片間距給出較好描述。張瑞杰3等研究了Zn-2.75%Cu

8、合金在傳統(tǒng)Bridgeman法和ACRT-B法下定向凝固組織的差別。著重討論了生長(zhǎng)速度和液相強(qiáng)制對(duì)流對(duì)Zn-Cu包晶定向凝固組織的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在Bridgeman法定向凝固過(guò)程中,生長(zhǎng)速度的增加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(zhǎng)速度和溫度梯度的關(guān)系式為:=0.6064R-0.25GL-0.5。強(qiáng)制對(duì)流使得一次枝晶發(fā)生分叉和偏轉(zhuǎn)。并且隨著對(duì)流強(qiáng)度的加大,一次枝晶間距降低,二次枝晶的生長(zhǎng)被抑制。包晶反應(yīng)的存在,使得枝晶的尖端和二次枝晶熔解,造成了固相中枝晶和初生枝晶的差別。蘇云鵬4等利用Bridgman法對(duì)Zn-2%Cu(質(zhì)量分?jǐn)?shù))包晶合金進(jìn)行了快速定向凝固實(shí)驗(yàn)研究

9、,當(dāng)生長(zhǎng)速度在1 6006 400m/s時(shí),得到了類似于共晶的層片狀組織。利用X射線衍射儀及透射電鏡對(duì)層片狀組織進(jìn)行了相組成的分析,并結(jié)合計(jì)算亞穩(wěn)相圖對(duì)該組織的相及組織形成規(guī)律進(jìn)行了分析,結(jié)果表明在快速凝固條件下Zn-2%Cu包晶合金中實(shí)現(xiàn)共生生長(zhǎng)是可能的。馬東5等采用Bridgman定向凝固法研究了不同生長(zhǎng)速度下Zn-3.37%Cu(質(zhì)量分?jǐn)?shù))包晶合金的凝固過(guò)程及其組織形態(tài).當(dāng)生長(zhǎng)速度高于1.0 mm/s時(shí),出現(xiàn)片層狀類共晶生長(zhǎng),且片層間距和生長(zhǎng)速度的關(guān)系很好地符合v1/2=(21642)m3/2s-1/2關(guān)系,該數(shù)值與多數(shù)共晶系相比偏高.這類共晶組織在包晶合金中的發(fā)現(xiàn)有助于對(duì)包晶合金凝固過(guò)

10、程的進(jìn)一步研究。林鑫6等利用5kw連續(xù)波CO:激光器對(duì)Zn一2%Cu包晶合金進(jìn)行了表面決速熔凝實(shí)驗(yàn)研究,掃描速率從6mm/s至1207mms/隨著凝固速率的提高,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(duì)穩(wěn)定平界面轉(zhuǎn)變.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該合金微觀組織演化規(guī)律與利用林鑫等的數(shù)值模型和Jackson-Hunt的共晶模型相結(jié)合所得到的界面響應(yīng)函數(shù)作出的預(yù)測(cè)結(jié)果吻合較好。黃衛(wèi)東7等對(duì)Zn-2%Cu包晶合金進(jìn)行了定向凝固實(shí)驗(yàn)研究,考察了在不同凝固速度條件下獲得的凝固組織,并對(duì)其組織構(gòu)成及尺度分布進(jìn)行了分析.結(jié)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結(jié)構(gòu)的

11、轉(zhuǎn)變,其中高速組織特征間距久與凝固速度。之間存在5477=560.5的關(guān)系,與低速胞晶組織相比較有顯著差異;同時(shí)在沒(méi)有出現(xiàn)平界面生長(zhǎng)的條件下獲得了包晶共生生長(zhǎng)組織,由此對(duì)包晶共生生長(zhǎng)的平界面假設(shè)提出了質(zhì)疑。吳建春8等對(duì)采用不同冷卻速度、不同散熱條件的鑄型得到的Zn-2.98Cu包晶合金的微觀組織進(jìn)行了研究。研究表明:在常規(guī)的砂型和金屬型鑄錠中,其微觀組織為相+相基體;在具有定向溫度梯度的鑄錠中,得到了定向的相枝晶+相基體和定向的層片狀(+)組織;并對(duì)層片狀組織做了進(jìn)一步分析,得到的Zn-Cu包晶合金層片間距平均值=4.06m。3.電磁攪拌的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用在連續(xù)鑄鋼發(fā)展初期，鐵制造者們已認(rèn)識(shí)到鋼

12、液的凝固及鑄坯質(zhì)量受液相穴鋼液的運(yùn)動(dòng)和諸如對(duì)流、傳熱、收縮等基本物理現(xiàn)象的影響。毫無(wú)疑問(wèn)，磁攪拌的研究是以優(yōu)化上述運(yùn)動(dòng)和現(xiàn)象以提高鋼的質(zhì)量和消除不利因素等為目標(biāo)的。電磁攪拌裝置(Electro-Magnetic Stirring)英語(yǔ)縮寫(xiě)為EMS。目前采用電磁攪拌裝置已經(jīng)成為板坯連鑄設(shè)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(qiáng)磁場(chǎng),通過(guò)鋼水內(nèi)流動(dòng)的感應(yīng)電流相互作用,使液向部分能定向移動(dòng)及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),從而對(duì)鑄坯內(nèi)的液相鋼水進(jìn)行攪拌

13、,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(dòng)性測(cè)試裝置，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)的方法，獲得了不同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(dòng)指數(shù)和凝固組織，進(jìn)而探討了電磁攪拌對(duì)合金熔體結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)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(dòng)指數(shù)明顯提高，澆注溫度722時(shí)，流動(dòng)指數(shù)提高約2%，澆注溫度670時(shí)，流動(dòng)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(tuán)尺寸和形狀發(fā)生改變，進(jìn)而使熔體溫度場(chǎng)與濃度場(chǎng)更加均勻、形核率得到進(jìn)一步提高。田戰(zhàn)峰10等采用自行開(kāi)發(fā)的電磁攪拌器,研究了多種不同電

14、磁攪拌方式，在不同工藝條件下，單獨(dú)施加或復(fù)合施加對(duì)Alsi7Mg合金微觀組織的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明:單一施加旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電磁攪拌時(shí)，漿料徑向組織很不均勻;單一施加無(wú)芯感應(yīng)電磁攪拌，當(dāng)攪拌電流較小時(shí)，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(yīng)十無(wú)芯感應(yīng))復(fù)合電磁場(chǎng)進(jìn)行復(fù)合電磁攪拌時(shí)，可在電流較小時(shí)獲得滿意的漿料質(zhì)量。戰(zhàn)國(guó)鋒11等通過(guò)試驗(yàn)研究了電磁攪拌對(duì)高溫合金GH3030鑄坯的凝固組織及凝固過(guò)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、促進(jìn)形核，明顯細(xì)化其晶粒，得到組織致密，晶粒細(xì)小的凝固組織。沒(méi)有電磁攪拌的情況下，鑄坯的宏觀偏析和微觀偏析都

15、比較嚴(yán)重。通過(guò)施加電磁攪拌，熔體的流動(dòng)使得熔體內(nèi)的傳熱得到改善，凝固前沿溫度梯度變小，同時(shí)促進(jìn)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元素分布的更加均勻，鑄坯質(zhì)量得到提高。楊必成12等研究了不同電磁攪拌頻率和不同冷卻速度對(duì)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同組織。結(jié)果表明,電磁攪拌能完全抑制樹(shù)枝晶的形成,提高攪拌頻率能使-Mg趨于等軸化，延長(zhǎng)攪拌時(shí)間不能改變晶粒形貌，只能使組織變得更加粗大。此外，電磁攪拌還能促進(jìn)凝固過(guò)程中Mg2Si相的形核。毛衛(wèi)民13等研究了電磁攪拌參數(shù)對(duì)連續(xù)冷卻條件下Z91鎂合金組織的影響結(jié)

16、果表明當(dāng)電磁攪拌的頻率達(dá)到或高于05Hz時(shí)，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(lái)越多，越來(lái)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(xì)小，在電磁攪拌條件下，AZ91D鎂合金熔體的激烈流動(dòng)導(dǎo)致較為均勻的溫度場(chǎng)和溶質(zhì)場(chǎng)、更加劇烈的溫度起伏,促進(jìn)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)生進(jìn)一步的球化。焦殿輝14等通過(guò)采用電磁攪拌制備高碳鋼半固態(tài)流變漿料并進(jìn)行半固態(tài)成形的方法!研究Cr5MoV、Cr12和Cr12V等高碳鋼在電磁攪拌條件下

17、的半固態(tài)組織演變過(guò)程。結(jié)果表明：電磁攪拌可以獲得非枝晶的初生奧氏體。隨著攪拌時(shí)間的增加!初生奧氏體的形貌變得愈來(lái)愈圓整。在較高固相分?jǐn)?shù)的條件下攪拌，初生奧氏體固相顆粒有粘連現(xiàn)象。EBSD分析結(jié)果表明：粘連的固相顆粒呈不同的位向。這些不同位向的顆粒是從不同的晶核生長(zhǎng)出來(lái)的，在電磁攪拌作用下相互撞擊而粘附在一起。齊雅麗15等旋轉(zhuǎn)型電磁攪拌在鋼的連續(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(guò)程中的應(yīng)用受到了材料工作者的高度重視，并不斷地取得了電磁攪拌應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)與理論研究的成果。得到周向速度分布的表達(dá)式，研究了旋轉(zhuǎn)型電磁攪拌對(duì)連鑄坯凝固組織的影響，為在旋轉(zhuǎn)型電磁攪拌應(yīng)用中工藝參數(shù)

18、的優(yōu)化提供了依據(jù)。劉政16等應(yīng)用變頻控制的電磁攪拌裝置對(duì)低過(guò)熱度澆注的A356合金熔體進(jìn)行短時(shí)弱電磁攪拌，探討了不同的攪拌時(shí)間對(duì)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平均形狀因子達(dá)到了0.86，共晶組織顆粒細(xì)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好。吳華杰17等通過(guò)在160 mm200 mm連鑄機(jī)上進(jìn)行的試驗(yàn)，研究了結(jié)晶器電磁攪拌對(duì)45鋼方坯凝固結(jié)構(gòu)的影響。討論了衡量

19、電磁攪拌效果的指標(biāo)問(wèn)題，通過(guò)分析磁感應(yīng)強(qiáng)度、電磁扭矩與電磁攪拌參數(shù)的關(guān)系可以得出，鑄坯等軸晶率變化趨勢(shì)與電磁扭矩變化趨勢(shì)有良好的一致性，電磁扭矩比磁感應(yīng)強(qiáng)度更有效地反映電磁攪拌效果，前者更真實(shí)地衡量了電磁攪拌對(duì)鋼液的攪拌強(qiáng)度，隨著攪拌強(qiáng)度的提高，鑄坯等軸晶率提高。通過(guò)研究,優(yōu)化了結(jié)晶器電磁攪拌工藝,使鑄坯等軸晶率達(dá)60%以上，改善了中心碳偏析，降低了疏松及縮孔程度。劉國(guó)平18等通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算了馬鋼圓坯連鑄(斷面尺寸為 450 mm)電磁攪拌參數(shù)對(duì)磁場(chǎng)分布的影響,并通過(guò)生產(chǎn)試驗(yàn)研究了電磁攪拌參數(shù)對(duì)鑄坯質(zhì)量的影響。模擬計(jì)算表明,結(jié)晶器磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著攪拌電流的增加而增大,電流不變時(shí),頻率越小,磁場(chǎng)強(qiáng)

20、度越大?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(yàn)的研究?jī)?nèi)容、方法及可行性分析本課題在鑄造過(guò)程中，將Zn-Cu包晶合金進(jìn)行電磁攪拌，其表面經(jīng)過(guò)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(diǎn)研究電磁攪拌細(xì)化Zn-Cu包晶合金機(jī)理。理論上，電磁攪拌技術(shù)已被成功加入到各種金屬材料中并良好的改善了其各項(xiàng)力學(xué)性能，表明該金屬?gòu)?qiáng)韌化技術(shù)可行。在實(shí)際中，本課題組具備試驗(yàn)所需的各種試驗(yàn)條件，能夠完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求。參考文獻(xiàn)1

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