简介概要

斜坡预结晶法制备非枝晶半固态组织形成机制探讨

来源期刊：稀有金属2009年第4期

论文作者：付垚和优锋程磊谢水生黄国杰邢书明

关键词：斜坡预结晶; 非枝晶; 半固态; 形成机制;

摘要：采用斜坡预结晶法制备了M2高速钢半固态坯料,研究了斜坡长度对坯料显微组织的影响,采用Image Tool软件进行定量分析,探讨了其非枝晶半固态组织的成形机制.结果表明:在浇注温度和斜坡角度一定时,斜坡长度对坯料显微组织有显著的影响.合金液在斜坡表面上流动将经过三个阶段:降温阶段、大量形核和球化阶段、形成凝固壳阶段.

稀有金属 2009,33(04),538-542

斜坡预结晶法制备非枝晶半固态组织形成机制探讨

和优锋谢水生邢书明黄国杰程磊付垚

北京有色金属研究总院有色金属材料制备加工国家重点实验室

北京交通大学机械与电子控制工程学院

摘要：

采用斜坡预结晶法制备了M2高速钢半固态坯料,研究了斜坡长度对坯料显微组织的影响,采用Image Tool软件进行定量分析,探讨了其非枝晶半固态组织的成形机制。结果表明:在浇注温度和斜坡角度一定时,斜坡长度对坯料显微组织有显著的影响。合金液在斜坡表面上流动将经过三个阶段:降温阶段、大量形核和球化阶段、形成凝固壳阶段。

关键词：

斜坡预结晶;非枝晶;半固态;形成机制;

中图分类号： TG142.11

作者简介：和优锋(1981-),男,陕西渭南人,博士;研究方向:难变形钢铁材料半固态铸造研究(E-mail:04121254@bjtu.edu.cn);

收稿日期：2008-08-15

基金：北京交通大学“十五”重大科研基金资助项目(230-12);

Formation Mechanism of Non-Dendritic Semi-Solid Microstructure by Inclined Slope Pre-Crystallization Method

Abstract：

M2 high speed steel ingots were prepared by inclined slope pre-crystallization method.Effect of inclined slope length on the microstructure of M2 HSS ingots was investigated,and the microstructure was quantitatively assessed by image tool software.The formation mechanism of non-dendritic semi-solid structure was discussed.It was found that the slope length had great influence on microstructure of the ingots at a certain casting temperature and slope angle.The molten alloy flowed through three stages along the plate surface: cooling,nucleating and globurizing,and forming solidified shell.

Keyword：

inclined slope pre-crystallization; non-dendritic crystal; semi-solid; forming mechanism;

Received： 2008-08-15

斜坡预结晶法 ^[1] 最早是在20世纪70年代由日本的大野笃美提出, 该方法是建立在“结晶游离论”的基础上。其原理如下: 将熔融金属倒在冷却斜坡上, 由于斜坡的冷却作用, 在斜坡壁上有细小的晶粒形核长大, 金属流体的冲击和材料的自重作用使晶粒从斜坡壁上脱落并翻转, 以达到搅拌效果。金属进入容器后, 将其温度控制在半固态温度, 随后可进行流变铸造和触变成形。冷却斜坡一般是由合金钢制成, 斜坡内部采用水冷却, 斜坡的表面涂镀一层氮化硼(BN)以防止半固态金属粘附在冷却斜坡表面上, 如图1所示。

采用斜坡预结晶法制备半固态材料的新思路一直都受到国内外很多学者的重视。大阪工业大学的Toshio Haga ^[2] 、设菲尔德大学的Plato Kapranos ^[3] 、亚琛工业大学的Grimmig ^[4] 、千叶工业大学的Motegi ^[5] 和伊朗德黑兰大学的Salarfar, Akhlagh ^[6] 等对斜坡预结晶法作了较系统地研究, Motegi和Tanabe己成功制备出含有大量共晶组织的Al-Si-Mg合金坯料, 坯料尺寸为直径50 mm、长度1000 mm, 同时该方法在欧洲和美国正在进行商业化运作。大阪工业大学Toshio Haga和设菲尔德大学P.Kapranos用斜坡预结晶法制备了A356铝合金半固态坯料并进行了触变成形。国内东北大学的管仁国 ^[7,8] 以及南昌大学的蔡卫华 ^[9] 等对斜坡预结晶法也做了比较深入的研究。然而, 关于斜坡预结晶法制备非枝晶半固态组织形成机制尚没有统一的说法。本文将通过对斜坡预结晶法制备M2高速钢半固态坯料的研究, 得到斜坡长度对组织的影响规律, 探讨其非枝晶形成机制。

1 实验

以M2(W6M5Cr4V2)高速钢废料为原料, 然后加入钨铁、钼铁、铬铁和钒铁等配料, 在25 kg的中频冶炼炉熔炼而成, 其化学成分(质量分数, %)为: C 0.87, Cr 3.98, Mo 4.60, W 6.20, V 1.72, Si 0.36, Mn 0.38, P 0.015, S 0.020, 其余为Fe。该材料的液相线温度为1433 ℃, 固相线温度1229 ℃, 由此确定浇注温度为1480 ℃。试验过程中斜坡用中碳钢制成, 为了防止斜坡表面凝固壳的形成, 在斜坡表面有保温材料, 斜坡预热温度为200～300 ℃, 斜坡角度固定为60°, 在不同长度200, 500和600 mm下浇注得到半固态坯料。然后在距离坯料中心1/2处取样, 制得金相试样后采用4%的硝酸酒精溶液腐蚀, 在光学显微镜上观察各试样的显微组织。最后使用ImageTool 图像分析软件进行定量分析。对于高速钢非枝晶初生奥氏体组织, 分别采用平均形状系数和平均等效直径来表征初生奥氏体的粒化程度、尺寸和形貌。对于碳化物网的厚度, 用平均厚度来表征。形状系数计算公式为:

图1 斜坡预结晶法示意图

Fig.1 Schematic diagram of inclined slope pre-crystallization method

F=4πA₀/L² (1)

式中, F为晶粒的形状系数; A₀为被测晶粒的面积; L为被测晶粒的周长。等效直径的计算公式为:

D=2A/π????√???(2)

式中, D为晶粒的等效直径, A为被测晶粒的面积。其中, F值介于0～1之间, 当F=1时, 晶粒成球形, F值偏离1越远, 说明其树枝晶特征越明显。 D值越小, 晶粒越细化, 反之粗大。

2 结果与讨论

图2为常规铸造下获得的M2高速钢坯料及显微组织, 常规铸造下坯料的显微组织主要由孤立的不连续的初生奥氏体枝粒和粗大的共晶莱氏体网以及先共晶的碳化物组成。其中白色的组织是共晶莱氏体网, 网状粗大不均且为连续状, 甚至有大块状的碳化物。黑色是初生奥氏体, 为典型的树枝晶组织, 一次枝晶及二次枝晶都很发达。奥氏体枝晶的平均等效直径达到79.26 μm, 形状系数是0.42, 碳化物的平均尺寸为18.41 μm左右。

当斜坡角度为60°, 斜坡长度分别为200, 500, 600 mm时获得的坯料显微组织如图3所示。斜坡预结晶法制备的高速钢坯料的显微组织较常规铸造成型组织明显细化, 且几乎没有看到粗大的树枝晶组织, 一次枝晶臂较短, 二次枝晶臂较粗, 各方向尺寸接近, 均匀分布。原来粗大的奥氏体枝晶变为粒状和短枝晶状, 且网状碳化物明显变薄。这是由于当熔融的金属液流经斜坡时, 由于斜坡的激冷作用产生大量的游离籽晶, 然后被流动的金属液带到铸型中, 从而为获得均匀细小的等轴初生奥氏体提供了条件。此外, 金属液在斜坡上的流动、搅拌作用有利于枝晶的破碎和球化, 也有利于获得均匀的温度场和浓度场, 抑制枝晶的择优生长, 为等轴晶的形成奠定基础。由图3和表1也可以看出, 随着斜坡长度的增加, 粗大的初生奥氏体树枝晶不断地向球形和近球形转变, 且网状碳化物均匀、细小。当斜坡长度大于一定值后, 坯料的显微组织恶化, 出现少量树枝晶组织。当斜坡长度为500 mm时, 坯料的显微组织较好, 初生奥氏体的平均等效直径为50.8 μm, 形状因子为0.83, 碳化物的平均厚度为5.21 μm, 较常规铸造组织有明显的改善。

表1不同斜坡长度下初生奥氏体的平均等效直径、形状因子及网状碳化物的平均厚度

Table 1Mean equivalent diameter and shape factor of primary austenite and mean thickness of network carbide at different slope length

Slope length/ mm	Mean equivalent diameter of primary austenite/μm	Shape factor	Mean thickness of network carbide/μm
200	72.35	0.56	9.25
500	50.80	0.84	5.21
600	53.21	0.77	5.92
Conventional casting	79.26	0.42	18.41

3 半固态组织形成机制及影响因素

高温合金熔体流经斜坡表面时, 将经过3个阶段(图4): 一是降温过程; 二是大量形核及球化过程; 三是形成凝固壳过程。当合金熔体一开始接触斜坡时, 尽管由于斜坡的激冷作用会在斜坡表面迅速形核, 但这时合金熔体的温度比较高, 即使有晶胚从斜坡表面剥落也会被立刻融化; 合金熔体沿斜坡表面继续流动, 熔体的温度将不断地降低, 进入半固态温度区间, 这时将进入大量形核阶段, 晶胚不断地在斜坡表面形成, 然后被流动的合金液剥落, 剥落下来的晶胚在流动的合金液中继续长大, 但由于合金液的流动剪切作用, 使得晶粒在长大的过程中不断地破碎和球化; 随着金属液在斜坡上继续流动, 其温度在不断地降低, 这时候很容易在斜坡表面上形成凝固壳, 大大减少了形核的数量, 且金属液的粘度增大, 流动搅拌作用减弱, 晶胚不容易从斜坡表面剥落, 导致了组织中出现了少量的树枝晶。另外, 合金液在斜坡表面上的流动和搅拌作用, 使得合金熔体在进入铸型后可以得到比较均匀的温度场和浓度场, 这也为均匀凝固提供了条件。从图2也可以看到, 斜坡长度为200和600 mm时的组织中都有少量的树枝晶组织, 且200 mm时初生奥氏体平均等效直径较大。这主要是因为斜坡过短时, 没有足够的长度去降温和形核。过长时降温过多, 容易形成凝固壳, 同样降低了形核率, 而且过长导致熔体的流动粘度降低, 这样也会降低搅拌和球化作用。当斜坡长度为500 mm时, 斜坡的冷却作用合适, 形核和搅拌作用都比较充分, 得到的组织最好。

因此, 浇注温度的高低, 直接影响到第一阶段的斜坡长度。当浇注温度过高时, 熔体在降温过程就应该增长, 使合金熔体以比较低的温度进入第二个阶段, 有利于第二个阶段的大量形核。斜坡的角度主要是影响合金熔体的流速及熔体与斜坡表面的接触时间, 也会影响熔体对晶粒的剪切搅拌作用。由图5可以看出, 当斜坡的角度比较大时, 合金熔体的流速快, 与斜坡表面的接触时间也就越短, 这样就不容易在斜坡表面形成凝固壳, 增加了形核的数量, 提高了流动搅拌的效果。然而当斜坡角度较小时, 合金熔体的流动速度减慢, 与斜坡表面的接触时间增长, 使得熔体容易在斜坡表面凝固, 最终导致充型困难, 且显微组织较差。斜坡的表面状态将会影响熔体与斜坡的润湿角, 降低形核功, 提高非均匀形核率。因此在整个过程中, 要防止斜坡表面形成凝固壳, 否则会大大降低形核的效率。如果形成凝固壳, 合金熔体将在凝固壳的表面流过, 很难将晶胚从斜坡上剥落, 而且降低斜坡的冷却作用。