交流电场对Al-Si共晶合金凝固组织的影响.pdf

第5 7 卷第4 期 2005 年11 月 有色金属 N o n k ㈣sM e t a l s V d5 7 ．N o4 N o v e m b e * - 2005 交流电场对A l S i 共晶合金凝固组织的影响 黄立国，张伟强 辽宁工程技术大学材料科学与工程系，辽宁阜新12 3 0 0 0 摘要研究交流I U 场作用下A I - S i 共晶凝同组织的变化。结果表明，电场作用改变了共晶S j 的生艮形态，随电流密度增 加，共晶s 的形态经历一次先细化后粗化的过程。电场的处理作用使A l s i 共品台盘中潜在的形棱质点增加，电流密度I | 1 i9 8 m A ／m r a 2 时，形桩率迭剜最大值，电场对共晶s l 的生长有抑制作片i 。 关键词盘届材料；A L S i 共晶台金；交流电场；凝N R l - 鲠, 中图分类号T G l 4 62 1 ；T G l l 31 2 ；T G 2 4 43 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 5 0 4 0 0 0 6 0 3 电场凝固技术是指液态金属在通有一定电流 包括直流、交流和脉冲电流 的情况下进行的凝固， 是从2 0 世纪6 0 年代逐渐兴起的一种控制凝固的方 法。现有的研究资料表明，电场能够细化凝固组织、 促进扩散、改变凝固过程中的溶质再分配，并且能够 排除气孔、减少有害杂质的影响。P f a n n 【1 1 发现电流 能够引起金属离子的定向迁移，由于金属离子的迁 移方向和程度不同，因而导致了分配系数K 的变 化。B a Ⅲe H K a 【2J 研究了电场对铸铁结晶过程的影 响，结果表明，电场使石墨平均尺寸减小了2 0 ％～ 4 0 ％，片状石墨变成卷曲状，铸铁的抗拉强度提高了 3 0 ％左右。M i s r a 【3J 的研究也表明电场能有效的细 化铸铁凝固组织。AP r o d h a n [ 4 j 研究了连续电流对 纯舢凝固行为的影响，结果表明直流和交流电场都 有助于铸件组织的细化，在5 A 直流 和3 A 交流 的电流作用下，铸件具有最好的细化组织和排气性， 并且直流和交流电场对凝固冷却曲线都有一定影 响。由于共晶A J s i 台金铸态组织中共晶s j 呈针片 状形态，对A J 机体具有割裂作用，降低了合金的力 学性能。材料工作者试图用各种方法来改变共晶s i 的形貌，优化合金的综合性能。交流电场对共晶A l s i 合金凝固组织的影响很值得研究，如果电场能够 细化A l s i 共晶凝固组织，无疑为今后的实际生产 提供了一条新的途径。 1实验方法 所用合金由工业纯A l 和单晶s i 配制而成，含 收稿日期2 0 0 4 0 7 1 4 作者简介黄立国 1 9 7 9 一 ，男，黑龙江绥化市人，助教，硕士。主要 从事电场作用对金属凝固组织影响等方面研究。 s i 量为1 2 6 ％。先将配制好的台金浇注成尺寸为 ≠1 5 m m X7 0 m m 的圆柱形试样，然后放人内径为 ≠1 5 m m 1 0 0 m m 的石英管中，上下两端插人电极， 并将下端密封，放人井式电炉内加热至7 0 0 ℃保温 2 0 m i n 使合金熔化，然后将其取出空冷。实验装置 如图1 所示。试样从熔化后到凝固完毕一直通有交 流电，电流密度的范围为0 ～8 49 2 m A ／m m 2 。从试 样的中间位置截取横截面观察显微组织。 1 一电探；2 石英督；3 一试样；4 一电极； 5 一热电偶；6 一电炉；7 一衬底 圈1 实验装置 F i g1 S c h e m co fe x p e r i m e n t a la p p a r a t t l s 2 试验结果与讨论 试样的光学显微组织如图2 所示。无电场作用 的凝固组织中共晶s i 呈不规则的针片状分布，其中 有少量初生s i ，见图2 a 。加电流密度较小的电场 后，针片状共晶s i 演化成颗粒状组织，见图2 b 。电 流密度增加，共品S i 开始长大成纤维状，见图2 c 。 电流密度继续增加，共晶s i 尺寸进一步长大，呈现 出针片状形态，并且当电流密度达到8 4 ．9 2 m A ／ 万方数据 第4 期黄立国等交流电场对A L S i 共晶合金凝固组织的影响7 m m 2 时，。一A l 发展成为树枝晶，见图2 d 和图2 e 。共 晶s i 相间距随电流密度变化反映在曲线上如图3 所示。 a 一J 0m A ／m m ； b 一f 1 69 8 m A ／m m 2 ； C j 3 39 7 m A ／m m 2 ； d 一j 5 66 1 m A ／n m l 2 ； e 一1 8 49 2 m A ／m m 2 图2 电流密度对A l - 掰共晶合金凝固组织的影响 F i g ．2 E f f e c to fc u r r e n td e n s i t yo nm i c r c B t r u e t u r e o fA l S ie u t e c t i ca l l o y 电流密度／ m A Ⅱm r 2 图3 电流密度对共晶s i 片间距的影响 F i g3 E f f e c to fc u l l f e n td e n s i t yo f t l a m e l l a rp a c i n g so fS ii ne u t c c t i e 2 ．1 电场对液态金属的处理作用 凝聚态物理学认为，结晶前的液态金属熔体中 存在大量的聚集数目不相等的类固相原子团簇，这 些原子团簇之间通过静电效应而聚合，并随着熔体 内的能量起伏时聚时散。原子团簇代表着凝聚态物 质的初始状态，其物理和化学性质随含原子数目而 变化。在接近液相线温度时，同类原子比异类更易 聚集，形成原子团簇。～一s j 共晶合金熔体中存在A l 和s i 原子各自有序的偏聚团∞J ，这种偏聚团可以看 作是“亚稳定胶状粒子”或为一种组员富集的胶状悬 浮粒子【6J ，它所占的体积比及大小、弥散性与熔体 的过热温度、电磁搅拌、物理场处理有关。交流电场 作用在结晶温度附近的A l s i 合金熔体上，会使这 种胶状悬浮粒子周围电子云的密度减小，从而减弱 了电子云对原子的屏蔽作用，使得胶状悬浮粒子原 子集团变的不稳定，这将促使A l 和s i 各自有序偏 聚团裂解成小的原子集团，即促使组员富集的胶状 悬浮粒子大量生成。这些悬浮粒子散布在合金熔体 中作为潜在的结晶核心而存在，过冷增加时，合金熔 体便依靠这些胶状悬浮粒子形核、长大。 2 ．2 电场改变液态金属形核率 在无电场作用时，按照经典的热力学理论，形成 新相的形核率为I I o e x p , △G ／K T ，式中h 一可 近似地看作常数；△G 一最大形核热力学势垒；K 一 波尔兹曼常数；T 一温度。 当有外加物理场作用时，体系的热力学势垒和 温度等因素将发生变化从而影响相变过程的形核 率。假定交流电场使形核热力学势垒改变了△G ，， 温度改变了△T ，，则此时的形核率为L I o e x p [ △G A G 。 ／K T △t ] 。 在形核阶段，核所占有的体积与基体体积相比 是一个小量，考虑到A l s i 共晶合金具有较高的热 导率，这样就可以忽略由于电场引起的材料内部的 温度不均匀。△t 与电流密度J 的关系为△L j 2 p e t ．。c ～，式中陆材料的电阻率；P 一熔体的 密度；C 比热容；￡一通电时间。． 合并上面两式得到熔体在电场作用下的形核率 为f 。 1 0 e x p { △G A G 。 ／K [ T ，2 户， 户C 叫] } 。 由上式可知，当由于电流密度增加导致K [ T 1 ，2 ∥ 书 _ 1 ] A G △仁 时，与无电场作用相 比，电场将引起形核率增加，从而细化晶粒，但是 这种趋势并不随电流密度的增加而保持下去。由图 2 可以看出经历一个极限值后，形核率将下降，视 野内共晶s i 数量减少，说明还有其他因素影响形 核率，电流密度在1 6 ．9 8 r n A ／m m 2 时，形核率达到 最大值。 E三甜一丑罂讲 万方数据 8有色金属第5 7 卷 2 ．3 电场对共晶s i 生长的抑制作用 无电场时，由于A l 在共晶s i 前沿产生的成分 过冷比s i 在a ．舢相前沿产生的成分过冷大得多， 从而造成S i 相领先生长而突出界面。而在电场凝 固条件下，反而是a A 1 领先生长1 7J ，这是由于A l 和 s i 的电导率差别很大，电流几乎全部从a ．A 1 相中流 过，电流这种偏聚作用将导致C t A I 相前沿的成分过 冷增大，所以a A l 相生长速率增加，超过S i 相突出 界面，抑制了共晶S i 的生长，初生a A l 相周围的过 共晶成分的合金在更大的过冷度下生长。图2 e 中 a - A t 发展成为树枝晶反映了此时是有利于。，A l 相 生长的。 电场对A I s i 合金凝固组织有细化作用，但由 图2 可以看出，电场作用并不是使共晶s i 一直细化 参考文献 下去，而是经历了一个极值后共晶S i 又开始长大， 这主要应该是电场下焦耳热作用的结果，小的电流 密度时焦耳热并不明显，对形核和长大影响较小，在 较大的电流密度时，焦耳热作用逐步发挥出来，成为 影响凝固过程的主要因素。焦耳热的增加必然导致 长大速度的放慢和形核率的下降，在时间和空间上 为共晶s i 的生长创造了条件，显微组织上表现为共 晶S i 由颗粒状向纤维状乃至针片状演变。 3 结论 电场的处理作用使A l S i 共晶合金中潜在的形 核质点增加，电流密度为1 6 ．9 8 m A ／m m 2 时，形核率 达到最大值，电场对共晶S i 的生长有抑制作用。 [ 1 ] P f a n n W G ．P r i n c i p l e so f F i e l d f r e e z i n g [ J ] T r a n s M e tS o c A I M E ，1 9 6 2 ，2 2 4 1 1 3 9 1 1 4 I ． [ 2 ] B a m e u K aKH 西m a 删e 肋3 且e c 删H 鲫“T p H q e c K 0 r oT O K an p m “p H c T a 皿H 3 a u 删u y r y n aH ac B 0 址T 柏O T J I I t B O K [ J ] ．3 1 n T e m l o e l l p O H 3 B O , ⅡC T E O ，1 9 7 3 ，2 2 7 2 9 ． [ 3 ] M i Ⅲ- a A KE f f e c to f d e c t r i cp o t e a t i a l s 。1 1s d i d i f i c a t i ‘m o f l l Ⅱe u t c c t i cP b - S b - S na 1 1 0 y 口] M a t e r i a l sL e t t e r s ，1 9 8 6 ，3 1 7 6 1 7 7 [ 4 ] P r o d h a nAS o l i d l f i c a t i 0 1 2o fa h t m i n u mi nd e c t r i cf i e l d [ J ] M e t a l k L r g i c a la n dM a t e r i a L sT r a n s a c t i o n sB ，2 0 0 1 ，3 2 B 3 7 2 2 7 8 【5JJ I A C T Y X O B3A ，c E P M 只r H HBH ，B A T O J I H HHA ．B ．r u c a a r l c r M n e p a r y p r l o f i0 6 p a 6 0 T K 帅X H A K O V OA l S iC F L J l a B l lH ae F O c T p y K T y p yBT a e p Ⅱo MC O C T O ⅫH H [ J ] O l H T E H H O EI t P O H 3 8 0 2 I C T B O ，1 9 8 2 ，1 l 6 7 ． [ 6 ] I I o n e a b Ⅱc ，r - m O B a O A ，B p o a o B a HF Ⅱa c n e 且c 乃e H H 0 c T bn p nn p J I a B K eH _ 】I H T b e R B O T H b I X M e T a ．r L Ⅱo B [ J ] ．ⅡB e T H b l e M f f r a J I J l b [ ， 1 9 9 2 ，9 5 5 ． 【7 ] 顾跟大电场作用下金属定向凝固行为的研究[ D ] ．哈尔滨哈尔滨工业大学．1 9 8 9 8 1 E f f e c to fA l t e r n a t eC u r r e n tE l e c t r i cF i e l do nM i c r o s t r u c t u r eo fA I - S iE u t e c t i cA l l o y H U A N GL i g u o ，Z H A N GW e i - q i a n g D e p a r t m e n to f M a t e r i a l sS c i e n c ea n d E n g i n e e r i n g ，L i a o n i n g T e c h n i c a lU n i v e r s i t y ，F u x i n1 2 3 0 0 0 ，L i a o n i n g ，C h i n a A b s t r a e t T h es t a t u so ft h es o l i d i f i e ds t r u c t u r eo fA t 。S ie u t e c t i ea l l o yu n d e rt h e a f f e c t i o no fa l t e r n a t ec u r r e n te l e c t r i c f i e l di si n v e s t i g a t e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h eg r o w i n gs h a p eo fe u t e c t i cS ii sc h a n g e db yt h ee f f e c to fe l e c t r i c f i e l d ，a n dt h eg r a i no ft h ee u t e c t i cS ii sf i n e df i r s t l y ，a n dt h e ng r o w nw i t ht h ei n c r e a s eo fc u r r e n td e n s i t yT h e p o t e n t i a l u c l e a t ep a r t i c l e si nA I S ie u t e c t i ca l l o yi si n c r e a s e db yt h ee l e c t r i cf i e l dt r e a t m e n ta f f e c t i o n ，t h em a x i m u mn u c l e a t i o nr a t eo fA 1 一S ie u t e c t i ca l l o yi Sr e a c h e da tt h ec u r r e n td e n s i t yo f1 69 8 m A ／m m 2 ，a n dt h eg r o w t h o fS ii ne u t e c t i ci Sr e a t r a i n e db yt h ee l e c t r i cf i e l da p p l i c a t i o n ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；A I S ie u t e c t i ca l l o y ；A Ce l e c t r i cf i e l d ；s o l i d i f i e dm i c r o s t r u c t u r e 万方数据