超重力对Pb-Sn合金偏析行为的影响.pdf

2 0 1 2 年1 2 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 4 7 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／J ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 2 ．1 2 ．0 1 4 超重力对Pb S n 合金偏析行为的影响 李京伟，孙士瞳，郭占成 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京1 0 0 0 8 3 摘要以P b S n 合金为例，利用离心旋转加热炉研究了超重力对金属凝固组织偏析行为的影响。结果表 明，在超重力条件下，不同比例P h S n 合金凝固组织均出现分层现象，其中密度较小的富锡樱富集在试 样上部，而密度较大的富铅相则沉降在试样底部，中间为共晶组织，而且随着重力系数的增加这种分层 现象也愈加明显。在存在密度差的情况下，超重力可以实现P b ～S n 合金中不同组织的偏析和分层。 关键词超重力；P b S n 合金；偏析；凝固组织；分层 中图分类号T G l 4 6 ．1 ’2 ；T G l 4 6 ．1 4文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 2 1 2 0 0 4 70 5 E f f e c to fS u p e r g r a v i t yo n S e g r e g a t i o nB e h a v i o ro fP b S nA l l o y L IJ i n g w e i ，S U NS h i t o n g ，G U Z h a nc h e n g S t a t eK e yI 。a b o r a t o r yo fA d v a n c e dM e t a l l u r g y ，U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yB e i i i n g ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ， A b s t r a c t T h ee f f e c to fs u p e r g r a v i t yO nt h es e g r e g a t i o nb e h a v i o ro fs o l i d i f i c a t i o nm i c r o s t r u e t u r eo fm e t a l w a ss t u d i e dw i t h i nt h ec e n t r i f u g a lf u r n a c ew i t hP b S n a l l o y a sa s a m p l e ．T h er e s u l t s s h o wt h a tv i s i b l e s t r a t i f i c a t i o nO C C U R So nP bS n a l l o y s w h i c h s o l i d H y u n d e rd i f f e r e n t s u p e r g r a v i t y f i e l d s ．U n d e rt h e s u p e r g r a v i t yf i e l d ，P b r i c h t h ed e n s e rs o l i d p a r t i c l e sp r e c i p i t a t et o w a r dt ot h eb o t t o mo ft h es a m p l ea n d S n r i c h p a r t i c l e s f l o a tt ot h ei t s t o p ．T h es e g r e g a t i o n a l s ob e c o m e so b v i o u sw i t hi n c r e a s eo f g r a v i t y c o e f f i c i e n t ．S e g r e g a t i o na n ds t r a t i f i c a t i o no fm i c r o s t r u e t u r eo nP bS na l l o yc o u l db er e a l i z e du n d e rs u p e r g r a v i t y ． K e yw o r d s s u p e r g r a v i t y ；P bS na l l o y ；s e g r e g a t i o n ；s o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r e ；s t r a t i f i c a t i o n 将各类物理场引入金属凝固过程是当今凝固领 域研究的热点问题，由此出现了诸如电磁场凝 固[ 1 。2 ] 、超重力凝固L 3 1 、超声波凝固小3 等新的凝固研 究领域。其中超重力凝固是研究在超重力状态下熔 体的对流、溶质分布、夹杂物分布对熔体凝固过程及 凝固组织的影响。V o l k o v 等o J 研究了超重力对A 1 s i 共晶合金、A 1G e 合金及A 1 一S i G e 合金凝固组织 的影响，在重力系数G 一7 时，合金凝同过程中，由 于凝固中心和结晶团簇的密度与液相的差异，树枝 状初晶铝在铝硅共晶相底部形成，针状硅在上部铝 硅共晶相中的数量更多。A 1 一G e 及A l S i G e 合金体 系，底部结晶相的数量更多，超重力处理可以达到细 化晶粒的目的。I 。o f f l e r 等j 利用超重力发现了新 的块状金属玻璃。当M g A 1 合金在6 00 0 0g 时，由 于密度的差异产生明显的分层现象，初晶相沉积在 底部，二元和三元共晶相沉积在中部。X i eY o n g 等3 利用离心铸造工艺制备A l 一1 9 S i 一5 M g 合金功能 梯度材料，通过改变离心转速，大量的M g 。S i 颗粒 收稿日期2 0 12 0 61 9 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 1 7 4 1 8 7 ；国家科技史撑计划项目 2 0 1 】B A E 0 3 8 0 1 作者简介李京伟 1 9 8 5 一 ，男，I J 『东新泰人，博■ 研究乍．通讯作者郭占成 1 9 6 3 ，男，博上生导师，教授 万方数据 4 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ／] y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 2 年1 2 期 富集在合金的内层，外层出现少量M g S i 颗粒和初 晶硅颗粒，中间层无M g S i 颗粒和初晶硅颗粒。实 际上，由重力引起的宏观偏析在大的铸锭中是非常 普遍的，但是在超重力场中却可以起到强化这种偏 析的作用[ 8 | 。H i r o m iM a t s u b a r a 等嘲研究了超重 力去除A l S i 合金中富铁相，合金中铁含馈由 2 ．0 7 ％降至0 ．2 7 ％。赵立新等[ 1 0 叫1 ] 研究_ r 利用超 重力去除铝中微量杂质元素，在10 0 0g 重力条件 下试样两端铁元素含量之比达4 ．0 5 。赵志龙等口1 研究了在重力系数1 ～1 5g 时，超重力对共晶P b - S n 凝固组织的共晶团尺寸和共晶相问距的影响。 目前对于铅锡合金在较大的重力系数条件下，亚共 晶、共晶和过共晶组织的研究还不太详细。 P b S n 合金为典型的二元共晶合金，且两组元 密度差较大，为了考察超重力场对金属凝固组织的 影响，本文选取P b S n 合金作为试验材料，研究了 超重力对不同比例合金凝固组织的影响。 1试验部分 1 ．1 试验原理及装置 由P b S n 合金相图可知，对于亚共晶合金，在 凝固过程中，当合金温度降至液相线以下后，首先析 出富铅相，当温度降至1 8 3 ．℃以下时，发生共晶反应 L a p 。过共晶合金与亚共晶合金凝固过程相 似，只是先析出相为富锡相。 试验装置为图1 所示的自行设计改装的超重力 冶金系统。该装置主要由离心旋转系统与加热系统 两部分组成，通过电阻炉离心旋转的方式产生超重 力，离心旋转速度N 最高可达20 0 0r ／m i n ，最高试 验温度为12 0 0 ℃。定义重力系数G 为离心旋转状 态下重力系数与静止状态下重力系数之比。即公式 1 所示。 G 一 ／矛] 二_ 瓦万巧_ ／g 一√9 2 等 2 ／g 1 式中，t , O 为离心机旋转角速度，r a d ／s ；N 为离心 机转速，r ／m i n ；r 为旋转轴与试样间距离，0 ．2 5m ；g 为重力加速度，9 ．8m ／s 2 。当N 一0 时，G 一1 。 1 ．2 试验方法 根据试验要求分别配制三种不同比例P b - S n 合金，原材料选用纯度为9 9 ．9 ％的铅与纯度为 9 9 ．9 9 ％的锡。熔炼过程中先将称量好的锡放人到 刚玉坩埚中，在管式炉中加热熔化，待锡完全熔化后 加入铅，待铅完全熔化后，保温4h 并每隔3 0m i n 图1 试验装置示意图 F i g ．1 S k e t c hm a po ft h e e x p e r i m e n t a la p p a r a t u s 用石英棒搅拌一次，以确保熔体成分均匀，然后浇注 至陶瓷坩埚中得到直径1 0m m 、高1 2m m 的合金试 样。 将坩埚放人离心加热炉内升温至3 0 0 ℃，待合 金完全熔化后保温3 0m i n 以确保熔体成分均匀，之 后开启离心机调整到所需转速，使合金熔体在超重 力场条件下以1 6 ℃／m i n 的速度冷却，待合金温度 降至1 0 0 ℃确保合金完全凝固后关闭离心机，将试 样从炉内取出。试验采用N i C r 一N i S i 热电偶测定 合金温度。之后将所得试样沿超重力方向纵向剖 开，样品经打磨、抛光后用组成为甘油 5 0m L 醋酸 2 0m L 硝酸 1 0m L 侵蚀剂侵蚀1 0S ，采 用金相显微镜对所得试样进行宏观和微观组织观 察。 2结果与讨论 2 ．1 超重力对亚共晶P b - 4 0 ％S n 合金组织的影响 图2 为P b 一4 0 ％S n 合金在不同重力系数下凝固 组织的形貌。 图2 中的黑色为铅相，白色为锡相。在常重力 条件下 G 一1 ，初生铅相主要以枝晶形式交错生 长，二次枝晶发达，且试样下部的数量明显多于上 部，随着重力系数的增加，试样上部产生分层，当G 一1 7 2 时，试样顶部有少量白色的锡相富集，中部是 铅锡共晶相，下部是部分黑色的富铅相。当G 一3 0 6 时，上部主要是白色的锡颗粒和共晶相，仅含少量的 富铅相。当G 一4 7 8 时，顶部的富锡相显著增加，并 且晶粒尺寸变大，数量增加。由图2 a ～2 d 可以看 出，随着重力系数的增加，合金上部的初生铅相逐渐 向试样的下部富集。对合金试样下部分析可知，随 着重力系数的增加，树枝晶状初生铅相的数量明显 万方数据 2 0 1 2 年1 2 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 4 9 增加，并且长的枝晶在旋转过程中被打断，尺寸变 小，如图2 e ～2 h 所示。 对于亚共晶P b S n 合金，当熔体温度降至液相 线温度后，富铅相首先结晶析出，随着富铅相的结晶 析出，当熔体成分达到共晶成分时开始析出共晶组 织。由于先析出富铅相密度大于熔体密度，在超重 力作用下向试样底部定向移动富集，当共晶组织开 始析出后，富铅相与富锡相在超重力作用下分别定 I a 灿 I 试样上郜 e G - I 斌佯r 部 图2 F i g ．2 b M j 1 7 2 试样上部 向移动富集，富铅相向试样底部移动，而密度较小的 富锡相则沿超重力相反方向移动聚集在试样顶部； 随着共晶组织析出，熔体黏度上升，固相移动困难， 难以实现后凝固共晶组织的定向分离富集，因此试 样中间位置为共晶组织。在超重力条件下，随着重 力系数的增加，可以强化初生铅相在铅锡熔体中的 对流，有利于初生相的富集。 c G r - - - 3 0 6 试样上部 d C _ J ；4 7 8 试样上韶 0 G 1 7 2 试样下部 g G 3 0 6 魂L 样下部 h G - - - 4 7 8 试洋下部 P b - 4 0 ％S n 合金在不同重力系数下凝固组织的形貌 S o l i d i f i c a t i o nm i c r o s t r u c t u r eo fP b - 4 0 ％S n a l l o yu n d e r d i f f e r e n tg r a v i t yc o e f f i c i e n t 2 ．2 超重力对共晶P b - 6 1 ．9 0 ％S n 合金组织的影响 图3 为共晶P b 一6 1 ．9o A S n 合金在不同重力系数 下凝固组织的形貌。 由图3 a 可知，常重力条件下，试样上部并未出 现富锡相，铅锡两相均匀分布，在试样下部则出现细 小的富铅相，这是先析出富铅相在常重力条件下自 然沉降的结果。而经过超重力处理后，如图3 b ～3 d 所示，试样上部组织出现明显分层现象，其中最上部 为富锡相，富锡相下部为细的层状共晶组织，且随着 重力系数的增加，试样上部富锡相也明显增多。同 时在超重力条件下，试样下部的富铅相也明显增多。 另外，在不同的超重力条件下，富铅相的形态也发生 了较大改变，在常重力条件下试样下部富铅相多为 等轴枝晶，而超重力条件下试样下部富铅相多以树 枝晶形式存在。 对于P b - S n 共晶合金，在冷却过程中，当温度 降至共晶温度后，富铅相与富锡相开始同时析出，并 在超重力的作用下分别定向移动富集，共晶组织中 密度较大的富铅相沿超重力方向向试样底部聚集， 而密度较小的富锡相则沿超重力相反方向移动到试 样顶端，超重力可以实现共晶组织中锡相的富集，实 现凝固组织的分层。 图4 为共晶P b - 6 1 ．9o A S n 合金超重力条件下凝 固试样宏观组织形貌 G 1 7 2 ，图中黑色组织为富 铅相，白色组织为富锡相。从图4 可以看出，经凝固 过程超重力处理后，试样出现明显分层现象，其中上 部为富锡相聚集区域，中间为细密的层状共晶组织， 下部为富铅相聚集区域。 2 ．3 超重力对过共晶P b - 7 0 ％S n 合金组织的影响 图5 为过共晶P b S n 合金在不同重力系数下凝 万方数据 5 0 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n a G - I 试样上部 2 0 1 2 年1 2 期 b G - 1 7 2 试样卜．部 c G 瑚h 试洋上部 d G - - - - 4 7 8 试样上部 I a G I 试样下部 b C r - 1 7 2 试样下部 c G 3 I 蜘试样下部 d C l - 4 7 8 试样下部 图3P b - 6 1 ．9 ％S n 合金不同重力系数下凝固组织的形貌 F i g ．3 S o l i d i f i c a t i o nm i c r o s t r u c t u r eo fP b - 61 ．9 ％S n a l l o yu n d e rd i f f e r e n tg r a v i t yc o e f f i c i e n t 图4 超重力条件下共晶P b - 6 1 ．9 ％S n 合金的 宏观组织 G 1 7 2 F i g ．4 M a c r o s t r u c t u r eo fP b - 6 1 ．9 ％S n a l l o ya tG 1 7 2 固组织的形貌。 从图5 a 可以看出，在常重力条件下，试样中无 明显偏析现象；而在超莺力条件下，由图5 b ～5 d 可 知，合金凝固组织出现了明显的分层现象，富锡相聚 集在试样顶部，富锡相下部为细密的层状共晶组织， 试样下部出现富铅相。随着重力系数的增加，在合 金的上部，初晶锡颗粒的富集效应增强，锡晶粒的数 量增加，晶粒间变得致密；在合金的下部．合金组织 的分层现象随着重力系数的增加越显著。 3结论 在超重力条件下，亚共品、共晶和过共晶P b S n 合金凝固组织皆出现分层现象，其中密度较小的富 锡相富集在试样上部，而密度较大的富铅相则沉积 在试样下部，中间为层状共晶组织；且随着重力系数 的增加，试样分层现象也愈加明显。在存在密度差 的情况下，超重力可以实现P b S n 合金中不同组织 的偏析和分离。 釜Ie∞。-u△∞●●●●●●●●●●●●V 万方数据 2 0 1 2 年1 2 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n a G l 试样上部 b G I7 2 试样上部 c G 3 0 6 试样上部 d G - - 4 7 8 试样上部 a G I 试样下部 b G 1 7 2 试样下部 c G 酬砺试样下部 d G - - ．4 7 8 试样下部 图5P b - 7 0 ％S n 合金在不同重力系数下凝固组织的形貌 F i g ．5 S o l i d i f i c a t i o nm i c r o s t r u c t u r eo fP b - 7 0 ％S na l l o yu n d e rd i f f e r e n tg r a v i t yc o e f f i c i e n t 参考文献 [ 1 ] 杨森，梁文心，贾均．磁场对偏晶合金定向凝固组织的 影响[ J ] ．铸造技术，1 9 9 9 5 4 4 4 6 ． [ 2 ] 王劲，尹建军，丁雨田，等．直流电场对Z A 2 7 合金凝固 组织的影响[ J ] ．铸造，2 0 0 3 2 8 4 8 8 ． [ 3 ] 赵志龙，鲁德洋，裴崇斌．超重力对铅锡共晶凝固组织 的影响[ J ] ．材料研究学报，1 9 9 8 4 3 9 5 3 9 8 ． [ 4 3 黄金日，薛立勤，穆光华，等．超声波对铸造合金组织和 机械性能的影响[ J ] ．湖北工学院学报，1 9 9 6 4 2 9 3 3 ． [ 5 ] V o i k o vM P ，G u r i nVN ，N i k a n o r o vSP ，e ta 1 ．S t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fA I S i G e a l l o y su p o n m e l tc e n t r i f u g a t i o na n dq u e n c h i n g [ J ] ．P h y s i c so f t h e S o l i dS t a t e ，2 0 0 5 ，4 7 5 9 1 3 9 1 9 ． [ 6 ] L O f t i e rJF 。J o h n s o nWL ．c r y s t a l l i z a t i o no fM g A I a n dA l b a s e dm e t a l l i c l i q u i d s u n d e r u l t r a h i g hg r a v i t y [ J ] ．I n t e r m e t a l l i c s 。2 0 0 2 ，1 0 1 1 ／1 2 1 1 6 7 1 1 7 5 ． [ 7 3 X I EY o n g ，L I uC h a n g M i n g ，Z H A IY a n 一1 3 0 ，e ta 1 ． C e n t r i f u g a lc a s t i n gp r o c e s s e s o f m a n u f a c t u r i n g i ns i t u f u n c t i o n a l l yg r a d i e n tc o m p o s i t e m a t e r i a l so fA l 一1 9 S i 一 5 M ga l l o y [ J ] ．R a r eM e t a l s ，2 0 0 9 4 4 0 5 4 1 1 ． [ 8 ] M o i l e rG e o r g ．Ac o m p a r a t i v es t u d yo fc r y s t a lg r o w t h p h e n o m e n au n d e r r e d u c e da n de n h a n c e d g r a v i t y [ J ] ． J o u r n a lo fC r y s t a lG r o w t h ，1 9 9 0 ，9 9 1 2 4 2 1 2 5 7 ． [ 9 ] H i r o m iM a t s u b a r a ，N o r i h i s aI z a w a ，M a s a r uN a k a n i s h i ． M a c r o s c o p i cs e g r e g a t i o ni nA I - 1 1m a s s ％S ia l l o yc o n t a i n i n g2m a s s ％F es o l i d i f i e d u n d e rc e n t r i f u g a lf o r c e [ J ] ． J o u r n a lo fJ a p a nI n s t i t u t eo fL i g h tM e t a l s ，1 9 9 8 ，4 8 2 9 3 - 9 7 ． [ 1 0 ] Z H A OL i x i n ，G U 0Z h a n c h e n g ，W A N GZ h i ，e ta 1 ． R e m o v a lo fL o w - - C o n t e n tI m p u r i t i e sf r o mM e t a lb yS u p e 卜G r a v i t y [ J ] ．M e t a l l u 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 1 0 3 5 0 5 5 0 8 ． [ 1 1 ] z H A oL i x i n ，G U OZ h a n c h e n g ，W A N GZ h i ，e ta 1 ． I n f l u e n c e so fS u p e r - G r a v i t yF i e l do nA l u m i n u mG r a i n R e f i n i n g [ J ] ．M e t a l l u 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 s A ，2 0 1 0 3 6 7 0 6 7 5 ． 万方数据