电磁铸造2E12铝合金的铸态组织与力学性能
王少华1 杨守杰2 房灿峰1 王剑钊1 郝 海1 孟令刚1 戴圣龙2 张兴国1
(1.大连理工大学材料科学与工程学院;2.北京航空材料研究院)
摘 要 分别采用电磁铸造和普通连铸技术制备了2E12铝合金连铸锭。通过显微组织和力学性能的对比分析,研究施加电磁场对2E12铝合金连铸过程及铸锭性能的影响。结果表明,使用电磁铸造技术制备的2E12铝合金铸锭具有良好的表面质量和内部组织,以及优良的力学性能。其中,电磁铸造方法获得的2E12铝合金铸锭相对于普通连续铸造铸锭晶粒平均尺寸由58μm 减小至36μm ,抗拉强度提高了9.08%,伸长率提高了61.58%,断裂方式为准解理断裂。关键词 2E12铝合金;电磁铸造;普通连续铸造;显微组织;力学性能中图分类号 T G 146.2+1;T G249.7 文献标志码 A 文章编号 1001-2249(2009)11-1042-04
DOI :10.3870/tzzz.2009.11.021
收稿日期:2009202210;修改稿收到日期:2009202218
基金项目:国家重点基础研究发展计划(“973计划”
)资助项目(2005CB623705);国家自然科学基金资助项目(50875031)第一作者简介:王少华,男,1983年出生,博士研究生,大连理工大学材料科学与工程学院铸造研究中心,辽宁大连(116024),电话:0411-********,
E -mail :shaohua0214@https://www.doczj.com/doc/6910855382.html,
通讯作者:张兴国,男,1960年出生,教授,大连理工大学材料科学与工程学院铸造研究中心,辽宁大连(116024),电话:0411-********,E -mail :zxgwj @https://www.doczj.com/doc/6910855382.html,
电磁铸造(EMC :Electromagnetic casting )是无模半连续铸造技术[1],由前苏联学者Get selev 在20世纪60年代末开发成功[2],随后在美国、瑞士等国得到大力
推广并实现产业化
[3,4]
。电磁铸造过程中,铝液柱在电
磁体积力约束下呈半悬浮状态,因此,铸坯的表面质量得到改善,可以直接用于热轧,而普通连续铸造(DCC :Direct Chill Casting )铸坯表面则往往需要铣面处
理[5,6]。电磁铸造过程中,在熔体内部伴随的电磁搅拌作用促使熔池内温度场、溶质场均匀,晶粒明显细化,缩松、偏析程度降低,内部微裂纹也得到减少或消除[7]。
微量Zr 添加到铝合金中,有细化组织、提高强度和再结晶温度的作用,因此,在一些新合金的开发中添加Zr 取代Cr 元素成为新的研究热点[8～11]。本研究的2E12铝合金就是在传统2E12铝合金的基础上添加了0.14%(质量分数,下同)的Zr 元素设计而成的,由于合
金含量高,普通连续铸造铸锭严重的表面偏析和易开裂的特性降低了它的成材率,而电磁铸造技术在提高铸锭表面质量和改善铸锭力学性能方面具有明显的优势。因此,本试验分别采用电磁铸造和普通连续铸造法制备了含Zr 的2E12铝合金铸锭,通过两者的对比,研究了外加磁场对2E12铝合金显微组织和力学性能的影响。
1 试验材料与方法
1.1 试验材料
2E12铝合金是以高纯Al (纯度为99.99%)、纯Mg (纯度为99.9%)及Al 250Cu 、Al 210Mn 、Al 24Zr 中间合
金为原料,严格控制杂质元素含量熔炼而成。其实际化学成分见表1。
表1 2E 12铝合金的化学成分
%
w B
Cu Mg Mn Zr Si Fe
Al
2E12
4.0～4.2 1.3～1.50.5～0.7-<0.06
<0.06余量普通连铸 4.12 1.380.510.150.040.02余量电磁铸造
4.06 1.340.570.140.03
0.02
余量
1.2 2E12铝合金连铸试验
采用中频炉熔化金属,然后将金属液转移至保温炉中保温,采用熔剂覆盖保护,在750℃下氩气除气精炼,制备出<174mm 的2E12铝合金连铸坯。电磁铸造工艺参数为:电源功率为20kW ,液柱高度保持约40mm ,凝固前沿保持在距感应器底部上方10～15mm ,浇注温度为(720±10)℃,冷却水流量为1.85m 3/h ,铸机的稳定拉坯速度为2mm/s 。通过普通连铸法,并采用相同工艺参数制备了2E12铝合金铸坯进行对比试验。1.3 2E12铝合金性能分析
分别在两种连铸方法制备的2E12铝合金连铸锭横断面的边缘和中心部位取样,磨制、抛光、腐蚀,制取金相试样。腐蚀液采用凯氏溶液(95.0%的H 2O +1.5%的HCl +1.0%的HF +2.5%的HNO 3,体积分数)。显微组织采用莱卡M EFS 型多功能金相显微镜和岛津J SM 2M5600L N 型扫描电镜观察。拉伸试样沿铸锭的轴向截取,按照国标(G B T22822002)制备标称尺寸为<10mm 的拉伸试棒。在WDW 2100KN 型电子万能机上测试室温力学拉伸性能,拉伸速率为2mm/min ,在扫描电镜上观察拉伸断口形貌。
2 试验结果与讨论
2.1 表面质量
普通连续铸造与电磁铸造法制备的2E12铸锭表
2
401电磁铸造特种铸造及有色合金 2009年第29卷第11期
面质量照片见图1。在普通连铸过程中,连铸坯壳和结
晶器直接接触存在着相对滑动摩擦,表面存在着大量的划痕;另外,初期凝固坯壳在冷却过程中的体积收缩导致铸坯与结晶器壁之间产生气隙,使得界面热阻迅速增加,界面换热能力大幅下降,内部过热金属会使坯壳发生部分重熔,枝晶间低熔点物质在凝固壳收缩压力和熔融金属静压力的共同作用下,渗透到铸锭表面形成偏析瘤[11]。电磁铸造中,液体金属仅依靠电磁力约束成形,铸锭和感应器之间没有任何的物理接触,所以避免了拉划伤缺陷的产生,而且金属液直接在冷却水的作用下强迫快速冷却凝固,避免了二次重熔,
从而有效地抑制了
(a )普通连铸(b )电磁铸造
图1
普通连铸与电磁铸造铸锭的表面质量对比
偏析瘤等表面缺陷的发生,因此铸锭表面光整。2.2 显微组织
2E12铝合金铸锭横截面上的显微组织照片见图2。从图2中可以看出,普通连铸铸锭边缘与心部的晶
粒尺寸大小不均匀,铸锭心部枝晶粗大,平均晶粒尺寸为58μm ,晶界共晶相呈网状沿α
初晶分布,并伴有积聚状(见图3a );EMC 铸锭组织无论是边部还是中心都比较均匀,晶粒细小,等轴晶比例高,相对普通连铸铸锭,EMC 铸锭的晶粒尺寸由58μm 减小至36μm ,EMC 铸锭的晶界间距要比普通连铸的窄小得多(见图3b )。EMC 铸锭的晶界间距减小与文献[12]中对2024铝合金观察的结果一致。对普通连铸铸锭晶界组织进行能谱分析(见图3c ),根据能谱数据可以推断,晶界的共
晶组织主要为
θ(Al 2Cu )相。EMC 铸锭晶界共晶相成分与普通连铸铸锭晶界处的成分基本相同;由于2E12铝合
金严格控制了Fe 、Si 等杂质含量,所以在本试验制备的2E12铝合金铸锭的显微组织中未发现(Mn ,Fe )Al 6等脆性相的存在。
普通连续铸造过程中,由于熔池内温度场、溶质场不均匀,有利于枝晶的生长以及在晶间和二次枝晶臂根部充盈富集大量溶质元素的熔体,这部分熔体与枝晶外部熔体相互独立,在其后的凝固过程中,由于溶质元素浓度高,易以粗大第二相形式析出或以晶间非平衡化合
(a )普通连铸,边部(b )普通连铸,中心(c )电磁铸造,边部(d )电磁铸造,中心
图2 2E12铝合金铸锭的微观组织
(a )普通连铸(b )电磁铸造(c )图a 中A 处的能谱分析
图3 2E12铝合金铸锭晶界处的组织的形貌及能谱分析
3
401电磁铸造2E12铝合金的铸态组织与力学性能 王少华 等
物形式存在。电磁铸造过程中,磁场的引入增大了注入
熔体在熔池内形成的大环流,使得液穴内温度均匀,熔体内部溶质场和温度场分布趋于均匀,糊状区面积减小、厚度趋于均一。这增加了凝固前沿的温度梯度,使糊状区整体趋向于同时凝固,降低了枝晶生长条件,晶粒尺寸趋于一致化[13,14]。伴随的电磁搅拌加速了过热的驱散并打碎枝晶臂,熔断脱落的枝晶臂在熔体中又可成为新的异质形核核心
[15]
,并重新分布于过热的液体
中,最终整个液体中悬浮晶核的数量倍增,这样形成的铸坯组织从边缘到铸锭中心为均匀分布的等轴晶。2.3 力学性能分析
表2是电磁铸造与普通连续铸造2E12铝合金抗拉强度和伸长率的对比。可以看出,EMC 法可以有效提高2E12铝合金的铸态力学性能,EMC 铸锭的平均抗拉强度比普通连铸铸锭提高了9.08%,伸长率提高了61.58%。伸长率的变化幅度远大于抗拉强度的变化量,更有利于实现2E12铝合金的服役要求。
相对于普通连续铸造,电磁铸造过程中形成大量细小的等轴晶,因此晶界数量大大增加,对多晶体的起始塑变抗力以及位错滑移阻力越大,材料的抗拉强度越高。由Hall 2Petch 公式[16]可知,晶粒尺寸越小,材料的强度越高。另外,从前面的组织分析也可以得出,由于电磁铸造过程中冷却速度大,枝晶间距减小,晶界析出相的大小和数量也减少,使得大量溶质充分固溶在晶内,固溶强化效果增强,对合金的强度也有提高的作用。
表2 2E 12铝合金的室温力学性能
试样
σb /MPa
δ/%
普通连铸290.308.46电磁铸造
316.67
13.67
图4为2E12铝合金拉伸试样断口的扫描电镜照片。普通连续铸造2E12铝合金试样的断口比较平坦,解理面清晰可见(见图4a ),
裂纹源形成于晶粒边界或
(a )普通连铸
(b )电磁铸造
图4 2E12铝合金拉伸试样断口的SEM 形貌
相界面处,强度和韧性较低,属解理断裂;电磁铸造
2E12铸锭试样断口粗糙(见图4b ),分散着许多大小不均的韧窝及撕裂棱,属于准解理断裂[17]。由于电磁铸造过程中伴随的电磁搅拌作用,促使熔体内异质形核核心数量剧增,形成大量细小的等轴晶。而大量溶质元素充分固溶在晶内,晶内及晶界的粗大第二相减少,增加了晶内和晶界的强度。拉伸过程中,裂纹源在晶内空洞或硬质点处形成,随着变形量的增大,裂纹由裂纹源向四周扩散形成撕裂棱或形成微孔聚合的韧窝,有利于塑性的改善。因此,2E12铝合金EMC 铸锭的伸长率得以大幅度提高。
3 结论
(1)电磁铸造显著改善了2E12铝合金连铸锭的表
面质量。
(2)电磁铸造过程中伴随的电磁搅拌作用细化了2E12铝合金的晶粒尺寸,减少了粗大第二相的析出,从
而获得了细小均匀的铸态显微组织,相比普通连铸,平均晶粒尺寸由58μm 减小至36μm 。
(3)采用电磁铸造法制备的2E12铝合金铸锭具有
良好的力学性能。与普通连续铸造铸锭相比,抗拉强度提高了9.08%,伸长率提高了61.58%,断裂方式为准解理断裂。
参 考 文 献
[1] 曹志强,张兴国,金俊泽.电磁铸造技术及其发展[J ].轻金属,1995
(10):51253.
[2] GETSEL EV Z N.Casting in an electromagnetic field [J ].J OM ,
1971,23(10):38239.
[3] PRITCH ET T T R.Electromagnetic casting of aluminum alloy[J ].
Light Metal Age ,1981,39:12216.
[4] EVANS J W.The use of electromagnetic casting for Al alloys and
ot her metals[J ].J OM ,1995,47(5):38241.[5] CAO Z Q ,J IA F ,ZHAN G X G ,et al.Microstructures and me 2
chanical characteristics of electromagnetic casting and direct 2chill casting 2024aluminum alloys[J ].Materials Science and Engineer 2ing ,2002,A327:1332137.
[6] PRASSO D C ,EVANS J W ,WIL SON I J.Heat transport and so 2
lidification in t he electromagnetic casting of aluminum alloys :part
Ⅰ.Experimental measurement s on a pilot 2scale caster [J ].Metal.Trans.,1995,B26,124321251.[7] ASAI S.Birt h and recent actions of electromagnetic processing of
materials[J ].ISIJ International ,1989,29(12):9812992.[8] 谢优华,杨守杰,戴圣龙,等.Zr 对超高强铝合金铸态组织及晶粒度
的影响[J ].中国有色金属学报,2002,12(S1):1312135.[9] 谢优华,杨守杰,戴圣龙,等.含锆铝合金的力学性能和强化机理
[J ].中国有色金属学报,2003,10(5):119221195.
[10] H E Y D ,ZHAN G X M ,YOU J H.Effect of minor Sc and Zr on
microstructure and mechanical properties of Al 2Zn 2Mg 2Cu alloy
[J ].Transactions of Nonferrous Metals Society of China ,2006,16(6):122821235.
4
401特种铸造及有色合金 2009年第29卷第11期
Al2O3颗粒增强铝基复合材料的热变形研究
曹建刚 李文学 包喜荣
(内蒙古科技大学材料与冶金学院)
摘 要 制备了Al2O3颗粒增强铝基复合材料,利用G leeble21500热模拟试验机,在不同变形温度、不同变形速率下对试验材料进行压缩试验,研究Al2O3颗粒增强铝基复合材料和纯铝的热变形行为。结果表明,试验材料的流变应力随着变形温度的降低和变形速率的增加而升高;Al2O3颗粒对铝基复合材料具有明显的强化作用,且能抑制复合材料的动态再结晶过程。
关键词 Al2O3;颗粒增强;应力2应变曲线;热变形
中图分类号 T G146.2+1;TB331 文献标志码 A 文章编号 1001-2249(2009)11-1045-02
DOI:10.3870/tzzz.2009.11.022
近年来铝基复合材料(包括纤维增强和颗粒增强)的发展尤为迅速[1]。解决了纤维增强铝基复合材料增强纤维制备成本昂贵的问题,而且材料各向同性,克服了制备过程中出现的诸如纤维损伤、微观组织不均匀、纤维与纤维相互接触、反应过大等影响材料性能的许多缺点[2,3]。所以颗粒增强铝基复合材料已成为当今世界金属基复合材料研究领域中的热点,并且向工业规模化生产和应用的方向发展。本课题制备了Al2O3颗粒增强铝基复合材料,在Gleeble21500热模拟机上进行高温、不同变形速率条件下的压缩试验,研究Al2O3颗粒增强铝基复合材料在热变形条件下的变化规律[4,5]。
1 试验材料及试验方法
试验材料为氧化铝颗粒增强铝基复合材料。将纯铝锭放入加热炉,加热至600℃,再将经过活化处理的Al2O3颗粒加入铝液,采用机械搅拌,浇注。获得Al2O3质量分数为5%和7%的铝基复合材料。
将铝基复合材料和纯铝加工成<8mm×15mm标准试样,在Gleeble21500热模拟机上进行不同变形温度和不同应变速率条件下的高温压缩试验。试验温度为350℃和450℃,应变速率为0.01s-1和0.1s-1。试验后由Gleeble21500热模拟机的计算机自动采集真应力、真应变、压力、位移、温度、时间等试验数据,并绘制出真应力2真应变曲线。
2 试验结果
2.1 强化相的影响
图1为在相同变形温度与应变速率条件下,Al2O3颗粒对铝合金真应力2应变曲线的影响。可以看出:①含5%的Al2O3颗粒的铝基复合材料和纯铝在弹性变形阶段的弹性模量变化不大
;②在纯铝基体中加入
图1 t=350℃,
ε=0.01s-1条件下的真应力2真应变曲线
Al2O3颗粒后,真应力2真应变曲线升高;③同样变形条件下,纯铝已经达到稳衡流变阶段,加工硬化与动态回复作用接近平衡,加工硬化率趋于零,曲线出现水平阶段,出现应力不随应变而增高的稳定状态[3]。而Al2O3颗粒含量为5%增强铝复合材料的真应力2应变曲线还
收稿日期:2009202215;修改稿收到日期:2009204219
第一作者简介:曹建刚,男,1956年出生,教授,内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古包头(014010).电话:0472-*******;138********,E-mail: caojiangang@https://www.doczj.com/doc/6910855382.html,
[11] 李玉梅,张兴国,贾非,等.铝合金电磁连铸技术的基础研究[J].铸
造技术,2002,23(2):1112114.
[12] 曹志强,张兴国,贾非,等.电磁铸造铝合金锭的力学性能[J].材料
研究学报,2002,16(6):6352639.
[13] 庞磊,张兴国,郝海,等.7050铝合金晶粒细化的研究[J].特种铸
造及有色合金,2007,27(6):4792481.
[14] 房灿峰.高性能镁合金电磁改性技术研究[D].大连:大连理工大
学,2006.
[15] 李业欣,崔建忠,秦克.电磁场频率对电磁铸造4045合金微观组织
的影响[J].特种铸造及有色合金,2005,25(4):2432245.
[16] 胡赓祥,蔡 .材料科学基础[M].上海:上海交通大学出版社,
2004.
[17] 钟群鹏,赵子华.断口学[M].北京:高等教育出版社,2006.
(编辑:张春明)
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复合材料特种铸造及有色合金 2009年第29卷第11期
terials Science and Engineering,Shenyang Ligong U2 niversity,Shenyang,China)2009,29(11)1040～1041 Abstract The origination of generated mechanical burning2on in blind and tenuous hole in negative p res2 sure lost foam casting were expounded t heoretically.
A way to p revent mechanical burning2on was presen2 ted including using p roportional CaCO3as coating and filler to coat and fill into t he hole.The result s are ver2 ified.
K ey Words:N egative Pressure C asting,T enuous H ole, Burning2on
As2cast Microstructure and Mechanical Properties of E2 lectromagnetic C asting2E12Aluminum Alloy Billets Wa ng Shao hua1,Ya ng Sho ujie2,Fa ng Ca nfeng1, Wa ng J i a nzhao1,Hao Hai1,Meng Lingga ng1,Dai Shenglo ng2,Zha ng X ingguo1(1.School of Materials Science and Engineering,Dalian University of Tech2 nology,Dalian,China;2.Beijing Instit ute of Aero2 nautical Materials,Beijing,China)2009,29(11)1042～1045
Abstract2E12aluminum alloy continuous casting in2 got s were p repared by electromagnetic casting and di2 rect chilling casting,respectively.Through compara2 tively analyzing micro struct ure and mechanical proper2 ties of two kinds of ingot s,effect s of elect romagnetic field on co ntinuous casting p rocess and p roperties of 2E12aluminum alloy ingot s were investigated.The result s reveal t hat elect romagnetic continuous casting 2E12aluminum alloy ingot exhibit s excellent surface quality and micro st ruct ure as well as desirable me2 chanical p https://www.doczj.com/doc/6910855382.html,pared wit h t ho se of direct chilling casting ones,t he average grain size is de2 creased f rom58μm to36μm,tensile strengt h and e2 longation of electromagnetic continuous casting2E12 ingot are increased by9.08%and by61.58%,respec2 tively.In additio n,f ract ure mechanism of t he EMC ingot is characterized by quasi2cleavage crack.
K ey Words:2E12Aluminum Alloy,Electromagnetic C asting,Direct Chilling C asting,Microstructure,Me2 chanical Properties
Therm al Deform ation of Al2O3P articulate R einforced Aluminum Matrix Composites Cao J ia nga ng,Li Wenxue,Bao X iro ng(Material and Metallurgical School,Inner Mogolia University of Science and Technology,Baotou,China)2009,29(11)1045～1046
Abstract Thermal deformation behavior of Al2O3par2 ticulate reinforced aluminum mat rix composites fabri2 cated and p ure Al were tested by comp ression wit h t he Gleeble21500t hermal simulator at different deforma2 tio n temperat ure and different deformation rates.The result s show t hat t he flow st ress is increased wit h de2 creasing in deformation temperat ure and increasing in deformation rates.Al matrix composites were greatly st rengt hened by Al2O3particulate as a result of re2 st raining dynamic recrystallization in t he compo sites. K ey Words:Al2O3Particle,Al Matrix Composites, Stress2strain Curves,Thermal Deformation
Preparation of Bimetal Cladding Composites by Air Pressing Push2out Core Filled Continuous C asting Li Ho ngying,Li Sha,Li a ng He,Du Y u,Liu Zenghui, Wu Chunjing(School of Materials Science and Engi2 neering,University of Science and Technology Bei2 jing,Beijing,China)2009,29(11)1047～1049 Abstract Pb cladding Sn bimetal composite rods wit h8 mm in inner diameter and12mm in outer diameter were p repared wit h self2developed equip ment by air2 p ressing p ush2out core filled continuous casting.The appearance,fract ure morp hology and interface of t he compo site rod were observed by OM(optical micro2 scope).The result s show t hat continuous stable com2 po site rods exhibit desirable surface quality and uni2 form cladding t hickness as well as metallurgical bond2 ing in interface.
K ey Words:Composite R od,Air Pressing Push2out, Core Filled Continuous C asting,Bimetal
Microstructure and Properties of Spray Deposited Al2 17Si24Fe22Mn23Ni23.5Cu21Mg Alloy Shi Haif a ng1,2, Qu Bolin1,Y ua n X i ao gua ng1(1.School of Materials Science and Engineering,Shenyang U niversity of Technology,Shenyang,China;2.School of Materials Science and Engineering,Liaoning Technical Univer2 sity,Shenyang,China)2009,29(11)1050～1053 Abstract Microstruct ure,t hermal stability and me2 chanical p roperties of spray2deposited prepared Al2 17Si24Fe22Mn23Ni23.5Cu21Mg alloy were investigated by OM(optical microscope),XRD(X2ray diff raction) and SEM(scanning elect ro n micro scope).The result s reveal t hat t he microst ruct ure of t he alloy is compo sed of lot s of dispersed granular p hase,a little block2like p hase and eutectic mat rix.Obvious coarseness of pri2
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