金屬材料的晶粒細化方法(一)
  發(fā)布時間:2023年01月31日 點擊數(shù): 661

目前實現(xiàn)鋼鐵材料晶粒細化的方法主要有:冶金處理細化、熱處理與加工工藝兄淫、磁場或電場處理細化炫七、機械球磨法策橘、非晶晶化法肛真。

  1写妥、凝固組織細化技術

  由金屬凝固理論可知媚污,等軸晶的形成條件是:凝固界面前沿的液相中有晶核來源断医,在液相中存在晶核形成和生長所需的過冷度泰鸡。因而對金屬和合金材料凝固組織的細化债蓝,無外乎是基于以下的基本原理:增加液相中的形核質點,提高形核率盛龄;降低晶核的長大速度或抑制晶核的長大饰迹;控制結晶前沿的溫度分布等。目前余舶,金屬凝固組織細化方法主要有四類:(1)澆注過程和傳熱條件控制方法;(2)化學處理方法啊鸭;(3)機械處理方法;(4)外加物理場方法匿值。

  1)澆注過程和傳熱條件控制方法

澆注過程和傳熱條件控制方法包括澆注工藝控制技術赠制、低溫澆注、提高冷卻速度和增加過冷度等挟憔。在鑄件澆注過程中钟些,通過控制澆注工藝,如進行緩慢澆注或合理設置澆口等措施绊谭,能細化金屬凝固組織政恍。除了控制澆注方式外,降低澆注過熱度达传,在接近于液相線溫度下澆注也是細化凝固組織篙耗、擴大等軸晶區(qū)的有效方法。提高冷卻速度快速凝固可明顯細化金屬的凝固組織宪赶,獲得非常好的細化效果宗弯。薄板坯連鑄工藝使鑄坯的凝固冷卻速率提高1~2個數(shù)量級,快速凝固使二次枝晶臂間距減小搂妻,最小臂間距可達到亞微米級蒙保。在提高冷卻速度基礎上,通過去除液相中的異質晶核(熔體凈化)叽讳,抑制低過冷度下的形核追他,使合金液獲得很大過冷度坟募,在大過冷度下產(chǎn)生爆發(fā)式形核,也能細化金屬凝固組織邑狸,該方法即為深過冷凝固技術懈糯。熔體的凝固速率與其過冷度有關,過冷度越大单雾,凝固速率越快赚哗。 

  2)化學處理方法

化學處理的方法是指向金屬熔體中添加少量的化學物質或化學元素。這種物質一般稱為孕育劑或變質劑硅堆。該方法操作簡便屿储,細化效果顯著。但要求孕育劑細小且彌散才能有效細化晶粒渐逃,否者將影響鋼鐵材料的性能够掠。鋼液中存在的固態(tài)化合物可以作為鋼液凝固初生鐵素體相或者初生奧氏體相的形核核心,促進鋼液非均質形核茄菊,從而實現(xiàn)凝固組織的細化疯潭。根據(jù)點陣錯配度理論和經(jīng)驗電子理論,對δ-Fe非均質形核有顯著效用的孕育劑為CaS面殖、La2O3竖哩、TiN、Ce2O3脊僚、TiC相叁、CeO2、Ti2O3辽幌、TiO2增淹、MgO;對γ-Fe非均質形核有顯著效果的孕育劑為ZrO2舶衬、Ti2O3埠通、MnS、SiO2逛犹、MnS端辱、CaO、Al2O3虽画、CeO2舞蔽。

  3)機械處理方法

機械處理方法主要包括機械攪拌和機械振動兩種方法。采用機械攪拌可造成液相和固相之間產(chǎn)生不同程度的相對運動码撰,即液態(tài)金屬的對流運動渗柿,從而引起枝晶臂的折斷、破碎和增殖,達到細化晶粒的目的朵栖。但該方法存在兩方面不足颊亮,一是對熔體攪拌時,易卷入氣體陨溅,且得不到金屬液的及時補充终惑,易形成氣孔、縮松等缺陷门扇;二是對高熔點的金屬液進行攪拌時雹有,攪拌器損耗嚴重,對金屬熔體造成污染臼寄,產(chǎn)生新的質量問題霸奕。采用機械振動的方法也是借助金屬熔體的對流運動破碎枝晶、引起晶核增殖來達到凝固組織細化的目的吉拳。但該方法在操作中质帅,當機械振動頻率提高時,金屬凝固組織細化效果會降低合武,引起鋼錠碳化物偏析和疏松嚴重等問題临梗。

  4)外加物理場方法

外加物理場處理技術是在金屬凝固前或凝固過程中對金屬熔體施加物理場涡扼,利用金屬和物理場的相互作用稼跳,改善其凝固組織。該技術具有環(huán)境友好吃沪、操作簡便等優(yōu)點汤善。目前該領域的研究熱點主要集中在以下3個方面:(1)讓電流通過金屬熔體,即電流處理;(2)讓金屬熔體在磁場中凝固票彪,即磁場處理红淡;(3)對金屬熔體進行超聲波處理。電場作用于熔點附近的凝固系統(tǒng)時降铸,金屬液中近程有序原子團的結構在旱、尺寸和數(shù)量都會隨著電場強度、方向而變化推掸,加劇了結構起伏桶蝎、能量起伏及溫度起伏,從而促進均質形核谅畅。當有快速變化的強脈沖電流通過金屬熔體時登渣,將在熔體內產(chǎn)生快速變化的強脈沖磁場。強脈沖電流和強脈沖磁場之間的相互作用會在金屬熔體內產(chǎn)生很強的收縮力毡泻,使熔體反復地被壓縮胜茧,并使熔體在垂直于電流方向作往復運動。往復運動除了碎斷樹枝晶外仇味,同時還使熔體迅速失去過熱呻顽、提高形核率雹顺。所以脈沖電流愈強,細化效果愈顯著廊遍。在交變磁場作用下无拗,凝固系統(tǒng)內將產(chǎn)生一個感應電流,磁場與感應電流之間發(fā)生電磁作用昧碉,產(chǎn)生電磁力英染,其方向是沿徑向將金屬壓向或拉離軸心,從而使凝固體系產(chǎn)生了規(guī)則的波動被饿。這種波動對凝固過程的影響與通常的強化對流產(chǎn)生的影響沒有實質區(qū)別四康,因此,交變磁場具有細化晶粒的作用狭握。從磁場帶來的波動效應看闪金,磁感應強度越大,電磁壓力越大论颅,因而波動越激烈哎垦,晶粒細化效果越顯著。但是在磁感應強度增加的同時恃疯,感應電流也成比例地增加漏设,這相應地會在凝固體系內增大熱效應,從而使過冷度減小今妄,進而使形核率下降郑口,所以磁感應強度過大時,會引起晶粒粗化盾鳞。因此犬性,磁場強度與晶粒細化效果之間的關系曲線應是一條有極值的曲線。脈沖磁場使熔體內產(chǎn)生脈沖渦流腾仅。渦流和磁場之間相互作用產(chǎn)生洛侖茲力和磁壓強乒裆。它們是劇烈變化的,且其強度遠大于金屬熔體的動力壓強推励,這就使金屬熔體產(chǎn)生強烈振動鹤耍。這種振動一方面增加了熔體凝固中的過冷度,提高了形核率吹艇;另一方面在熔體內造成了強迫對流惰蜜,使凝固過程中樹枝晶或難以長大,或被折斷受神、擊碎抛猖,而這些破碎的枝晶顆粒游離于結晶前沿的液體中又會成為新的生長核心。所以脈沖磁感應強度愈大,細化效果愈顯著财著。強磁場或電場與溫度联四、壓力、化學成分等因素一樣撑教,也是影響金屬相變的重要因素朝墩。首先,由于不同相具有不同的磁導率或電介質常數(shù)伟姐,電磁場將影響其吉布斯(Gibbs)自由能進而影響到γα相變溫度收苏。在熱軋過程中采用間斷斷施加磁場或電場的方法可以改變Ae3溫度,反復進行奧氏體/鐵素體相變愤兵,進而促進鐵素體晶粒細化鹿霸。另外,電磁場將影響原子遷移的擴散速度和相形態(tài)秆乳。外加磁場或電場將增大淬火冷卻時從奧氏體向馬氏體轉變的相變驅動力懦鼠,即可獲得與增大過冷度相同的效果,從而增加馬氏體的形核率屹堰,并且降低其生長速度肛冶,達到組織細化的目的。在強磁場或電場淬火時扯键,具有隨著場強度的增大睦袖,獲得的淬火馬氏體的尺寸就越細的規(guī)律。超聲波在液體中傳導時忧陪,將會產(chǎn)生周期性的應力和聲壓變化扣泊,在聲波的波面處形成很強的壓強梯度,產(chǎn)生局部的高溫高壓效應嘶摊,這種效應導致瞬間的正壓、負壓變化评矩,致使結晶過程中固/液界面正在形核叶堆、長大的晶胚脫落下來,它們漂移到熔體的各個部位斥杜,從而改變了固/液界面的結晶方式虱颗。液體中產(chǎn)生的空化和攪動作用使合金液整體的溫度和化學成分均勻化,細化了合金顯微組織蔗喂,減輕了合金的宏觀偏析傾向忘渔,提高了鑄態(tài)組織均勻性。

                                                                                                       文章摘自:每天學點熱處理

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