鑄造調(diào)研報(bào)告

調(diào)研匯報(bào)1.課題的來源及意義電磁攪拌運(yùn)用電磁效應(yīng)實(shí)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(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。詳細(xì)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(yīng)起電流，該感應(yīng)電流與當(dāng)?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(jìn)鋼水運(yùn)動。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(guān)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(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程一般均波及到持續(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,常常碰到包晶轉(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大的。運(yùn)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)表面形核長大,可以到達(dá)細(xì)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(yùn)用包晶轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)到達(dá)細(xì)化晶粒的目的的。不僅工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)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(dǎo)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(yīng),可見人們對包晶型合金的研究愛好日益增長。目前有關(guān)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(jī)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(rèn)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(xué)模型,而對于包晶反應(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(jìn)行大量基礎(chǔ)理論與試驗(yàn)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(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。在已刊登的二元包晶合金的文獻(xiàn)中,幾乎沒有發(fā)現(xiàn)研究其液態(tài)構(gòu)造方面的文獻(xiàn)。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(rèn)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(rèn)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)的構(gòu)造及其互相關(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(xiàn)簡介的狀況來看，Zn-Cu包晶合金的應(yīng)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(yīng)合金的深入深入研究，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愈加獨(dú)立、系統(tǒng)地進(jìn)行?？傊?，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(yīng)用前景十分寬闊。我國鋅銅資源豐富，蘊(yùn)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(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(jī)制，討論了運(yùn)用最高界面生長溫度假設(shè)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(jī)制進(jìn)行了分析，并在Sn-Cu包晶合金定向凝固試驗(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)冷卻過程中也能進(jìn)行，最終針對國內(nèi)外包晶合金定向凝固研究的現(xiàn)實(shí)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(jìn)行系統(tǒng)性研究,選擇了亞包晶、過包晶以及靠近包晶點(diǎn)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(jìn)行了定向凝固試驗(yàn)。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(jì)算相圖措施對Zn-Cu包晶相圖的亞穩(wěn)分支進(jìn)行了考察,發(fā)目前高速凝固條件下,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)此對兩相層片狀生長組織的形成機(jī)理進(jìn)行解釋。結(jié)合共晶凝固層片間距計(jì)算的有關(guān)理論模型對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試驗(yàn)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(qiáng)制對流對Zn-Cu包晶定向凝固組織的影響。試驗(yàn)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(guān)系式為:λ=0.6064R-0.25GL-0.5。強(qiáng)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(qiáng)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(yīng)的存在,使得枝晶的尖端和二次枝晶熔解,導(dǎo)致了固相中枝晶和初生枝晶的差異。蘇云鵬[4]等運(yùn)用Bridgman法對Zn-2%Cu(質(zhì)量分?jǐn)?shù))包晶合金進(jìn)行了迅速定向凝固試驗(yàn)研究,當(dāng)生長速度在1600～6400μm/s時,得到了類似于共晶的層片狀組織。運(yùn)用X射線衍射儀及透射電鏡對層片狀組織進(jìn)行了相構(gòu)成的分析,并結(jié)合計(jì)算亞穩(wěn)相圖對該組織的相及組織形成規(guī)律進(jìn)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(shí)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?jǐn)?shù))包晶合金的凝固過程及其組織形態(tài).當(dāng)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(guān)系很好地符合λv1/2=(216±42)μm3/2·s-1/2關(guān)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(yùn)用5kw持續(xù)波CO:激光器對Zn一2%Cu包晶合金進(jìn)行了表面決速熔凝試驗(yàn)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(yàn)成果表明,該合金微觀組織演化規(guī)律與運(yùn)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)測成果吻合很好。黃衛(wèi)東[7]等對Zn-2%Cu包晶合金進(jìn)行了定向凝固試驗(yàn)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(jìn)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(guān)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(shè)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(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(shí)狀況及應(yīng)用在持續(xù)鑄鋼發(fā)展初期，鐵制造者們已認(rèn)識到鋼液的凝固及鑄坯質(zhì)量受液相穴鋼液的運(yùn)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(yùn)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(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,通過鋼水內(nèi)流動的感應(yīng)電流互相作用,

使液向部分能定向移動及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動,從而對鑄坯內(nèi)的液相鋼水進(jìn)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(yàn)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(jìn)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(tuán)尺寸和形狀發(fā)生變化，進(jìn)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(dú)施加或復(fù)合施加對Alsi7Mg合金微觀組織的影響。試驗(yàn)成果表明:單一施加旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電磁攪拌時，漿料徑向組織很不均勻;單一施加無芯感應(yīng)電磁攪拌，當(dāng)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(yīng)十無芯感應(yīng))復(fù)合電磁場進(jìn)行復(fù)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(yàn)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(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(yán)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(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(jìn)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(dāng)電磁攪拌的頻率到達(dá)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(xì)小，在電磁攪拌條件下，AZ91D鎂合金熔體的劇烈流動導(dǎo)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(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(jìn)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?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(yīng)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(yīng)用技術(shù)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(yīng)用中工藝參數(shù)的優(yōu)化提供了根據(jù)。劉政[16]等應(yīng)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(jìn)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(dá)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佳。吳華杰[17]等通過在160mm×200mm連鑄機(jī)上進(jìn)行的試驗(yàn)，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(biāo)問題，通過度析磁感應(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與電磁扭矩變化趨勢有良好的一致性，電磁扭矩比磁感應(yīng)強(qiáng)度更有效地反應(yīng)電磁攪拌效果，前者更真實(shí)地衡量了電磁攪拌對鋼液的攪拌強(qiáng)度，伴隨攪拌強(qiáng)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(dá)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(jì)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(yàn)研究了電磁攪拌參數(shù)對鑄坯質(zhì)量的影響。模擬計(jì)算表明,結(jié)晶器磁場強(qiáng)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(qiáng)度越大。現(xiàn)場試驗(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(jìn)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(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)已被成功加入到多種金屬材料中并良好的改善了其各項(xiàng)力學(xué)性能，表明該金屬強(qiáng)韌化技術(shù)可行。在實(shí)際中，本課題組具有試驗(yàn)所需的多種試驗(yàn)條件，可以完畢試驗(yàn)任務(wù)規(guī)定。參照文獻(xiàn)[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(xué)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(shù).(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(xué)報(bào).(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(xué)報(bào).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(xué)報(bào).（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(xué)報(bào).(4)：