鋁合金凝固組織的細化方法和機理概述

目前，鋁型制品在工業(yè)中需求量逐漸增加，是因為鑄造鋁合金的密度比鑄鐵和鑄鋼小，而比強度則較高，熔點低，液態(tài)流動性能良好。因此在要求承受相同載荷條件下，采用鑄造鋁合金可以減輕設備的重量，所以在現(xiàn)代航天航空工業(yè)及動力設備和交通運輸設備制造中，鑄造鋁合金得到了廣泛的應用。

人們在常年的研究當中認識到，細化晶粒是改善金屬材料性能的最有效、最直接的方法。孕育是鑄造金屬晶粒細化的重要手段。傳統(tǒng)的孕育處理方法是在液態(tài)金屬中加入孕育劑或變質劑，通過試劑與金屬液發(fā)生反應有的生成了異質形核的核心，這種反應增加了金屬的形核率，同時部分試劑則分布于晶界處，使晶核難以繼續(xù)長大，以實現(xiàn)細化晶粒的目的。但這種傳統(tǒng)的處理方法有著一定的缺陷：存在污染并且孕育處理時效產(chǎn)生。

我們?yōu)榱说玫叫阅軆?yōu)良的鋁材，細化晶粒是改善鋁合金質量的一種重要方法，為了獲得鑄造金屬最佳的性能，我們需要把晶?？刂茷榧毿【鶆虻牡容S晶。為了獲得這一最佳特征，可以采用多種方法進行晶粒細化，包括以下三個方面：1、機械物理細化晶粒法；2、物理場細化晶粒法；3、化學細化晶粒法。

1  機械物理細化晶粒法

實驗證明，金屬的晶粒尺寸與晶粒的成核速率和晶粒長大速率密切相關。為了獲得細晶粒尺寸的金屬，我們需要控制成核率大于晶粒尺寸，相反，我們將獲得粗晶粒金屬。相關實驗還表明，過冷度影響晶粒的成核速率和晶核的生長速率，成核速率和生長速率隨過冷度的增加而增加。如果過冷度持續(xù)增大到一定程度時，晶核的長大速度將小于晶粒的形核率，此時，就會出現(xiàn)明顯的細化晶粒作用。

在鑄造鋁合金的制備的澆注和結晶過程中，采用機械物理（如機械振動，機械攪拌）是一種細化晶粒的方法。機械物理（振動和攪拌）為液態(tài)鋁合金提供了充足的能量，以增加成核能力和增加晶粒的成核速率。同時，結晶晶體也受到機械物理（振動和攪拌）產(chǎn)生的對流沖擊的影響。在這種作用下，晶體被破壞，破碎的晶體形成新的晶核。因此，晶粒細化是由于成核速率的增加而產(chǎn)生的。機械震動和機械攪拌是較為傳統(tǒng)的兩種方法，在工業(yè)生產(chǎn)中應用較廣。但是，由于其操作控制具有一定難度，人為的影響因素比較大，因此在鑄造鋁合金中，尤其是在制備高品質的鋁材工業(yè)生產(chǎn)中具有很大的缺陷。

2  物理場細化晶粒法

對金屬凝固組織施加物理場的科學研究在20世紀30年代首先被提及出來，但當時科學技術的水平，無法支持物理場對晶粒細化作用的科學研究。直到20世紀末，世界的科學技術水平得到了飛速的發(fā)展，使得人們可以有效地制備出了超聲波、電磁場和大功率電流等物理場，就目前來看，物理場可以有效地控制晶粒的尺寸，達到細化晶粒的作用，使金屬產(chǎn)品的質量得到明細的改善?，F(xiàn)階段最主要的三種物理場細化晶粒的方法為：電流方向；磁場方向；超聲波方向。

2.1  電流方向

60年代初期，W.GPFANN等,首先，研究了電場作用下的傳輸行為。1987年，MelTon.C.Fleming研究發(fā)現(xiàn)，采用高壓電場對液態(tài)金屬進行大電流放電處理，實驗結果發(fā)現(xiàn)金屬的組織得到明顯的細化，得到具有光滑表面的準球狀或球狀的晶粒形貌。顧根達在實驗中也發(fā)現(xiàn)在電流小于750安培，電壓小于10千伏的作用下，鑄態(tài)金屬的組織也得到細化。1996年，Li Hui等人研究了Al-Si亞共晶合金的組織結構。實驗結果表明，亞共晶鋁合金的伸長率和拉伸強度在電流處理后明顯改善。初級a-Al逐漸從粗樹狀枝上細化，最終形成粒狀形態(tài)。

目前，在電場對鋁及合金晶粒細化的影響領域，其細化機理有如下兩種看法：（1）在鋁熔體中存在著原子集團，對鋁熔體施加電場后，遷移作用會產(chǎn)生，促使原子集團發(fā)生移動，在移動過程中原子集團勢必會發(fā)生摩擦。此外，電場還削弱了原子團的電子云，從而有效地降低了電子云的屏蔽效應。因此在這種電場力和摩擦力的交互影響下，原子集團破碎成一個個更為小的原子集團，這些小原子集團將會成為潛在的固態(tài)晶核。從而我們所得到的晶胚尺寸就會較小，初生的晶核尺寸更小，形貌更細。（2）在對液態(tài)組織施加脈沖電流或交變電場的作用下，在金屬溶體會產(chǎn)生脈沖磁場或交變磁場，熔體在磁場與電場的交互作用下出現(xiàn)了收縮作用，使得金屬溶體被壓縮，隨之出現(xiàn)了沖擊波，于是在收縮力與沖擊波的作用下，樹枝晶被反復的壓縮和波動，促使其發(fā)生了碎斷，從而小塊晶粒得以形成，形核率得到顯著的提高，從而晶粒細化的目的得以實現(xiàn)。

2.2  磁場方向

電磁處理技術作為一種操作方式簡易且沒有污染的工藝方式，在當今社會得到廣泛的關注。從1974年，我國就開始了工業(yè)裝置領域中的電磁鑄造技術研究，經(jīng)過常年的工業(yè)實踐表明，金屬的鑄造胚胎在采用電磁鑄造技術之后，其表面質量得以有效的改善，該技術有效的細化了晶粒和枝晶的間距，大大提高了我國機械的性能，在特需產(chǎn)品的生產(chǎn)領域得到廣泛的應用，在我國鋁及合金制品的生產(chǎn)和研究領域，涌現(xiàn)出一大批優(yōu)秀的科研工作者。例如，1980年，在中國東北輕合金加工廠首次制備了鋁合金錠電磁處理技術。訾冰濤的研究發(fā)現(xiàn)，強脈沖磁場可以顯著改善LY12鋁合金的晶粒尺寸。

2.2.1  超聲波方向

超聲處理對金屬晶粒尺寸和形貌的影響受到人們的關注。在制備碳素鋼的過程中，采用超聲波處理，發(fā)現(xiàn)超聲波處理能有效細化碳鋼晶粒。而在連續(xù)鑄造領域，Irsid在鑄造過程中對液態(tài)組織采用超聲波震動處理，處理結果表明，超聲波震動明顯的細化了碳鋼的晶粒，而且超聲波有效地控制了Al-Cu合金在連續(xù)鑄造過程容易產(chǎn)生的表現(xiàn)偏析現(xiàn)象。李英龍等對Al-Si合金施加了最大功率為500W（可調(diào)），頻率為20kHz的超聲波，實驗結果表明，當超聲波處理在一定參數(shù)條件下（聲強I=3.5W/m2)初生Si和共晶Si的顯微組織是雙重細化的。在超聲波作用下，Si具有破碎的粒子狀態(tài)。這種細晶強化有效地提高了合金的強度和塑性。因此，從各種實驗結果來看，超聲波處理是一種有效的細化鋁及鋁合金晶粒的方法。

總之，電流、磁場和超聲波在鋁合金凝固組織中的應用將使其晶粒細化。與傳統(tǒng)的晶粒細化技術相比，利用這些物理方法有效地控制和細化鋁合金的鑄造結構，可以大大避免環(huán)境和鋁合金本身污染，隨著對環(huán)境保護和金屬材料質量的要求越來越高，物理場細化技術將受到越來越多的關注，并將以更快的速度應用于機械加工領域。

3  化學細化晶粒法

在鋁及其合金的液態(tài)結構中加入特定的細化劑來細化晶粒的方法稱為化學細化晶粒法。選擇合適的晶粒細化劑是化學晶粒細化法的核心，比如在鋁合金中，最為困難的是選擇合適Al-Ti-B 晶粒細化劑的Ti/B 比例。在熔煉過程中選取合適的細化劑，通過細化劑的作用會使金屬的液態(tài)組織中產(chǎn)生出數(shù)量很多的有效形核核心，晶核數(shù)量的增多從而導致了晶粒的細化。

自80年代以來，鋁合金晶粒細化劑在中國鋁加工企業(yè)得到了廣泛應用。在國家的大力支持下，我國生產(chǎn)的鋁合金細化劑在國際上也占有一定的市場。在全球市場中，主要的鋁合金細化劑產(chǎn)品有A1-Ti、A1-Ti-B,Al-Ti-B-RE,Al-Ti-C等系列，產(chǎn)品的形式主要為合金錠和線材。

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