侯忠霖，李 婷，沙明紅

(1.遼寧科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧鞍山114044;2.遼寧科技大學(xué)高溫材料與鎂資源工程學(xué)院，遼寧鞍山114044)

近代，隨著工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展，鑄造工藝逐漸發(fā)展為一項(xiàng)工程技術(shù)，逐步成為一門完整的科學(xué)體系.工業(yè)上鑄錠和鑄件在凝固后所形成的宏觀組織具有三個(gè)性質(zhì)、晶體形態(tài)不同的區(qū)域［1］:它們分別是表面細(xì)晶區(qū)、柱狀晶區(qū)及等軸晶區(qū)，但不是所有的鑄件中都同時(shí)有上述三個(gè)區(qū)域.當(dāng)鑄件中有柱狀晶及等軸晶存在時(shí)，往往柱狀晶向等軸晶區(qū)轉(zhuǎn)變的區(qū)域會(huì)很窄.工業(yè)生產(chǎn)中，鑄件內(nèi)部質(zhì)量往往取決于其凝固組織，即鑄件的宏觀組織.對(duì)于鑄件來說，鑄態(tài)組織直接會(huì)影響到它的加工性能、機(jī)械性能及使用性能，而柱狀晶區(qū)與等軸晶區(qū)比例的變化正是對(duì)性能影響的一個(gè)重要因素.柱狀晶區(qū)中雜質(zhì)少、組織致密，但晶粒之間彼此結(jié)合力不強(qiáng)，軋制時(shí)容易沿這些脆弱面而裂開，對(duì)塑性好的金屬(銅，鋁合金)可以加大柱狀晶區(qū)，但對(duì)于塑性較差的合金(鋼鐵，鎳合金)則要避免柱狀晶.因此針對(duì)不同合金控制其凝固宏觀組織是鑄造領(lǐng)域中一個(gè)重要任務(wù).

中心等軸晶區(qū)的生成以及它和柱狀晶區(qū)的比例，研究者通過各自的實(shí)驗(yàn)得到了不同的結(jié)論，目前比較公認(rèn)的理論有:成分過冷理論、枝晶熔斷理論、結(jié)晶雨理論、固體質(zhì)點(diǎn)和晶體游離理論等［2-3］.迄今為止，柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變(CET)方面的研究可以歸納為兩個(gè)方面，即數(shù)學(xué)模型和實(shí)驗(yàn)研究，但對(duì)柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變機(jī)理(CET)的研究尚不夠深入，引起的爭(zhēng)論也較多.CET實(shí)驗(yàn)研究基本上都是采用近定向凝固實(shí)驗(yàn)的方法;國(guó)外對(duì) CET 方面的研究較多，自從 J.D.Hunt［4］在1984年第一個(gè)提出CET判據(jù)以來，研究者在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了多種CET模型，Wang和Beckermann［5］基于多相傳輸理論，建立了多尺度數(shù)學(xué)模型計(jì)算CET位置，可以解釋熱和溶質(zhì)擴(kuò)散，晶粒形核和生長(zhǎng)等;Ares［6］等人在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上結(jié)合數(shù)值模擬，建立了CET轉(zhuǎn)變的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，該模型能夠預(yù)測(cè)宏觀組織主要參數(shù)，柱狀晶寬度和長(zhǎng)度，CET位置和等軸晶晶粒尺寸.Gandin［7］建立了定向凝固中柱狀晶生長(zhǎng)一維微觀/宏觀綜合傳熱模型，追蹤雙界面前沿的位置，計(jì)算了Al-Sn(3-11wt.%)的定向凝固過程.W.Kurz與C.Benzencon［8］等人改進(jìn)了 Hunt模型，用初始合金成分得到的過冷度計(jì)算柱狀晶和等軸晶尖端速度，采用了等軸晶阻礙柱狀晶生長(zhǎng)來預(yù)測(cè)CET.C.A.Siqueira［9］等人利用半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头治隽?CET位置，但是結(jié)果沒有實(shí)際的驗(yàn)證.Ares A E和Schvezov C E［10］兩人分析了不同熱參數(shù)對(duì)Al-Zn合金CET的影響.

在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)之上，本文自行設(shè)計(jì)了一種近定向凝固的實(shí)驗(yàn)裝置，將研究不同保溫溫度、冷卻條件兩個(gè)因素對(duì)鋁合金等軸晶形核率、柱狀晶形核率、柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變位置的影響規(guī)律，希望提出針對(duì)本實(shí)驗(yàn)條件下新CET位置判據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

主要材料為ZL104鋁硅合金，將合金加工成規(guī)定尺寸的柱狀放入準(zhǔn)備好的石英試管中待用.其他實(shí)驗(yàn)用品包括各種顆粒度的砂紙若干套，拋光布及拋光劑2套，5%的腐蝕劑(HF溶液)100 ml.

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與步驟

實(shí)驗(yàn)設(shè)備一共由4個(gè)部分構(gòu)成，分別為加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、工作臺(tái)和測(cè)溫系統(tǒng)，如圖1所示，利用E-9188E18型高頻感應(yīng)加熱裝置將盛裝在石英試管中的棒狀ZL104合金試樣加熱到指定溫度(在圖1中的加熱位置)，通過該裝置使試樣保溫一段時(shí)間，以保證試樣均溫，滿足均溫條件后，在工作臺(tái)連接架的帶動(dòng)下瞬間將試樣下降到冷卻工作位置(圖1冷卻位置)，使一定尺寸的石英試管底部與某一溫度下的冷卻水、油和吹風(fēng)接觸，試樣在水、油和吹風(fēng)的作用下主要沿垂直方向冷卻，安放在試樣指定位置處的熱電偶測(cè)出冷卻過程的溫度變化曲線.將不同條件下的試樣進(jìn)行打磨、拋光，并進(jìn)行觀察金相.本實(shí)驗(yàn)裝置具有加熱效率高，測(cè)溫方便，實(shí)驗(yàn)時(shí)間短、設(shè)備小巧、便于重復(fù)的特點(diǎn)，一次實(shí)驗(yàn)測(cè)溫過程只需要5分鐘就可以完成.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖

圖2 試樣尺寸及測(cè)溫位置

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

本文采用正交分析法，表1列出了各工藝參數(shù)對(duì)應(yīng)的水平，表2為正交法的試驗(yàn)分析表，為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確，每個(gè)實(shí)驗(yàn)號(hào)要重復(fù)做3次以上，其中實(shí)驗(yàn)號(hào)從1做到9為一輪實(shí)驗(yàn).將每個(gè)實(shí)驗(yàn)號(hào)的實(shí)驗(yàn)試樣進(jìn)行金相分析，分別得到平均柱狀晶形核率、等軸晶形核率及CET轉(zhuǎn)變位置.

表1 正交試驗(yàn)考察的各工藝因素及水平

表2 正交試驗(yàn)分析表

2 結(jié)果與分析

2.1 工藝參數(shù)對(duì)鑄件CET位置的影響

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)試樣的金相分析與測(cè)量得到了各個(gè)試樣的CET轉(zhuǎn)變位置，表3為不同保溫溫度、冷卻方式所對(duì)應(yīng)的柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變位置結(jié)果.

表3 各工藝參數(shù)對(duì)CET 位置的影響結(jié)果

保溫溫度對(duì)CET位置的影響如圖3所示，當(dāng)保溫溫度從750℃增大到850℃時(shí)，CET位置由28.3 mm增大到31.6 mm，變化距離為3.3 mm.冷卻方式對(duì)CET位置的影響如圖4所示，由冷卻水改為冷卻油時(shí)，CET位置由37.6 mm減小到30.3 mm，變化距離為7.3 mm;由冷卻油改為吹風(fēng)冷卻時(shí)，CET位置由30.3 mm減小到20.5 mm，變化距離為9.8 mm，冷卻方式對(duì)CET位置影響總變化距離為17.1 mm.兩種工藝參數(shù)在正交試驗(yàn)范圍內(nèi)對(duì)實(shí)驗(yàn)試樣的柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變位置的影響所占比例為:保溫溫度16%，冷卻方式84%.

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，冷卻方式對(duì)柱狀晶與等軸晶區(qū)的大小影響更為明顯.使用吹風(fēng)冷卻、降低保溫溫度(過熱度)對(duì)增大等軸晶有利，如果實(shí)際生產(chǎn)中需要獲得小的柱狀晶區(qū)與大的等軸晶區(qū)，可以通過調(diào)整保溫溫度和冷卻方式來實(shí)現(xiàn).

圖3 保溫溫度與CET位置的關(guān)系

圖4 冷卻方式與CET位置的關(guān)系

2.2 工藝參數(shù)對(duì)等軸晶形核率影響

表4示出了通過正交試驗(yàn)計(jì)算所得的保溫溫度、冷卻方式對(duì)鑄件等軸晶形核的影響.保溫溫度對(duì)等軸晶形核率的影響如圖5所示，當(dāng)保溫溫度從750℃增大到850℃時(shí)，等軸晶形核率約由788.66個(gè)/mm2減小到 351.75個(gè)/mm2，變化為436.90個(gè)/mm2.冷卻方式對(duì)等軸晶形核率的影響如圖7所示，由冷卻水改變?yōu)槔鋮s油時(shí)，等軸晶形核率由861.67個(gè)/mm2減小到557.09個(gè)/mm2，變化為304.58個(gè)/mm2;由冷卻油改為吹風(fēng)冷卻時(shí)，等軸晶形核率由557.09個(gè)/mm2減小到249.34個(gè)/mm2，變化為307.75個(gè)/mm2，總變化率為個(gè)612.33個(gè)/mm2.這兩種工藝參數(shù)在正交試驗(yàn)范圍內(nèi)對(duì)實(shí)驗(yàn)試樣的等軸晶形核影響所占比例為:保溫溫度42.1%，冷卻方式57.9%.

表4 各工藝參數(shù)對(duì)等軸晶形核率的影響結(jié)果

圖5 保溫溫度與等軸晶形核率的關(guān)系

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出兩種參數(shù)對(duì)于等軸晶形核率的影響規(guī)律根本與柱狀晶形核率一致，影響最大的工藝因素是冷卻方式，降低冷卻水溫、采用水和油冷卻都會(huì)增大鑄件等軸晶的形核率，冷卻水增大的更為明顯一些，見圖6.

圖6 冷卻方式與柱狀晶形核率的關(guān)系

3 本文實(shí)驗(yàn)條件下CET判據(jù)分析

通過測(cè)溫結(jié)果建立了溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型，分別計(jì)算了9組實(shí)驗(yàn)工藝條件下的轉(zhuǎn)變位置處的溫度梯度和凝固前沿生長(zhǎng)速率等參數(shù)并進(jìn)行了擬合，固相率取值依次為 0、0.1、0.3、0.5、0.67(研究鋼凝固的一般取值)、0.7、0.9和1時(shí)的G與V的擬合曲線及擬合公式，可以近似認(rèn)為溫度梯度與生長(zhǎng)速率滿足乘冪的關(guān)系.不同的固相率下溫度梯度與凝固前沿生長(zhǎng)速率的擬合情況是不同的，其中只有固相率為0.67時(shí)計(jì)算值都有較好的線性分布，如圖8所示，固相率為0.67時(shí)，計(jì)算值有最好的線性分布狀態(tài)，可以用式(1)來表示，其它固相率情況下的擬合線性分布不是很好，如圖7所示，為固相率為0.1時(shí)的線性分布，因此在本文實(shí)驗(yàn)條件下鑄件凝固過程中某一位置處固相率為0.67的溫度梯度與凝固前沿生長(zhǎng)速率之間滿足判據(jù)(1)時(shí)，就可能發(fā)生CET轉(zhuǎn)變.

圖7 溫度梯度與凝固前沿生長(zhǎng)速率的擬合情況(固相率為0.1)

圖8 溫度梯度與凝固前沿生長(zhǎng)速率的擬合情況(固相率為0.67)

4 結(jié)論

1)降低保溫溫度水溫，會(huì)增大等軸晶區(qū)的面積，并且會(huì)增大柱狀晶和等軸晶的形核率;

2)水冷和油冷比吹風(fēng)冷卻增大鑄件柱狀晶和等軸晶的形核率，但是會(huì)減少等軸晶區(qū)的面積，其中水冷更為明顯一些;

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