外場(chǎng)對(duì)鋁熔體異相粒子運(yùn)動(dòng)及其凝固行為影響研究.pdf

1、鋁是用量?jī)H次于鋼鐵的第二大金屬材料，其具有密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、易于回收等優(yōu)異的性能，在汽車(chē)、建筑、食品及包裝、電力、交通基礎(chǔ)設(shè)施、航空航天、機(jī)械、電子信息等部門(mén)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(xì)小夾雜物不易去除的問(wèn)題，嚴(yán)重阻礙了鋁工業(yè)的發(fā)展，同時(shí)，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(duì)優(yōu)質(zhì)材料的需求。目前外場(chǎng)如電磁場(chǎng)、超聲場(chǎng)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(jī)。
　　 本文以去除金屬熔體中的氣體和夾雜物粒子及細(xì)化金屬液凝固組織、改善鑄坯性能為目的。首先分別進(jìn)行了電磁場(chǎng)、超聲場(chǎng)作用下鋁熔體中夾雜物和氣體運(yùn)動(dòng)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(jìn)而將超聲場(chǎng)與旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)結(jié)合起來(lái)組成復(fù)合場(chǎng)對(duì)鋁合金凝固行為進(jìn)行研究，考察其對(duì)鑄坯凝固過(guò)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(yàn)結(jié)果對(duì)復(fù)合場(chǎng)

3、作用下金屬凝固過(guò)程中形核及長(zhǎng)大過(guò)程進(jìn)行分析，對(duì)復(fù)合場(chǎng)下熔體形核和長(zhǎng)大的機(jī)理提出了較為科學(xué)的理論解釋。最后，開(kāi)發(fā)了一種新型的復(fù)合場(chǎng)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(chǎng)和超聲場(chǎng)技術(shù)應(yīng)用到鋁合金的實(shí)際生產(chǎn)中奠定了一定的試驗(yàn)和理論基礎(chǔ)，相信隨著復(fù)合場(chǎng)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(shí)。
　　 論文的研究結(jié)果表明：
　　 1.利用高頻磁場(chǎng)對(duì)鋁合金中的氧化

4、鋁夾雜物進(jìn)行分離，對(duì)于30-200μm的氧化鋁顆粒施加表面磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.04T的磁場(chǎng)1s時(shí)，在熔體的邊部就有明顯的氧化鋁顆粒偏聚層，分離時(shí)間大于3s時(shí)，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(qiáng)度為0.06T時(shí)，僅施加電磁場(chǎng)1s即可對(duì)氧化鋁顆粒實(shí)現(xiàn)有效的分離。
　　 2.利用功率超聲場(chǎng)對(duì)鋁合金中的異相粒子進(jìn)行了分離研究，超聲場(chǎng)對(duì)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(jìn)行超聲除雜模擬試驗(yàn)，結(jié)果表明，超聲對(duì)粒徑為96-109μm的聚乙烯顆粒的去除率可達(dá)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(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明超聲場(chǎng)可對(duì)初生硅的運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行有效控制；通過(guò)采取內(nèi)部施加超聲場(chǎng)配以外部強(qiáng)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(chǎng)和超聲場(chǎng)組成復(fù)合場(chǎng)，考

6、察其對(duì)Sn-3.5％Pb合金及A356合金凝固過(guò)程的影響，結(jié)果表明；復(fù)合場(chǎng)可以提高合金初始凝固溫度、抑制元素偏析、細(xì)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(chǎng)作用時(shí)的30μm，相應(yīng)的抗拉強(qiáng)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(qiáng)制對(duì)流傳遞到整個(gè)熔體而使合金凝固組織大大細(xì)化；另一方面，超聲場(chǎng)和

7、電磁場(chǎng)引起的熔體的溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)的起伏也有利于少數(shù)殘存枝晶生長(zhǎng)過(guò)程中在枝晶臂發(fā)生熔斷，復(fù)合場(chǎng)產(chǎn)生的上述兩方面共同作用使得最終鑄坯具有細(xì)小的凝固組織和優(yōu)良的力學(xué)性能。
　　 4.將行波磁場(chǎng)與超聲場(chǎng)組成復(fù)合場(chǎng)應(yīng)用到A1-1％Si合金鍵合線材的水平連鑄過(guò)程中，開(kāi)發(fā)出了一種利用復(fù)合場(chǎng)水平連鑄制備鋁硅鍵合線材的新技術(shù)。復(fù)合場(chǎng)可以均衡保溫爐內(nèi)溫度場(chǎng)、抑制硅元素偏析、提高連鑄坯表面質(zhì)量，同時(shí)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