简介概要

7A60超高强铝合金的低频电磁铸造（Ⅱ）——直径0.2m锭坯合金元素晶内固溶度及其力学性能

来源期刊：中国有色金属学报2004年第1期

论文作者：董杰刘晓涛赵志浩包卫平崔建忠

文章页码：117 - 117

关键词：低频; 电磁铸造; 元素晶内固溶度; Al-Zn-Mg-Cu-Zr

Key words：low frequency; electromagnetic casting; intracrytalline solubility of alloy element; Al-Zn-Mg-Cu-Zr

摘要：研究了低频电磁半连续铸造7A60合金铸锭的合金元素在晶内的固溶状况和力学性能。结果表明：适当降低电磁场频率和增强电磁场强度，有利于提高合金元素Zn、 Mg和Cu在晶内的固溶度、锭坯的维氏硬度、抗拉强度和延伸率。频率为15Hz，安匝数为20kA·turn时， Zn、 Mg和Cu元素相对溶质固溶百分数最高，分别为68.8%、 76.0%和45.0％；频率为15Hz，安匝数为20kA·turn时，锭坯维氏硬度最高为Hv160；频率为25Hz，安匝数为20kA·turn时，抗拉强度最高为324MPa。

Abstract: The intracrytalline solubility of alloy elements and mechanical properties of 7A60 Al alloy billets cast by low frequency electromagnetic casting were investigated. The results show that the relative intracrytalline solubility of alloy elements(Zn, Mg and Cu) and mechanical properties, Vicker hardness, ultimate tensile strength and elongation are increased with decreasing electromagnetic frequency and increasing electromagnetic intensity. When the frequency is 15Hz and number of ampere turns is 20kA·turn, relative intracrytalline solubility of alloy elements (for Zn, Mg and Cu the solubility are 68.8%, 76.0% and 45.0％, respectively) is the highest; when the frequency is 15Hz and number of ampere turns is 20kA·turn, Vicker hardness is the highest of Hv160; when the frequency is 25Hz and number of ampere turns is 20kA·turn, ultimate tensile strength is the highest of 324MPa.

DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2004.01.024

7A60超高强铝合金的低频电磁铸造 (Ⅱ) ——直径0.2m锭坯合金元素晶内固溶度及其力学性能

董杰刘晓涛赵志浩包卫平崔建忠

东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室

东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室沈阳110004

摘要：

研究了低频电磁半连续铸造7A60合金铸锭的合金元素在晶内的固溶状况和力学性能。结果表明:适当降低电磁场频率和增强电磁场强度, 有利于提高合金元素Zn、Mg和Cu在晶内的固溶度、锭坯的维氏硬度、抗拉强度和延伸率。频率为15Hz, 安匝数为20kA·turn时, Zn、Mg和Cu元素相对溶质固溶百分数最高, 分别为68.8%、76.0%和45.0%;频率为15Hz, 安匝数为20kA·turn时, 锭坯维氏硬度最高为Hv160;频率为25Hz, 安匝数为20kA·turn时, 抗拉强度最高为324MPa。

关键词：

低频;电磁铸造;元素晶内固溶度;Al-Zn-Mg-Cu-Zr;

中图分类号： TG27

收稿日期：2003-02-17

基金："十五863"项目 (2001AA332030);

Superhigh strength 7A60 Al alloy by low frenquencyelectromagnetic cast (Ⅱ) ——Intracrytalline solubility of alloy element and mechanical property of billets with diameter of 0.2m

Abstract：

The intracrytalline solubility of alloy elements and mechanical properties of 7A60 Al alloy billets cast by low frequency electromagnetic casting were investigated. The results show that the relative intracrytalline solubility of alloy elements (Zn, Mg and Cu) and mechanical properties, Vicker hardness, ultimate tensile strength and elongation are increased with decreasing electromagnetic frequency and increasing electromagnetic intensity. When the frequency is 15Hz and number of ampere turns is 20kA·turn, relative intracrytalline solubility of alloy elements (for Zn, Mg and Cu the solubility are 68.8%, 76.0% and 45.0%, respectively) is the highest; when the frequency is 15Hz and number of ampere turns is 20kA·turn, Vicker hardness is the highest of Hv160; when the frequency is 25Hz and number of ampere turns is 20kA·turn, ultimate tensile strength is the highest of 324MPa.

Keyword：

low frequency; electromagnetic casting; intracrytalline solubility of alloy element; Al-Zn-Mg-Cu-Zr;

Received： 2003-02-17

高强度高韧性铝合金是运载火箭、宇宙飞船和空间站等航天器的主体结构材料, 也是导弹、战斗机等武器系统和核反应堆分离机、高速车辆主承力框等关键结构材料之一, 其研究和应用倍受关注 ^{[1,2,3,4,5,6]} 。但是, 目前超高强度铝合金合金含量高 (如7A60合金含量超过14%) , 采用传统的半连铸工艺凝固后, 只有少量的合金元素在晶内固溶, 大量的合金元素则以共晶和化合物形式存在于晶界, 在随后的加工热处理过程中, 仅少部分发生溶解, 进入晶内, 但大部分仍残存在晶界, 呈链状分布, 造成合金低韧性。因此, 在铸造过程中提高合金元素在晶内固溶度, 降低晶界处的共晶和化合物的数量和尺寸, 并细化晶粒, 是提高该高强度铝合金断裂韧性的有效方法。 Kusui等 ^[7] 采用粉末冶金和WEI等 ^[8] 采用喷射沉积方法, 提高冷却速度强制合金元素固溶, 获得了高强度高韧性Al-Zn-Mg-Cu合金, 但成本高, 气体含量和夹杂等问题难以解决。

张北江等 ^[9] 提出了低频半连续电磁铸造 (low frequency electromagnetic casting, LFEC) 7075铝合金, 相对于常规直接水冷半连续铸造 (direct casting, DC) , 不仅可改善锭坯表面质量, 细化晶粒, 更重要的是可以提高合金元素在晶粒内的固溶度, 还可以避免大直径铸锭产生裂纹, 因此, 采用低频电磁铸造技术铸造7A60合金, 可期望获得超高强度和高韧性。本文作者主要研究了电磁场频率和强度对低频电磁铸造7A60合金锭坯合金元素晶内含量的影响规律, 同时测定了锭坯的铸态力学性能。

1 实验

合金的熔炼和低频半连续铸造方法见文献 [ 10] , 锭坯的化学成分范围 (质量分数, %) 为Cu2.28～2.32, Mg2.59～2.81, Zn8.53～8.79, Zr0.12 ～0.18, Be0.0002～0.001, Al余量。在锭坯垂直横截面上1/2半径处截取试样, 机械抛光后利用日本岛津EPM-810Q电子探针扫描电镜测定微区溶质元素含量。利用HVA-10A型小负荷维氏硬度计测量试样的硬度, 用Instron 8032万能电子拉伸仪测定拉伸力学性能。

2 结果与讨论

2.1电磁场提高合金元素晶内固溶度的机理

电磁场以电磁波的形式作用于熔体, 加大熔体内部存在的结构起伏和能量起伏, 原子与原子之间团聚体的体积增加, 降低临界形核功; 熔体受到电磁力作用, 产生强制对流, 宏观上促使温度场和溶质场趋于均匀, 增大了两相共存区间, 有利于整个合金熔体均匀形核。综合上述原因, 低频电磁铸造有利于大量晶核的形成, 最终铸造组织为细小均匀的等轴或球形晶粒 ^[10] 。

另外, 在液态和固态金属中, 原子失去价电子成为离子, 没有磁场作用时, 这些离子的热运动速度v是随机的、任意的。有磁场B存在时, 速度v分解为垂直于磁场的分量v_〦和平行于磁场的分量v_//。以速度v_〦运动的带电荷为q的离子与B相作用, 产生洛仑兹力:

f=qv_〦×B (1)

洛仑兹力f和速度v_〦相垂直, 不改变v_〦的大小, 只改变其方向, 故离子在f作用下围绕磁力线旋转。在垂直于磁场的投影面内, 粒子运动轨迹是一个圆, 其半径为

$r_{c} = \frac{m v_{〦}}{| q | B} ? ? ? (2)$

式中 m是带电粒子的质量, q为离子的带电量。由此可知, 回旋半径r_c与离子质量成正比, 与其电荷q成反比。由于Al³⁺、 Zn²⁺、 Mg²⁺、 Cu⁺的质量和电荷量各不相同, 其回旋半径也不同。所以, 磁场作用使得各溶质粒子对基体铝产生了相对运动, 这种运动增强了溶质粒子在合金中的扩散, 减小了微观偏析, 从而增加了溶质在α (Al) 中的固溶度。因此, 电磁场作用下, 锭坯的形核率增加, 减小了晶粒之间的溶质元素扩散距离, 以及不平衡凝固时合金元素在晶界的聚集程度; 同时, 在长大过程中, 熔体内Al³⁺、 Zn²⁺、 Mg²⁺、 Cu⁺产生相对运动, 有利于凝固晶粒前沿溶质场成分的均匀, 从而增加合金元素在晶粒内部的含量。

2.2电磁场对合金元素晶内固溶的影响

对低频电磁铸造部分锭坯垂直横截面上1/2半径处作电子探针分析, 测定晶粒内部微区的合金含量, 以了解溶质的固溶情况。由于在合金熔炼过程中不可能精确控制每一炉合金的烧损, 以及不能完全去除熔炼炉内合金成分的宏观偏析, 所以半连续电磁铸造锭坯的合金成分不可能完全相同。为了消除成分偏差的影响, 实验中对部分锭坯1/2半径处的主要元素进行了化学分析, 用相对溶质固溶含量来比较元素在晶内的固溶状况。

(1) 频率对铸锭合金元素固溶度的影响

电磁频率的高低对合金中的主要元素Zn、 Mg和Cu的固溶度有明显影响。在相同的安匝数 (20kA·turn) 和铸造工艺条件下 (铸造速度50mm/min, 温度710℃) , 图1给出了频率与相对溶质固溶含量的变化关系。实线和虚线分别代表DC和低频电磁铸造Zn、 Mg和Cu在1/2铸锭处晶内的相对溶质固溶度。常规DC铸造Zn、 Mg和Cu的相对溶质固溶度较小, 分别为41%、 45%和29%; 低频电磁铸造大幅增加Zn、 Mg和Cu在晶粒内的固溶度, 频率较低为15Hz时, 溶质相对固溶度最大, Zn、 Mg和Cu相对溶质固溶度分别为68.8%、 76.0%和45.0%。随频率的升高, Zn、 Mg和Cu相对溶质固溶度降低; 而当频率从15Hz增加到25Hz时, Zn的相对溶质固溶度降低幅度较小, Mg次之, Cu最大; 当频率从25Hz增加到35Hz时, Zn、 Mg和Cu相对溶质固溶度降低幅度均较大; 当频率从35Hz增加到50Hz时, Zn、 Mg和Cu相对溶质固溶度降低幅度中Zn最大, Mg其次, 然后是Cu, 但均高于常规DC铸造的相对溶质固溶度。同时可以发现, 在相同条件下, Zn和Mg元素在晶粒内的含量高, Cu元素较低, 表明Cu元素更容易在晶界富集。所以, 适当的降低频率, 有利于提高合金元素在晶粒内部的含量。

图1 频率与铸锭元素相对固溶度的关系

Fig.1 Effect of frequencies onrelative intracrytalline solubilityof alloy elements

磁感应强度在金属熔体内渗透深度的增加由集肤深度δ来表示:

$δ = \sqrt{\frac{1}{σ μ π f}} ? ? ? (3)$

式中 σ和μ为合金熔体的电导率和磁导率, f为电磁场频率。当电磁频率降至25Hz以下时, 电磁力的约束作用和搅拌强度都大幅减弱, 但电磁场的渗透深度增加, 熔体内两相区中的电磁感应强度相应增强, 这样更有利于改善溶质元素的分布状态、提高合金元素的晶内固溶量。

(2) 电磁场强度对铸锭合金元素固溶度的影响

电磁场对溶质的分布和固溶有一定的促进作用。图2所示为铸造温度710℃, 频率15Hz和铸造速度为50mm/min的条件下, 锭坯1/2半径部位相对溶质含量与线圈磁场强度的变化关系。当安匝数较小为12kA·turn时, Zn、 Mg和Cu的相对固溶度 (分别为45.9%、 50.5%和31.0%) 与常规DC铸造Zn、 Mg和Cu的相对溶质固溶度 (分别为41.0%、 45.0%和29.0%) 相比, 略有增加。安匝数由12kA·turn增加到15kA·turn时, Zn、 Mg含量增加得很快, Cu元素略有增加; 由15kA·turn增加到18kA·turn时, Zn、 Mg和Cu元素相对溶质固溶度有较大幅度的增加; 由18kA·turn增加到20kA·turn时, Zn、 Mg和Cu元素相对溶质固溶度增加幅度较小, 当安匝数为20kA·turn时, Zn、 Mg和Cu元素相对溶质固溶度最高, 分别为68.8%、 76.0%和45.0%。因此, 电磁场安匝数为18k～20kA·turn时有利于合金元素固溶到晶粒内去, 但是如想再通过增加电磁场强度的办法来提高合金元素在晶粒内的含量意义不大。

图2 磁场强度与铸锭相对固溶度的关系

Fig.2 Effect of number of magnetic densityon relative intracrytalline solubilityof alloy elements

当线圈内电流分布为已知时, 磁场中任意一点的磁感应强度可以由Biot-Savart定律给出:

$B (Ρ) = \frac{μ}{4 π} \int_{v} \frac{J (Q) \times R^{0}}{R^{2}} d V ? ? ? (4)$

式中 dV (Q) 表示源点Q周围的体积元, J (Q) 表示其电流密度, R为源点Q到场点P之间的距离, R⁰为源点Q指向场点P的单位矢量, μ为磁导率。 (4) 式表明, 线圈的磁场强度越大, 在合金熔体内引起的磁感应强度越大, 产生的感生电流越大, 熔体受到的磁场作用越强。改善溶质元素的分布状态、增大合金元素在熔体内的运动强度和范围, 可提高合金元素的晶内固溶量。

2.3 铸锭力学性能

用维氏硬度计测量锭坯1/2半径处的宏观硬度, 载荷为98N, 测量6次, 取平均值。低频电磁铸造锭坯增加部位的维氏硬度值与常规DC铸造的维氏硬度值 (76) 相比有较大的提高, 不同磁场强度和频率对应的维氏硬度值如图3所示。当安匝数为12kA·turn、频率为50Hz时, 硬度值最小为Hv81.1, 略高于常规DC铸造合金的维氏硬度值; 当安匝数为18k～20kA·turn、频率为15～25Hz时, 硬度值最大, 达Hv150～160; 当安匝数较小为12kA·turn时, 电磁场的作用相对较弱, 硬度值较小; 安匝数增加到15kA·turn, 硬度值有较大幅度的增加, 50Hz的硬度值增加的幅度较小; 安匝数增加到18kA·turn时, 频率为15、 25和50Hz的硬度增加幅度较大, 35Hz增加幅度较小; 安匝数增加到20kA·turn时, 频率为15、 25和30Hz的硬度增加幅度均较小, 50Hz时增加幅度稍大一些。同时, 在相同的电磁场强度下, 硬度也随着频率的增加而减小, 例如当安匝数为18kA·turn时, 频率为15和25Hz时, 硬度分别为Hv153和Hv154, 而频率增加到35Hz时, 硬度降低到Hv128; 再增加到50Hz时, 硬度仅为Hv116。因此, 适当地增加磁场强度和降低频率有利于铸锭获得较高的硬度。

图3 电磁场参数与硬度的关系

Fig.3 Effect of electromagnetic parameterson hardness

在部分硬度值较高的锭坯的垂直横截面上, 沿直径方向截取制得标准拉伸试样, 在常温测得拉伸强度极限和延伸率, 测量3次, 取平均值。结果表明, 低频电磁场作用下的铸锭拉延伸率 (0.2%～1.2%) , 与不加电磁的常规DC铸造锭坯的延伸率 (0.2%) 相比, 有不同程度的增加。虽然低频电磁铸造锭坯的延伸率相对常规DC铸造有一定的提高, 但是, 延伸率为0.8%～1.2%时, 试样对应的电磁场频率和强度范围分别为15～25Hz和18k～20kA·turn, 这表明延伸率的增加是细化晶粒和增加合金元素晶内的固溶度的综合结果。观察应力—应变曲线可以发现: 锭坯未达到屈服点时就断裂, 这表明提高合金含量, 可大幅提高铸造组织强度, 但是韧性会降低, 因此, 要获得超高强高韧铝合金, 还需对后续工艺如均匀化、成型制度、热处理制度等进行进一步研究。

低频电磁场作用下的铸锭抗拉强度 (264～324MPa) , 与不加电磁的常规DC铸造锭坯的抗拉强度 (260MPa) 相比, 也有不同程度的增加。图4所示是不同频率对应的抗拉强度, 两条曲线分别表示安匝数为18k和20kA·turn时锭坯的抗拉强度, 当频率为15～25Hz时的抗拉强度较高, 其中25Hz最高, 抗拉强度分别为321和324MPa, 然后随着频率的降低, 抗拉强度也降低, 而频率为50Hz时最低。图5表示不同磁场强度对应的抗拉强度, 频率分别为15和25Hz, 安匝数为12kA·turn时, 抗拉强度分别为273和264MPa, 略高于常规铸造合金的。而随磁场强度的增加, 抗拉强度增加很快, 但当安匝数从18kA·turn增加到20kA·turn时, 增加的幅度不大, 在20kA·turn时, 极限抗拉强度达到最大值。结果表明, 在频率为15～25Hz, 18k～20kA·turn时, 锭坯可以获得较大的铸态抗拉强度。

图4 不同频率时的极限抗拉强度

Fig.4 Effect of frequencies onultimate tensile strength

图5 磁场强度与极限抗拉强度的关系

Fig.5 Effect of number of magnetic intensitieson ultimate tensile strength