Зерновое рафинирование литой организации деформированных алюминиевых сплавов высокого класса
2025-04-18
1.Методы рафинирования зерна деформированного слитка алюминиевого сплава
В промышленном производстве для рафинирования зерна литой ткани в основном используются такие методы, как метод эндогенной плазменной точки и метод экзогенной плазменной точки.Среди них первый включает в себя метод быстрого затвердевания и кинетический метод, а второй - в основном метаморфическую обработку.
1.1Метод быстрой кристаллизации
Быстрое затвердевание - это использование высоких скоростей охлаждения для получения мелкозернистой организации.Как правило, размер зерна уменьшается с увеличением скорости охлаждения.В то же время при быстром охлаждении уменьшается расстояние между дендритами, что позволяет получить более однородную внутреннюю организацию зерна, что положительно сказывается на последующей обработке и деформации.Метод быстрого затвердевания мало используется в традиционном методе литья деформированного алюминиевого сплава (например, полунепрерывное литье), но сочетание технологии быстрого охлаждения и процесса порошковой металлургии позволяет получать крупногабаритные высоколегированные слитки с мелким зерном и однородным составом, типичным представителем которых является процесс литья под давлением, который используется для производства части слитков алюминиевого сплава марки 7×××.
Рисунок 1 Взаимосвязь между скоростью кристаллизации и размером зерна
1.2 Кинетический метод
Кинетический метод относится к использованию различных методов вибрации, чтобы металлический расплав в процессе затвердевания увеличил точку зарождения плазмы, максимально увеличил образование ядер и таким образом достиг цели измельчения зерна.Методы вибрации в основном включают механическое перемешивание, механическую вибрацию, электромагнитное перемешивание, акустическую и ультразвуковую вибрацию.
(1) Механическое перемешивание и вибрация.Благодаря тому, что расплав алюминиевого сплава в процессе затвердевания подвергается механическому перемешиванию и вибрации, формируется трехмерный пространственный поток, сложный теплообмен, массообмен и другие физико-химические эффекты изменяют структуру расплава и энергию ундуляции, так что состав расплава стремится быть однородным, а для процесса кристаллизации зарождения и роста создаются благоприятные термодинамические и кинетические условия.Кроме того, перемешивание и вибрация также способствуют разрушению дендритной руки сплава, дендритные фрагменты в расплаве могут стать новым зерном, зарождающимся в предпочтительном месте, зарождение в месте увеличения зарождения означает, что может произойти более неоднородное зарождение, и таким образом для уточнения зерен играет важную роль.Механическое перемешивание и вибрация в промышленном производстве широко используются, являются важной частью производства литья расплава.
(2) Электромагнитное перемешивание.Электромагнитное перемешивание применяется при литье алюминиевого сплава, металлический расплав регулярно течет под действием электромагнитного поля, так что состав расплава и температура каждой детали стремятся быть однородными.С увеличением скорости потока расплава, размер столбчатого зерна по длине и ширине становится меньше, начальное образование дендритов при перемешивании нарушается и в качестве нового центра нуклеации, так что количество ядер значительно увеличивается; в то же время, эта сильная конвекция ускоряет процесс охлаждения внутреннего расплава, чтобы уменьшить градиент температуры, что способствует получению тонкой и равномерной равноосной кристаллической организации.Электромагнитное перемешивание и механическое перемешивание по сравнению с целью и ролью двух одинаковы, разница в том, что первый является использование электромагнитной индукции генерируется электромагнитной силы для содействия регулярного потока металла и второй полагаться на мешалку или манипулятор и другие механические силы для достижения эти два были применены в машиностроении.
(3) Ультразвуковая вибрация.Ультразвук - это высокочастотные звуковые волны, в жидкости распространяются молекулы жидкости под действием периодического переменного акустического поля и производят эффекты акустической кавитации и акустического потока.Они вызывают изменения в потоке, давлении и температурных полях в расплаве, создавая локальные эффекты высокой температуры и давления.Жидкость вибрирует таким образом, что дендритные рукава отрываются от фронта затвердевания и выступают в качестве гетерогенных ядер зарождения в расплаве, а диспергирующее воздействие ультразвука на расплав приводит к более однородному распределению плазмы.Кроме того, ультразвуковая металлургия может удалять газ и шлак, являясь технологией очистки расплава.
1.3 Метаморфическая обработка
Метаморфическая обработка заключается в добавлении небольшого количества активных веществ в металл, чтобы способствовать внутреннему зарождению жидкого металла или изменить процесс роста кристаллов, производство широко используемых метаморфических агентов нуклеации метаморфического агента и адсорбции метаморфического агента.
(1) Нуклеационный метаморфический агент.Нуклеационный метаморфический агент представляет собой механизм добавления в расплав может производить неспонтанное зарождение материала, так что в процессе затвердевания через гетерогенное зарождение и достижение цели рафинирования зерна, нуклеационный метаморфический агент является широко используемым в технике метаморфическим агентом, также известным как агент рафинирования зерна.В обычном смысле, необходимо добавить агент рафинирования зерна в реакции с алюминиевым расплавом для создания соединений со следующими характеристиками, такими как кристаллическая структура и константы решетки, совместимые с алюминиевым расплавом, температура плавления соединения высокая и термически стабильная, дисперсия в алюминиевом расплаве хорошая и может быть равномерно распределена в расплаве, и, кроме того, он не может загрязнять алюминиевый расплав.Промышленное производство широко используемого рафинирующего агента Al-Ti-B (показано на рисунке 2) и Al-Ti-C двух видов, первый в настоящее время признан как наиболее эффективный рафинирующий агент, если вы добавите небольшое количество редкоземельных элементов и его рафинирующий эффект более очевиден.
(2) Адсорбционный метаморфический агент.Адсорбция метаморфического агента характеризуется низкой температурой плавления, может значительно снизить температуру жидкой фазы сплава, атомный радиус большой, твердая растворимость в сплаве мала, при росте кристаллов обогащается жидкофазная граница раздела, препятствуя росту кристаллов, но и образованию более крупных компонентов переохлаждения, так что дендриты образуют мелкие утолщения и легко плавятся, а также способствуют увеличению кристалла свободного и ядра кристалла.Недостатком является то, что из-за наличия дендритов и границ зерен, часто вызывающих термическое охрупчивание.В настоящее время в промышленности широко используются такие модификаторы, как натрийсодержащие и стронцийсодержащие.
2.Сравнение различных методов рафинирования
Методы быстрого затвердевания трудно использовать для крупных отливок, особенно для полунепрерывного литья, где выбор скорости охлаждения необходим в первую очередь для обеспечения формообразования слитка, а выбранные параметры не могут быть изменены по своему усмотрению.Хотя кинетический метод обладает хорошим рафинирующим эффектом, но одного этого недостаточно для получения тонкой и равномерной организации состояния отливки, к тому же электромагнитное перемешивающее оборудование сложное и комплексное, не простое в ремонте и обслуживании.С углублением промышленного понимания процесса производства пластин, полос, фольги, труб, профилей и отливок из алюминия и алюминиевых сплавов становится ясно, что добавление рафинирующего агента в алюминиевый расплав для рафинирования в настоящее время является наиболее практичным и эффективным методом рафинирования зерна, с эффектом рафинирования зерна, быстротой, простотой в эксплуатации, адаптивностью и другими преимуществами.
3.Средство для рафинирования зерна деформированного алюминиевого сплава
Как уже упоминалось выше, существуют различные методы измельчения зерна деформированных алюминиевых сплавов, но с точки зрения практического применения наиболее практичным и эффективным методом измельчения зерна в настоящее время является добавление в расплав рафинирующих агентов.Ниже будет рассмотрена разработка рафинирующего агента, приготовление рафинирующего агента, роль рафинирующего агента в механизме и применение на нескольких уровнях, чтобы сделать краткое введение.
3.1 Разработка рафинирующих агентов для алюминиевых сплавов
Развитие зерноочистителей можно отнести к периоду после Второй мировой войны, когда алюминиевая промышленность начала сильно развиваться, а мировое производство алюминия в 1948 году составляло около 2 Мт/год. Для того чтобы удовлетворить потребности развития переработки алюминия, особенно необходимость постоянного улучшения качества, зерноочистители алюминиевых сплавов в производительности, качестве и использовании передовых технологий добились соответствующего прогресса.История развития зерноочистительных установок для алюминиевых сплавов примерно делится следующим образом на каждые 10 лет [1]:
1940-е годы Ti, B, Zr, Nb солевые плавители;
1950-е годы Ti, B солевые плавители;
В 1960-е годы - блочные слитки Al-Ti (5,6 и 10 процентов Ti), блочные слитки Al-Ti-B (Ti:B 5:1);
В 1970-х годах - проволока Al-Ti-B (Ti:B от 5:1);
В 80-е годы - нити Al-Ti-B (Ti:B 5:l, 3:l, 5:0.2, 5:0.1, 3:0.5 и т.д.).
С 90-х годов по настоящее время новое поколение исследований рафинирующего агента является представителем направления исследований Al-Ti-C и Al-Ti-B-RE и т.д..
3.2 Метод приготовления рафинирующего агента для алюминиевых сплавов
(l) Титановый агент блочного типа, процесс подготовки: метод порошковой металлургии будет ниже 100 меш высокочистого титанового порошка, солей и небольшого количества антиоксиданта, восстановителя и связующего вещества после достаточного смешивания и прессования.
(2) Солевой рафинирующий агент, процесс подготовки: KTiF4, KBF4, отягчающий агент, C2C16 и другие порошкообразные вещества полностью смешиваются, а затем смесь превращается в порошок, блок или хлопья через определенный процесс.Состав таких продуктов варьируется в зависимости от страны, в нашей соли рафинирующий агент содержит титан около 15%, бор около 2%.
(3) Промежуточный сплав типа рафинирующего агента Al-T - (B, C, B-C, B-RE), подразделяется на слитки и проволоку двух видов, которые промежуточный сплав-типа зерна рафинирующего агента метод подготовки слитка в соответствии с сырьем подразделяется на фтористые соли, оксиды, чистый металл метод.Фтористые соли метод Ti и B щелочных металлов фтор соль в определенной пропорции добавляется в расплавленный алюминиевый расплав, после определенного процесса и образования A1-Ti-(B) промежуточного сплава; оксид метод Ti и B в виде оксидов добавляется в расплавленный алюминиевый расплав, через алюминий реакции термического восстановления и поколения Al-Ti-(B) промежуточных сплавов, или электролиз системы, содержащей B2O3 и TiO2 (такие как).Na2AlF6-MgF2-B2O3-TiO2) в электролитической ячейке с алюминиевым расплавом в качестве катода для осаждения Ti и B и образования промежуточного сплава A1-Ti-B; метод чистого металла основан на реакции частиц чистого титана и фтористых солей щелочных металлов B с алюминиевым расплавом для образования TiAl3 и TiB2, и, наконец, образования промежуточного сплава Al-Ti-B.
3.3 Механизм действия рафинера для алюминиевых сплавов
3.3.1 Теория фазовой диаграммы/кристаллических включений
Теория фазовой диаграммы/включения была впервые предложена Кроссли и Мондольфо [2] и поддерживается значительным числом исследователей.Эта теория предполагает, что реакция включения Al3Ti в растворы алюминиевых сплавов является основным механизмом измельчения зерна, а экспериментальные результаты показали, что ряд соединений, подобных Al3Ti, таких как Al3Zr, Al3Sc, Al10V, Al3Ni, Al7Cr и AlB2, являются частицами в алюминиевых сплавах со значительной способностью к зарождению.Эти частицы имеют, по крайней мере, одну связь с алюминиевой матрицей, и несоответствие в этой связи настолько мало, что эти частицы способны зарождаться при очень низком или даже нулевом переохлаждении.Теория основана на реакции включения (L+Al3Ti→α-Al) на фазовой диаграмме Al-Ti.Однако теория имеет и свои недостатки: как видно из фазовой диаграммы Al-Ti, для протекания реакции инкапсуляции элементный состав Ti в растворе алюминиевого сплава должен достигать не менее 0,15 мас. %, в то время как в действительности содержание элемента Ti в расплаве значительно ниже этого значения.
Рис. 3 Фазовая диаграмма тернарного сплава Al-Ti-B Угол обогащения Al:
(a) жидкая фаза;
(b) Границы фаз в области твердого состояния при эвтектической температуре
3.3.2 Теория карбид-боридных частиц
Теория карбидных/боридных частиц была впервые предложена Цибулой [3].Теория предполагает, что при добавлении промежуточного сплава в расплав Al3Ti быстро растворяется, а TiB2 и TiC способны стабильно существовать в расплаве в качестве гетерогенной подложки для зарождения и таким образом измельчать зерна. TiB2 представляет собой плотно расположенную гексагональную структуру с кристаллографическими константами a=0,30311 нм и c=0,32291 нм.Несоответствие между (0001) гранью TiB2 и (111) гранью α-Al составляет менее 15%, что делает TiB2 потенциальной подложкой для зарождения α-Al с точки зрения совпадения решеток. TiC представляет собой гранецентрированную кубическую структуру с кристаллографической постоянной a=0,431 нм и несоответствием 6,1% с постоянной решетки α-Al, которая также может быть использована в качестве потенциальной подложки для зарождения α-Al.В сплавах с добавлением рафинеров Al-Ti-B образуется большое количество частиц AlB2, TiB2 и (Al, Ti)B2, которые диспергируются в расплаве сплава и служат для рафинирования зерен в виде ядер зарождения.
3.3.3 Теория зарождения сложных фаз
Теория зарождения сложной фазы является одной из наиболее популярных теорий измельчения зерна.Согласно этой теории, в процессе измельчения зерна промежуточный сплав Al-Ti-B/C, добавляемый в расплав алюминиевого сплава, вносит большое количество частиц TiB2/TiC, и в процессе зарождения TiB2/TiC сначала используется в качестве ядра, образуя слой пленки с высоким содержанием Ti- на поверхности частиц, а затем на основе пленки образуется фаза Al3Ti, которая в итоге становится ядром зарождения α-Al и таким образом измельчает зерно.Теория зарождения сложных фаз была впервые предложена Моханти [4] и другими авторами.Однако эта теория не очень развита, некоторые исследователи обнаружили, что в их экспериментах α-Al зарождается непосредственно на поверхности частиц TiB2 и только на стороне (0001) частиц TiB2, но причина этого до сих пор не выяснена.Тем не менее, можно с уверенностью сказать, что эффект рафинера зерен связан с характеристиками частиц TiB2.
Рис. 4 Зарождение TiAl3 на границе раздела фаз TiB2:
(a) Одиночное зарождение;
(b) Множественная нуклеация
3.4 Инженерные применения зерноочистителей для алюминиевых сплавов
При инженерном применении рафинера зерна необходимо учитывать количество добавок, температуру добавок, время отдыха и другие факторы.В частности, проблема количества добавки, результаты исследований показывают, что промежуточные сплавы Al-Ti-B, содержащие Cr, Zr, Mn, V и другие элементы сплава, производят эффект рафинирования спада (т.е. явление "отравления") [5].Легирующие элементы, вызывающие эффект "отравления" промежуточного сплава, будут смещаться вокруг частиц TiB2 или TiC и реагировать с элементами Ti, изменяя поверхностные физико-химические свойства частиц TiB2 или TiC, так что поверхностная активность частиц TiB2 или TiC снижается, а межфазная совместимость с расплавом алюминия ухудшается, и функция зарождения поверхности зарождения α-Al на поверхности промежуточного сплава снижается.Его поверхностное зарождение работы зарождения увеличивается, а эффект измельчения зерна уменьшается.Что касается влияния времени отстаивания, то рафинирующая способность промежуточного сплава снижается по мере увеличения времени выдержки алюминиевого расплава после добавления промежуточного сплава. Limmaneevichitr и Eidhed [6] отметили, что это явление спада рафинирования объясняется агломерацией и осаждением в расплаве частиц TiB2 и TiC промежуточного сплава, которые выступают в качестве потенциальной подложки для нуклеации.Экспериментально установлено, что после длительной выдержки количество частиц TiB2 и TiC в нижней части тигля значительно увеличивается, а размер зерна в нижней части значительно меньше, чем в верхней.Некоторые ученые [7] считают, что явление снижения степени рафинирования промежуточного сплава со временем связано с трансформацией частиц TiB2 и TiC. Растворимость частиц TiB2 и TiC в алюминиевом расплаве мала, но с увеличением времени структура поверхности изменяется и теряет свою активность, что приводит к снижению эффекта рафинирования.
Рис. 5 Влияние элемента Zr на эффект рафинирования промежуточного сплава Al-5Ti-B (730℃)
