熔体温度对含硅蒙乃尔合金组织与硬度的影响

熔体温度对含硅蒙乃尔合金组织与硬度的影响 . ,. 稀有金属材料与工程 第 卷 第 期 生 月 熔体温度对含硅蒙乃尔合金组织与硬度的影响 洪 波,邹军涛,王献辉,范志康 西安理工大学 陕西省电工材料与熔浸 渗技术重点实验室,陕西 西安 摘 要:采用真空熔炼工艺制备含硅蒙乃尔合金,研究了熔体温度对含硅蒙乃尔合金组织与硬度的影响。结果明: 合金组织均由树枝状 固溶体基体、弥散分布于基体的次生 相以及枝晶间呈网状分布的 共晶相组成;但随着熔 体温度的升高,合金组织中枝晶及枝晶间的共晶相逐渐细化,枝晶上弥散分布的次生 相尺寸减小,数量增多, 同时合金的硬度呈现明显的上升趋势;熔体温度为 ?时,枝晶尺寸、共晶 相尺寸以及次生 相的尺寸均最为细 小,组织最为致密,合金硬度值达最大值 . ;而继续升高温度到 ?,合金组织及硬度值较 ?时并没 有明显变化。 关键词:熔体温度;蒙乃尔合金:硬度;组织 中图分类号: . 文献标识码: 文章编号: 一 ? ? 蒙乃尔合金是以 为基的 ? 合金,其主要成 后在真空炉中熔炼制备含硅蒙乃尔合金。实验分别在 分为 约 %和 约 %,该合金具有优良的耐腐 ,,和 ?下保温 ,然后随 蚀性、耐磨性;高的强度、硬度及良好的韧性 】。因 炉冷却。 此特别适合于要求高强度、耐高压及承受腐蚀介质作 将所得铸锭的底面经砂轮打磨后在 一 布氏 用的场合 。在国外广泛地用于炼油、化工、航海、 硬度计上进行硬度测试。最后在铸锭上切割出金属小 核能装置、冶金、电器、纺织、洗涤、制浆、造纸、 块,将金属小块制成试样后在 . 型立式金相显微 食品机械、医疗设备及建筑装饰等领域。但在国 镜上进行组织观察。 内,由于制备技术方面的原因,生产出的蒙乃尔合金 结果与分析 并不能很好地满足特定场合的要求,且废品率较高。 文献 】指出:适量的硅能明显提高蒙乃尔合金的综合 . 熔体温度对含硅蒙乃尔合金组织的影响 力学性能,但目前国内外关于含硅蒙乃尔合金制备的 . . 含硅蒙乃尔合金的相组成 文献报道较少,因此本实验主要从制备工艺上着手, 图 为在不同熔体温度下所制备的含硅蒙乃尔 研究熔体温度对含硅蒙乃尔合金组织与硬度的影响。 合金的分析结果。由 图 可知,熔体温度的改 变并未改变合金的物相种类,合金组织中均由 、 实 验 两相组成。其中 相为基体相,。 相为共晶相。图 实验制备的含硅蒙乃尔合金的化学成分如表 所示。 为该共晶组织放大后的显微照片。从图中可以清晰 首先将一定比例的 粉、 粉、 粉在混料机 地看出,灰白色呈网状分布的 组成相为共晶 相,而 中混合均匀,然后依次按顺序将硅块、混好的粉末、 在该相上分布的黑色斑点即为共晶 相。图 为枝晶 紫块放入刚玉坩埚内,在真空炉内熔炼制备中间 上弥散分布的次生 相的形貌照片。表 为共晶 合金。最后再将制备好的中间合金按一定的比例配料 相、共晶 相以及次生 相的能谱分析结果 由于次 生 相颗粒尺寸较小,为了提高能谱分析结果的准确 表 含硅蒙乃尔合金的化学成分 性 , 故其能谱分析在透射电镜上进行。结合分 . 析结果可知, 相为 的固溶体,面心立方结构, 晶格常数 . ; 相为 ,,属于 型化合物,简单立方结构,每个晶胞 个原子,晶格 常数 . 。 收到初稿日期: . . ;收到修改稿日期: ? .作者简介:洪 波,男,年生, 硕士生,西安理工大学陕西省电工材料与熔浸 渗技术重点实验室,陕西 西安,电 话: , ? : . ;通讯作者:范志康,教授,电话: ?, :. . ? ; ,五一? 口 第 期 洪 波等:熔体温度对含硅蒙乃尔合金组织与硬度的影响 吉 舍 宕:.. ? “ . ’ ’? 一 . ~ .‘. 图 不同熔体温度下所制备合金的 射线衍射谱图. . ?; ?; ?;? 表 合金中共晶 相、共晶 相及次生 相能谱分析结果口 , 图?保温合金的共晶形貌照片. 可看出,随熔体温度的升高,枝晶逐渐细化,枝晶杆 ? 和一次枝晶臂尺寸减小。在 ?时枝晶粗大,枝 晶杆和一次枝晶臂都很发达;?时,枝晶的尺寸 较 ?时明显减小;当温度达到?时一次枝 晶轴大量熔断,二次枝晶臂变得短而粗;温度升高到 ?,合金的枝晶形貌 与?时相似,没有太 大的变化。 熔体温度影响枝晶尺寸大小的原因主要在于:熔 体在过热过程中,除了有成分和结构单元的分布等可 逆变化外,还有不可逆过程发生。如过热引起的难熔 粒子的熔化及组分的均匀化对形核的影响等,都以不 可逆因素影响到熔体结构状态【?】。熔体中所形成的原 子集团的尺度与熔体温度密切相关,熔体温度升高导 致不可逆类固型原子团簇熔化和原子集团平均尺度的 图?保温 合金的次生 相形貌照片 减小,从而引起非均质形核中心数量减少和形核过冷. 度?赠 大,而临界晶核半径 通过冷度? 的增大而减 ? 小。即在过冷度较小的情况下,尺寸小于当时临界半 径的团簇,随着过冷度的增大其半径却超过了临界晶 .. 熔体温度对含硅蒙乃尔合金枝晶尺寸的影响 核的半径而变成稳定的核心。显然,在较大的过冷度 图 是在, , 和 ?下分别保 ?吓 ,临界晶核半径,.变小,其结果使枝晶细化,晶 温 制备的含硅蒙乃尔合金的显微照片。由图 粒尺寸减小。稀有金属材料与工程 第 卷 图 不同熔体温度下合金共晶相照片. ?; ?;?; ? . 熔体温度对共晶相的影响 熔体温度对共晶相的尺寸、体积分数的影响主 熔体温度还对含硅蒙乃尔合金组织中的共 要在于:一方面,熔体温度为 ?时,温度较低, 晶相的大小以及体积分数有显著的影响,从而影响合 熔体的形核过冷度较小,从而使形核率减小及临界 金的性能。熔炼工艺不同,共晶相的大小和体积分数 晶核半径增大,结果使 组织中枝晶比较粗大,组织 发生了变化。利用软件对图 的照 比较疏松,于是,残留在枝晶间的剩余液相的数量 片进行处理,计算出共晶相在合金中的体积百分数, 较多,在温度降到共晶温度以下,液相成分达到共 可获得共晶相体积分数随温度的变化规律。图 为不 晶成分点时,将会有更多的共晶相生成。随着熔体 温度的升高,熔体的形核过冷度增大,从而使枝晶 同熔体温度下含硅蒙乃尔合金中共晶相的体积百分 数。从图 和图 可以看出,随熔体温度的升高,共 细化,合金组织比较致密,这样,残留在枝晶间的 晶相的尺寸变小、体积分数明显减少。温度为 ? 液相数量减少,在随后凝固的过程中,生成的共晶 时,合金中共晶相的体积分数为 . %,温度升高到 相的数量也会相应减少。当温度升高到 、 ?时,共晶相的体积分数明显下降,为 . %, ?时,组织中共晶相的数量明显要少得多。另一方 较?时,体积分数下降了 . %;继续升高温度 面,随着熔体温度的升高,原子的扩散程度加剧, 到 ?,体积分数继续下降,为 . %,较 ? 此时,将会有更多的 原子碰到固液界面上而被其 时,下降了 . %;当温度达到?,共晶相的体 捕获,从而使剩余液相中共晶 相的主要组元 原 积分数没有明显下降,为 . %,较 ?时仅下降 子的含量减少,这样也会导 致在合金的最终组织中 了 . %。 共晶相的含量较低。 . . 熔体温度对次生 相的影响 次生 相是含硅蒙乃尔合金的主要强化相,它是 在合金凝固后从枝晶中脱溶出来的。该相析出的数量 及尺寸对合金的硬度影响很大。图 为不同熔体温度 下含硅蒙乃尔合金中次生 相的形貌照片。由图 中 可以看出,随着熔体温度的升高,次生 相的尺寸越 来越小,数量越来越多。熔体温度为 ?时,合金 中次生 相尺寸较大,数量较少;当温度升高到 ?时,次生 相的尺寸有减小趋势,数量逐渐增多; 继续升高温度到、 ?,合金中次生 相的尺 寸最小,数量却最多。 由以上结果可知,熔体温度对次生 相尺寸、数/ 量有显著影响。这是由于随着熔体温度的升高,分布 在枝晶间的共晶 相数量越来越少,该相的形成使 图 不同熔体温度下含硅 合金中共晶相的体积分数 原子在枝晶间的消耗越来越少,这样使得枝晶内的 .原子含量越来越多,合 金凝固后,在随炉冷却过程中,由枝晶内析出的次生 相的数量将越来越多。第 期 洪 波等:熔体温度对含硅蒙乃尔合金组织与硬度的影响 图 不同熔体温度下合金次生 相形貌照片. ?; ?; ?; ? . 熔体温度对含硅蒙乃尔合金硬度的影响 一 般情况下,合金的强度和硬度有着相同的变化 趋势,硬度的变化也能间接地反映出强度的变化。不 同熔体温度制备的含硅蒙乃尔合金的硬度如图 所 日 /?壬.?呐 【 示。从 ?到?,合金的平均硬度随着熔体 温度的升高而增大,并在 ?时达到最大值 .,继续升高温度到?,硬度不再 增大。另外, 从图中还可以看出,随熔体温度的升高,所测硬度的 分散度呈缩小的趋势,?时硬度比较集中地分布 在平均硬度的两侧,说明此时合金的宏观偏析程度最 小。因此,当熔体温度为 ?时,合金的硬度最 大,宏观偏析最小。 / 熔体温度对合金性能的影响主要是温度对扩散影 响的结果。随着温度的升高,元素的自扩散系数值增 图 不同熔体温度下合金的铸态硬度 加。所以在本实验中,随着熔体温度的升高,扩散系. ? 数增大,扩散进行得更充分,组织更加均匀,宏观偏 析程度减小。 图 为镍基合金过冷度与熔体过热度的关系曲 线图【 】。由图 可以看出,在开始阶段,合金过冷 度随着熔体过热度的增加而迅速增加,但当熔体过 热度增加到大约?以后,合金过冷度的增加已 不明显,此时熔体过热度对过冷度的影响已不明显。 因此,在本实验中,当熔体温度从?升高 ?时,合金过冷度迅速增加,导致形核率增大和临 界晶核半径 ,减小,合金组织中枝晶细化,共晶 相减少,次生 相增多,合金硬度提高。而当熔体 温度继续升高到 ?时,熔体过热度的提高已 不能明显提高合金的过冷度,因此,此时所制备的 合金较 ?时组织并没有明显改善,硬度也没 有进一步提高。 综上所述,随熔体温度的升高,合金中枝晶尺寸、 图 镍基合金过冷度与熔体过热度的关系 共晶相尺寸、次生 相尺寸明显减小,而次生 相数. 【 量却明显增多,组织的这些变化使得合金更加致密, 性能得到了提高。? ;