外場對鋁熔體異相粒子運動及其凝固行為影響研究.pdf

1、鋁是用量僅次于鋼鐵的第二大金屬材料，其具有密度小、比強度高、耐腐蝕、易于回收等優(yōu)異的性能，在汽車、建筑、食品及包裝、電力、交通基礎(chǔ)設(shè)施、航空航天、機械、電子信息等部門的傳統(tǒng)或新型產(chǎn)品的制造中，具有廣泛的應(yīng)用。但是，鋁合金生產(chǎn)中主要存在著易于吸氣、細小夾雜物不易去除的問題，嚴(yán)重阻礙了鋁工業(yè)的發(fā)展，同時，鑄坯的表面質(zhì)量粗糙、合金元素偏析、凝固組織粗大等缺陷也使其不能滿足現(xiàn)代工業(yè)對優(yōu)質(zhì)材料的需求。目前外場如電磁場、超聲場在冶金及材料加工領(lǐng)域得

2、到了一定的研究及應(yīng)用，為制備潔凈、高性能鋁合金提供了良好的基礎(chǔ)和契機。
　　 本文以去除金屬熔體中的氣體和夾雜物粒子及細化金屬液凝固組織、改善鑄坯性能為目的。首先分別進行了電磁場、超聲場作用下鋁熔體中夾雜物和氣體運動行為的研究，利用研究結(jié)果制備了組織和性能梯度分布的鋁硅梯度材料，進而將超聲場與旋轉(zhuǎn)電磁場結(jié)合起來組成復(fù)合場對鋁合金凝固行為進行研究，考察其對鑄坯凝固過程、凝固組織、合金元素分布及力學(xué)性能的影響，并結(jié)合試驗結(jié)果對復(fù)合場

3、作用下金屬凝固過程中形核及長大過程進行分析，對復(fù)合場下熔體形核和長大的機理提出了較為科學(xué)的理論解釋。最后，開發(fā)了一種新型的復(fù)合場水平連鑄工藝，并制備了表面和內(nèi)部質(zhì)量好、力學(xué)性能高的A1-1％Si合金線材。上述研究為電磁場和超聲場技術(shù)應(yīng)用到鋁合金的實際生產(chǎn)中奠定了一定的試驗和理論基礎(chǔ)，相信隨著復(fù)合場技術(shù)的推廣和應(yīng)用，生產(chǎn)潔凈、高性能的鋁合金材料將成為現(xiàn)實。
　　 論文的研究結(jié)果表明：
　　 1.利用高頻磁場對鋁合金中的氧化

4、鋁夾雜物進行分離，對于30-200μm的氧化鋁顆粒施加表面磁感應(yīng)強度為0.04T的磁場1s時，在熔體的邊部就有明顯的氧化鋁顆粒偏聚層，分離時間大于3s時，在鋁熔體內(nèi)部已經(jīng)很少有直徑在30μm以上的氧化鋁顆粒；當(dāng)金屬熔體表面磁感應(yīng)強度為0.06T時，僅施加電磁場1s即可對氧化鋁顆粒實現(xiàn)有效的分離。
　　 2.利用功率超聲場對鋁合金中的異相粒子進行了分離研究，超聲場對液態(tài)金屬中的夾雜物和氣體粒子有較好的去除效果，600W超聲作用12

5、0s后，A356合金中的氣體基本上被去除；利用酒精水溶液中的聚乙烯顆粒作為夾雜物的模擬物進行超聲除雜模擬試驗，結(jié)果表明，超聲對粒徑為96-109μm的聚乙烯顆粒的去除率可達90％以上；利用Al-18％Si中的初生硅作為鋁合金中夾雜物的模擬物進行試驗，結(jié)果表明超聲場可對初生硅的運動行為進行有效控制；通過采取內(nèi)部施加超聲場配以外部強制冷卻的方法制備了組織和性能梯度分布的梯度組織鋁合金材料。
　　 3.將旋轉(zhuǎn)磁場和超聲場組成復(fù)合場，考

6、察其對Sn-3.5％Pb合金及A356合金凝固過程的影響，結(jié)果表明；復(fù)合場可以提高合金初始凝固溫度、抑制元素偏析、細化合金凝固組織并改善共晶相形貌，初生鋁平均晶粒度由原始的250μm降低到復(fù)合場作用時的30μm，相應(yīng)的抗拉強度也由163MPa提高到了268MPa。一方面，功率超聲空化作用使合金在其液相線溫度以上就可以爆發(fā)生核，這些初生核被超聲的聲流效應(yīng)和電磁攪拌共同產(chǎn)生的強制對流傳遞到整個熔體而使合金凝固組織大大細化；另一方面，超聲場和

7、電磁場引起的熔體的溫度場和濃度場的起伏也有利于少數(shù)殘存枝晶生長過程中在枝晶臂發(fā)生熔斷，復(fù)合場產(chǎn)生的上述兩方面共同作用使得最終鑄坯具有細小的凝固組織和優(yōu)良的力學(xué)性能。
　　 4.將行波磁場與超聲場組成復(fù)合場應(yīng)用到A1-1％Si合金鍵合線材的水平連鑄過程中，開發(fā)出了一種利用復(fù)合場水平連鑄制備鋁硅鍵合線材的新技術(shù)。復(fù)合場可以均衡保溫爐內(nèi)溫度場、抑制硅元素偏析、提高連鑄坯表面質(zhì)量，同時還可以改善鑄坯內(nèi)部組織、提高鑄坯力學(xué)性能，鑄坯的抗拉