挤压力对晶体生长速度及枝晶间距的影响

挤压力对晶体生长速度及枝晶间距的影响 压力铸造特种铸造及有色合金2002年第5期 挤压力对晶体生长速度及枝晶间距的影响 武汉理工大学罗继相潘利波潘欣 摘要研究了挤压铸造时挤压力对宏观晶体生长速度的影响,给出了晶体生长速度达式.结 果表明:挤压力对合金 宏观晶体生长速度的影响除与合金成分有关外,在某些挤压条件下,当形核率的增加幅度超 过长大速度时,则挤压力可使 宏观晶粒细化;反之,会使宏观晶粒变粗.随着挤压力的提高,合金凝固速度加快,一次枝晶间 距和二次枝晶间距都随之减 小,从而细化了树枝晶. 关键词:挤压铸造晶体生长速度枝晶间距 中图分类号:TG249.2文献标识码:A文章编号:1001—2449(2伽)05—0035—03 晶体长大,是液态金属的原子向固相界面迁移陆续 堆砌的过程.由现代凝固学理论,晶体长大速度是依据 晶体的生长方式而不同的ll.而晶体生长方式又由固. 液界面的结构,即由原子的堆砌方式决定的.通常晶体 的生长方式与界面的结构有关,其长大方式主要有: ?平整界面的二维形核长大;?通过螺旋位错机理的 长大;?粗糙界面的连续长大.实际上,前述3种生长 情况可能同时并存.对于宏观晶体生长来说,其生长速 度应为固.液界面上整个固体界面向前推进的速度. 1热交换模型的建立 挤压铸造件是在金属模具中冷却凝固的,其热量的散 失主要因模具的热传导造成.当晶体从挤压铸造件表面 向内生长时,假定其简单热交换模型如图1所示[. / / 图1热交换模型 注:图中Q为固体内部向界面的导热量,J/(r~’s);QL为液体内 部向界面的导热量,J/(m2?s);Tm为金属的凝固温度;TL为金属 的浇注温度;X为界面距离;R为固相界面向液相推进速度即界 面的生长速度.m/s. 已凝固层及液体内的等温面都与挤压铸造件表面 平行,即没有侧向散热. 在挤压铸造件断面上垂直于型壁取1个断面为单 位面积的体积单元,只有垂直于界面的单向散热.在该 热交换模型中,固.液界面上热量的变化大致可分为3 个部分. (1)由于金属液的热量主要靠模具导出,液体内部 的温度总比界面处高(在正的温度梯度条件下),则有: QL=LGL(1) 式中L——液体金属的导热系数,W/(m?K) GL一界面前沿液体金属温度梯度,K/m,GL= ?T/?X (2)当界面向液体内部推进时,在单位时间内界面 上析出的热量为:,其中lD为密度(kg/m3),L为结 晶潜热(J/kg). (3)通过已凝固的部分向沿垂直于等温面的方向 向外散发出热量为Q.,设固体中的温度梯度为Gs= ATs/AXs,则: Qs=sGs(2) 式中——固体金属的导热系数,W/(m?K) G一界面前沿固体金属温度梯度,K/m 当界面上始终保持恒定的过冷度(ATK)时,则固体 中导出的热量必须符合下式. Qs=+QL(3) 故固相界面向液相推进速度为: R:二:(4) ()L()L 将式GL=??和Ps=ATs/AXs代人式(4)得: R:壶(As)(5) 由式(4),式(5)可见:固体的导热量Qs越大,即 Gs也越大,或者液体的过热度?较小,则晶体的生 长速度较大.相反,若增加金属液内部向界面的导 热量Q或减小固体导热量Q,则晶体生长速度便减 慢.这样可以通过增加模具的冷却水系统和电热等方 法来控制模具的导热量Q.通过提高或降低浇注温度 或改变液体的凝固温度来改变液体中的温度梯度 *罗继相,男,1953年出生,教授,武汉理工大学液锻中心,武汉市武昌余家头(430o63),电 话:027—86534379收稿日期;2002—04—05 35 特种铸造及有色合金2002年第5期 G的大小,以控制液体中的导热量q(单位时间,单位 面积的导热量),从而有效地控制工件的凝固速度. 2挤压铸造过程中制件及模具的温度变化 测温试验装置见图2,挤压铸造件凝固温度和挤压 铸造模具温度.时间变化曲线见图3. I5,50西i155 \\ 萋l 1 l【l l,l 图2测温试验模具 图3制件和模具温度与时间的关系 1,挤压铸造件中心处温度曲线2.挤压铸造件l10处温度曲 线3,模具中心壁温度曲线4.模具l10处内壁温度曲线 5.模具’/,155处内壁温度曲线 从曲线1和2比较,两条曲线虽然都是反映挤压铸 件内部的温度变化,但曲线1的峰值比曲线2要延时 1Os左右,这表明中心处较d~ll0处的凝固时间要长5, 1Os.A1.Si合金(ZL102)在常压下的凝固点为577?, 这两条曲线在此温度没有明显的凝固平台,而在峰值 600?处有较短的平台,这是因为挤压铸造件在压力下 结晶(P=55MPa),使凝固点上移所至.又因挤压力促 使制件与模壁紧密接触,减小了制件与模具界面的热 阻,加快了导热速度,从而缩短了合金液的凝固时 63 .从曲线1和2上可看到挤压铸造件在60s左右 温度就降至320?了. 36 曲线3和4反映A和B测量点的模具内表面处的温 度变化,两条曲线较尖陡,其峰值约445?.出现峰值的 时间坐标也与曲线1和2两处的时间坐标相一致.曲线 3和4较曲线1和2陡,表明模具的导热速度很大,其导 出热量的速度超过了合金凝固时潜热释放速度.曲线5 反映了测量点c挤压铸造模具侧壁的温度变化. 3挤压力对宏观晶体生长速度的影响 3.1界面前沿存在正温度梯度时晶体的生长速度 见图4a,液体温度为,合金的凝固温度为, 此时固.液界面处于X处,则其界面的生长速度为: R=s ATL](6) t.主 XsXX b.低温状态挤压 图4在正温度梯度时界面的生长速度与温度的关系 在挤压铸造时,加压力P.使合金液的凝固点上 升至.这时导出热量qs变大,q变小,且随后在新 的条件下达到热稳定,此时界面的推移速度R>R,在 固相界面处凝固点Tm上升至,从而使其温度梯度 增大,而在液相处因之而温度梯度减小, 即: ?S>?Ts,?L<?TL 故 1(7) R>R 即增加挤压力Po,将促进合金液的凝固过程. 如果,不高,加压后,使T=TL,则有: R:As(8) 见图4b,这时的界面生长速度R僦取决于模具的 导热系数s及其温度梯度?s. 3.2界面前沿存在负的温度梯度时晶体的生长速度 见图5,因?L<0,而且当挤压力增加,使一 时: ?s=?Ts,?L=ATL 这时,界面的生长速度为: 挤压力对晶体生长速度及枝晶间距的影响 s AT’L A ],0,枝晶.在挤压铸造过程中,液态金属在挤压力的作用 下,其凝固速度大大加快,在结晶前沿的液态金属中产 生较大的过冷度,这对于在较小过冷度下具有较强形核 能力的合金,有明显的细化晶粒作用].图6为挤压 力对ZL201铝合金枝晶间距的影响,可见,随着压力的 增加,开始细化程度明显增加,达一定压力后,细化程度 的增加就不明显了. 图5在负的温度梯度时界面的生长速度与温度的关系 这时的生长速度应为最大(较正的温度梯度). 由上述分析可知:挤压铸造时,对于结晶时体积收 缩的合金,在结晶温度不变的条件下,挤压力使合金的 熔点升高,相应地增加了过冷度,从而会导致晶体长大 速度的提高. 对结晶时体积膨胀的合金,挤压力会降低其熔点, 即相应降低液态金属的过冷度,虽可降低晶体长大的速 度,但它也抑制液态金属的形核. 总之,对多数合金,挤压力将大大提高制件的凝固 速度,有助于晶粒的细化. 4挤压力对枝晶间距的影响 通常用树枝晶相邻的二次枝晶轴之间距离(枝晶间 距),相邻两胞晶中心距离(胞晶间隔)和单个胞晶的宽 度(胞晶尺寸)等数据来描述显微组织细化的程度.研 究表明,影响树枝晶细化程度的主要因素是合金成分和 凝固速度l7.枝晶间距取决于结晶界面上的散热条件. 界面上的散热条件越强,则每一枝晶轴所析出结晶潜热 的影响区越小,使相邻枝晶轴有可能在较近的距离生 成,即使枝晶间距缩短,使显微组织细化.根据Hunt8j 和Kurz的试验,一次枝晶间距表达式为: d:kG一一(10) 式中d——一次枝晶间距 .]}——常数 G——温度梯度 I,一凝固速度 对于二次枝晶间距与凝固速度的关系式为l9_: d=B0(M×V)(11) 式中d——二次枝晶间距 B——与树枝晶形状有关的常数 —— 决定于材料的常数 由式(10)和式(11)可知,随着凝固速度的提高,一 次枝晶间距和二次枝晶间距都随之减小,从而细化了树 6挤压力与枝晶间距的关系 5结论 (1)增加金属液内部向界面的导热量QI威减小固体 导热量Q,则晶体生长速度便减慢.可以通过增加模具 的冷却水系统和电热等方法来人为地控制模具的导热量 Qs.通过提高或降低浇注温度L或改变液体的相变温 度来改变液体中的温度梯度GI的大小,以控制液体 中的导热量QI,从而有效地控制制件的凝固速度. (2)对于结晶时体积收缩的合金,在结晶温度不变 的条件下,挤压力使合金的熔点升高,从而会导致晶体 长大速度的提高.对结晶时体积膨胀的合金,挤压力会 降低其熔点,虽可降低晶体长大的速度,但它也抑制液 态金属的形核. (3)在挤压力作用下,使合金与模壁紧密接触,其 热传导速度加快,随着凝固速度的提高,一次枝晶间距 和二次枝晶间距都随之减小,从而细化了树枝晶,使制 件的组织均匀细小. 参考文献 1戚正风主编,铸态金属中的扩散与相变,北京:机械工业出版社,1997, 2罗守靖,钢质液态模锻,哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1990, 3齐丕骧.挤压铸造.北京:国防工业出版社,1984, 4丁孔实.正挤压液态模锻过程中冷管的产生机理及防止措施:[硕士学 位论文],武汉:,武汉水运工程学院,1987. 5罗继相.新型铝合金管钳柄挤压铸造模具设计及研究.特种铸造及有 色合金,2001(4):14—16 6邢书明,陈维视,马静等.挤压铸造件外缘表面温度的通用模型.特种 铸造及有色合金,1999增刊(1):67—69 7胡汉起主编.金属凝固原理.北京:机械工业出版社,1991 8HuntJD.SolidificationandCastingofMetals.London:TheMetalsSociety,Bd. 192,1979,3一lO 9韩延峰,刘相法,杨志强等.压力铸造对A1.Si.Cu合金组织的影响,铸 造,2001(4):183—186 1O于海朋.张富强,李荣德等.挤压铸造zA.27合金的组织与性能.特种 铸造及有色合金,1997(4):9—12 (编辑:袁振国J 37