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摘要:文章就快速凝固技术以及快速凝固技术对铸件微观组织的影响机理进行了探讨。
关键词:快速凝固 铸件 组织
快速凝固技术的概念起源于P.杜威兹。追溯快速凝固发展的动力,主要来自普通铸锭或铸件的偏析。偏析可以分为两类:小范围内的偏析(微观偏析)和大范围内的偏析(宏观偏析)。前者发生在枝晶范围内,约1/10～1/10000μm数量级。后者发生在整个铸锭或铸件尺寸范围内,达厘米甚至米数量级。
微观偏析只有在铸造组织受化学试剂腐蚀后才露出来。组织受腐蚀程度的不同,即说明存在着合金元素的浓度梯度。一般枝晶臂间距与凝固冷却速率密切相关。对于已研究的各种工程合金材料,枝晶臂间距与冷却速率成反比关系。一般可以通过工业高温热处理使偏析溶质充分均匀化。对于普通铸品,因为凝固缓慢,有充分时间和空间进行扩散,而产生宏观偏析。即使长时间高温均匀化热处理,组分的浓度梯度仍然存在,因此宏观偏析成为工业生产中的一大难题。
1快速凝固技术
通常用由液态到固态的某一确定冷却速率值(如大于105℃/S)来定义快速凝固。快速凝固即指增加凝固时的冷却速率,能缩短其枝晶臂间距。枝晶臂间距越小,第二相(夹杂和显微孔洞)也越细小,分布也越均匀,从而可获得显微结构均匀的合金。
通过缩短凝固时间,使凝固过程中金属内部为生成粗晶组织或偏析组织的时间和空间条件均不具备,从而得到均匀的金相组织。
1.1 急冷凝固技术 急冷凝固技术的核心是要提高凝固过程中熔体的冷速,从热传输的基本原理可以知道,一个相对于环境放热的系统的冷速取决于该系统在单位时间内产生的热量和传出系统的热量,因此对金属凝固而言,提高系统的冷速必须要求:第一,减少单位时间内金属凝固时产生的熔化潜热;第二,提高凝固过程中的传热速度。根据这两个基本要求,并针对常规铸造凝固时熔体在体积很大的铸模中同时凝固、热量不易迅速传出和固态淬火时主要通过对流传热因而冷速不高等问题,急冷凝固技术的基本原理是设法减小同一时刻凝固的熔体体积并减小熔体体积与其散热表面积之比,并设法减小熔体与热传导性能很好的冷却介质的界面热阻以及主要通过传导的方式散热。
1.2 大过冷凝固技术 与急冷凝固技术相比,大过冷凝固技术的原理比较简单,就是要在熔体中形成尽可能接近均匀形核的凝固条件,从而获得大的凝固过冷度。通常在熔体凝固过程中促进非均匀形核的形核媒质主要来自熔体内部和容器壁,因此大过冷技术就是主要从这两个方面设法消除形核媒质。减少或消除熔体内部的形核媒质主要是通过把熔体弥散成熔滴的途径,从而产生接近均匀形核的条件。另一方面,减少或消除由容器壁引入的形核媒质主要是设法把熔体与容器壁隔开甚至在熔化与凝固过程中不用容器。
2 快速凝固对铸件显微组织的影响
快速凝固的显微组织虽已细化,但仍具有通常凝固产物的晶粒,枝状晶和共晶组织等的基本性质,不过在组成上已有变化。由于这些相具有亚稳性,它们在凝固后的冷却过程中,甚至在储存期间可能发生分解。这样的现象在单辊喷带、液态拉拔和双辊等方法中可能出现,其原因是凝固金属离开冷却面后仍有较高的温度,而且冷却速度也不够快。在一层叠一层的沉积凝固物中,由于先前的沉积层受后来沉积的热处理作用么会有这种情况出现,因此在作机理研究时,要特别当心区别凝固作用和固态的变化。
2.1 晶粒组织 快速凝固合金的晶粒大小主要与凝固冷速有关,晶粒尺寸一般随冷速增加而减小。它们之间有下列具体关系:
式中d是晶粒平均直径,单位μm,B,m是与合金成分有关的常数。电子能透过的冷淬枪制备的薄片边缘具有伸长或等轴晶粒,粒度可小至0.01μm,而更多的是0.1μm,占有整个薄片厚度。显然,这样的粒度是通常的凝固速度所达不到的,固态下的再结晶也只能勉强达到。冷淬枪样品中心的多层部分是柱状晶,每层互相错入,形成很好的接触。活塞法制备的单层等厚薄片中的组织是柱状晶过渡到等轴晶,这和铸锭中常见的柱状晶与近冷却面的等轴部分为邻相似。急冷薄带的结晶状态基本上是柱状晶,它和上表面之间或有或无等轴晶带。表面熔化和快速凝固处理所形成的结晶特征是平行于上表面并沿处理点移动方向柱状晶得到发展。雾化凝固颗粒中有多种结晶状态,从少量等轴晶或柱状晶(粒度约等于颗粒直径)到大量的细化等轴晶。
2.2 成分 在快速凝固合金中成分均匀化或偏析减小表现在两个方面,一方面是溶质元素不均匀分布或偏析的范围明显减小。通常采用产生树枝晶偏析的二次枝晶臂间距作为成分偏析范围或偏析距离的的标志,而快速凝固合金由于晶粒明显细化,所以偏析范围从一般铸态合金的几毫米到几十微米减小到0.1~0.25μm。枝状晶间距d和冷却速度的关系为: d=a
式中d为枝状晶间距。b≈,a≈50μm(K/s)b。可以看出,枝状晶间距d随着冷速增加明显减小。另一方面,由于快速凝固后固液界面前出现非平衡溶质分配或溶质捕获现象,使合金的成分不均匀程度或偏析程度大大减小。
2.3 缺陷密度 与铸态合金相比,快速凝固合金中的空位、位错等缺陷密度有较大增加。由于液态合金中空位形成能比固态合金的空位形成能小得多,所以液态合金中的空位浓度比固态合金高得多,快速凝固时大部分空位来不及析出而留在固态合金中;另一方面,由于凝固速度很高,晶体长大过程中也容易形成空位,因而使快速凝固合金一般有很高的空位浓度。例如快速凝固Pb的空位浓度比固态淬火时的空位浓度高5倍。同时,由于合金在快速凝固过程中受到较大的热应力,空位聚集崩塌后会形成位错环,这些因素都使快速凝固合金中的位错密度特别是位错环密度比一般铸态合金增加很多。此外,快速凝固合金的层错密度也很高。尤其在Cu、Ni、Ag、Au与Al、Zn、Cd、Sn组成的二元合金中层错密度更高一些。快速凝固合金中空位浓度和位错、层错密度的这些特点对合金的溶质扩散,相变以及性能都会产生重要影响。
2.4 亚稳相 合金在快速凝固后形成许多新的亚稳相是其微观组织的结构的一个主要特点。亚稳相是指在相空间中于一定的温度、压力、成分等状态条件下吉布斯自由能G比稳定相或平衡相高的相,但是亚稳相不像不稳相那样会在任意小的能量起伏作用下自发的转变成稳定相或其他亚稳相,而是必须在外界环境作用下经过热激活越过势垒才能转变成稳定相或其他亚稳相。
2.5 在固态冷却过程中微观组织结构的变化 合金在快速凝固后固态冷却时的冷速比凝固过程中的冷速要小,但是与一般固态淬火的冷速比较还是要大的多。所以快速凝固合金凝固后冷却的过程实际上相当于进行了冷速很高的固态淬火处理,因而有可能产生于通常固态淬火类似、但又有所不同的固态相变。
3 结论
快速凝固合金由于微观组织结构的尺寸与铸态合金相比明显细化合均匀化,所以具有很好的晶界强化与韧化作用,避免了一些有害相的产生,消除了微裂纹萌生的隐患,改善了合金的力学性能和物理性能。另外,快速凝固合金的微观组织结构特点还使它们具有一些常规铸态合金所没有的独特物理性能。但是当前快速凝固技术还存在一些问题,例如工艺还不完善,对亚稳相的认识不全面等,这些均有待于解决。
参考文献:
[1]程天一,章守华.快速凝固技术与新型合金[M].宇航出版社.1990.11.
[2]张荣生.快速凝固技术[M].冶金工业出版社.1994.6.
[3]李月珠.快速凝固技术和材料[M].国防工业出版社.1993.11.
关键词:快速凝固 铸件 组织
快速凝固技术的概念起源于P.杜威兹。追溯快速凝固发展的动力,主要来自普通铸锭或铸件的偏析。偏析可以分为两类:小范围内的偏析(微观偏析)和大范围内的偏析(宏观偏析)。前者发生在枝晶范围内,约1/10～1/10000μm数量级。后者发生在整个铸锭或铸件尺寸范围内,达厘米甚至米数量级。
微观偏析只有在铸造组织受化学试剂腐蚀后才露出来。组织受腐蚀程度的不同,即说明存在着合金元素的浓度梯度。一般枝晶臂间距与凝固冷却速率密切相关。对于已研究的各种工程合金材料,枝晶臂间距与冷却速率成反比关系。一般可以通过工业高温热处理使偏析溶质充分均匀化。对于普通铸品,因为凝固缓慢,有充分时间和空间进行扩散,而产生宏观偏析。即使长时间高温均匀化热处理,组分的浓度梯度仍然存在,因此宏观偏析成为工业生产中的一大难题。
1快速凝固技术
通常用由液态到固态的某一确定冷却速率值(如大于105℃/S)来定义快速凝固。快速凝固即指增加凝固时的冷却速率,能缩短其枝晶臂间距。枝晶臂间距越小,第二相(夹杂和显微孔洞)也越细小,分布也越均匀,从而可获得显微结构均匀的合金。
通过缩短凝固时间,使凝固过程中金属内部为生成粗晶组织或偏析组织的时间和空间条件均不具备,从而得到均匀的金相组织。
1.1 急冷凝固技术 急冷凝固技术的核心是要提高凝固过程中熔体的冷速,从热传输的基本原理可以知道,一个相对于环境放热的系统的冷速取决于该系统在单位时间内产生的热量和传出系统的热量,因此对金属凝固而言,提高系统的冷速必须要求:第一,减少单位时间内金属凝固时产生的熔化潜热;第二,提高凝固过程中的传热速度。根据这两个基本要求,并针对常规铸造凝固时熔体在体积很大的铸模中同时凝固、热量不易迅速传出和固态淬火时主要通过对流传热因而冷速不高等问题,急冷凝固技术的基本原理是设法减小同一时刻凝固的熔体体积并减小熔体体积与其散热表面积之比,并设法减小熔体与热传导性能很好的冷却介质的界面热阻以及主要通过传导的方式散热。
1.2 大过冷凝固技术 与急冷凝固技术相比,大过冷凝固技术的原理比较简单,就是要在熔体中形成尽可能接近均匀形核的凝固条件,从而获得大的凝固过冷度。通常在熔体凝固过程中促进非均匀形核的形核媒质主要来自熔体内部和容器壁,因此大过冷技术就是主要从这两个方面设法消除形核媒质。减少或消除熔体内部的形核媒质主要是通过把熔体弥散成熔滴的途径,从而产生接近均匀形核的条件。另一方面,减少或消除由容器壁引入的形核媒质主要是设法把熔体与容器壁隔开甚至在熔化与凝固过程中不用容器。
2 快速凝固对铸件显微组织的影响
快速凝固的显微组织虽已细化,但仍具有通常凝固产物的晶粒,枝状晶和共晶组织等的基本性质,不过在组成上已有变化。由于这些相具有亚稳性,它们在凝固后的冷却过程中,甚至在储存期间可能发生分解。这样的现象在单辊喷带、液态拉拔和双辊等方法中可能出现,其原因是凝固金属离开冷却面后仍有较高的温度,而且冷却速度也不够快。在一层叠一层的沉积凝固物中,由于先前的沉积层受后来沉积的热处理作用么会有这种情况出现,因此在作机理研究时,要特别当心区别凝固作用和固态的变化。
2.1 晶粒组织 快速凝固合金的晶粒大小主要与凝固冷速有关,晶粒尺寸一般随冷速增加而减小。它们之间有下列具体关系:
式中d是晶粒平均直径,单位μm,B,m是与合金成分有关的常数。电子能透过的冷淬枪制备的薄片边缘具有伸长或等轴晶粒,粒度可小至0.01μm,而更多的是0.1μm,占有整个薄片厚度。显然,这样的粒度是通常的凝固速度所达不到的,固态下的再结晶也只能勉强达到。冷淬枪样品中心的多层部分是柱状晶,每层互相错入,形成很好的接触。活塞法制备的单层等厚薄片中的组织是柱状晶过渡到等轴晶,这和铸锭中常见的柱状晶与近冷却面的等轴部分为邻相似。急冷薄带的结晶状态基本上是柱状晶,它和上表面之间或有或无等轴晶带。表面熔化和快速凝固处理所形成的结晶特征是平行于上表面并沿处理点移动方向柱状晶得到发展。雾化凝固颗粒中有多种结晶状态,从少量等轴晶或柱状晶(粒度约等于颗粒直径)到大量的细化等轴晶。
2.2 成分 在快速凝固合金中成分均匀化或偏析减小表现在两个方面,一方面是溶质元素不均匀分布或偏析的范围明显减小。通常采用产生树枝晶偏析的二次枝晶臂间距作为成分偏析范围或偏析距离的的标志,而快速凝固合金由于晶粒明显细化,所以偏析范围从一般铸态合金的几毫米到几十微米减小到0.1~0.25μm。枝状晶间距d和冷却速度的关系为: d=a
式中d为枝状晶间距。b≈,a≈50μm(K/s)b。可以看出,枝状晶间距d随着冷速增加明显减小。另一方面,由于快速凝固后固液界面前出现非平衡溶质分配或溶质捕获现象,使合金的成分不均匀程度或偏析程度大大减小。
2.3 缺陷密度 与铸态合金相比,快速凝固合金中的空位、位错等缺陷密度有较大增加。由于液态合金中空位形成能比固态合金的空位形成能小得多,所以液态合金中的空位浓度比固态合金高得多,快速凝固时大部分空位来不及析出而留在固态合金中;另一方面,由于凝固速度很高,晶体长大过程中也容易形成空位,因而使快速凝固合金一般有很高的空位浓度。例如快速凝固Pb的空位浓度比固态淬火时的空位浓度高5倍。同时,由于合金在快速凝固过程中受到较大的热应力,空位聚集崩塌后会形成位错环,这些因素都使快速凝固合金中的位错密度特别是位错环密度比一般铸态合金增加很多。此外,快速凝固合金的层错密度也很高。尤其在Cu、Ni、Ag、Au与Al、Zn、Cd、Sn组成的二元合金中层错密度更高一些。快速凝固合金中空位浓度和位错、层错密度的这些特点对合金的溶质扩散,相变以及性能都会产生重要影响。
2.4 亚稳相 合金在快速凝固后形成许多新的亚稳相是其微观组织的结构的一个主要特点。亚稳相是指在相空间中于一定的温度、压力、成分等状态条件下吉布斯自由能G比稳定相或平衡相高的相,但是亚稳相不像不稳相那样会在任意小的能量起伏作用下自发的转变成稳定相或其他亚稳相,而是必须在外界环境作用下经过热激活越过势垒才能转变成稳定相或其他亚稳相。
2.5 在固态冷却过程中微观组织结构的变化 合金在快速凝固后固态冷却时的冷速比凝固过程中的冷速要小,但是与一般固态淬火的冷速比较还是要大的多。所以快速凝固合金凝固后冷却的过程实际上相当于进行了冷速很高的固态淬火处理,因而有可能产生于通常固态淬火类似、但又有所不同的固态相变。
3 结论
快速凝固合金由于微观组织结构的尺寸与铸态合金相比明显细化合均匀化,所以具有很好的晶界强化与韧化作用,避免了一些有害相的产生,消除了微裂纹萌生的隐患,改善了合金的力学性能和物理性能。另外,快速凝固合金的微观组织结构特点还使它们具有一些常规铸态合金所没有的独特物理性能。但是当前快速凝固技术还存在一些问题,例如工艺还不完善,对亚稳相的认识不全面等,这些均有待于解决。
参考文献:
[1]程天一,章守华.快速凝固技术与新型合金[M].宇航出版社.1990.11.
[2]张荣生.快速凝固技术[M].冶金工业出版社.1994.6.
[3]李月珠.快速凝固技术和材料[M].国防工业出版社.1993.11.