伍德合金凝固組織研究范文

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《安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報》2016年第2期

摘要：

以伍德合金為研究對象，在熔融狀態(tài)下對其進(jìn)行脈沖電場孕育處理，分析脈沖電壓、孕育處理時間、脈沖頻率對伍德合金凝固組織的影響。結(jié)果表明，脈沖電場孕育處理可以細(xì)化伍德合金的凝固組織，使其中的Cd相平均尺寸變小。一定電壓范圍內(nèi)，隨著脈沖電壓的增大，伍德合金凝固組織細(xì)化程度愈明顯，電壓增大到6V后，細(xì)化作用減弱；孕育處理效果與處理時間密切相關(guān)，一定時間范圍內(nèi)，隨處理時間的延長，伍德合金凝固組織細(xì)化程度愈明顯，40s時Cd相平均尺寸最小，為29.86μm，較未處理時減小了63.60%，之后細(xì)化程度減弱；隨著脈沖頻率的增大，脈沖孕育處理細(xì)化伍德合金凝固組織的效果先增強(qiáng)后減弱，脈沖頻率為50Hz時，細(xì)化效果最明顯，凝固組織中Cd相平均尺寸為24.15μm。

關(guān)鍵詞：

脈沖電場；孕育處理；伍德合金；凝固組織

自Nakada等[1]首次使用脈沖電流作用于Sn-Pb合金的凝固過程細(xì)化合金凝固組織以來，科研工作者們利用脈沖電場處理技術(shù)開展了一系列的實驗研究。如洪鵬等[2]，廖有友等[3]研究表明，脈沖電場和稀土能有效減小晶界偏聚，改善凝固組織，并能有效細(xì)化夾雜物，控制夾雜物形貌；王建軍等[4]發(fā)現(xiàn)脈沖電流能有效控制鋼的凝固組織，減小柱狀晶，增大等軸晶區(qū)；陳克全等[5]研究顯示，電極側(cè)插式，純銅晶粒效果細(xì)化最明顯，坩堝式電極次之，平行電極效果最差；孫玉玲等[6]研究表明，電場脈沖處理后銅錫合金鑄態(tài)組織明顯改善，偏析減輕，組織更加均勻，進(jìn)而提高了材料的力學(xué)性能；郭麗麗等[7]利用定向凝固的方法，研究了脈沖電場對Al-5.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Cu合金柱狀晶間距的影響，結(jié)果顯示脈沖電壓愈大，柱狀晶間距愈大，冷卻速率越快，脈沖電場作用效果對冷速的響應(yīng)越明顯。綜上所述，脈沖電場處理已憑借其處理方法簡單、無污染、細(xì)化效果明顯的特點，成為近年來金屬凝固控制技術(shù)的重要發(fā)展方向。伍德合金是以金屬鉍為基的一類低熔點合金，其熔融狀態(tài)下的電導(dǎo)率和黏度與鋼液相近，常用來模擬鋼液的攪拌和流場分布[8-10]，而利用其研究鋼液凝固過程的報道較少。鑒于此，筆者采用脈沖電場對伍德合金進(jìn)行孕育處理，研究其對伍德合金凝固組織的影響，并就其作用機(jī)理進(jìn)行初步探討。

1實驗

1.1實驗材料與設(shè)備

實驗材料為伍德合金，主要成分為w(Bi)=50%，w(Pb)=26.7%，w(Sn)=13.3%，w(Cd)=10%，結(jié)晶點約71.6℃。實驗裝置示意圖如圖1，主要設(shè)備有GM200A-12V高頻脈沖電源、電子恒溫不銹鋼水浴鍋、測溫控溫溫度計、電極等。

1.2實驗方法

將500g伍德合金裝入燒杯，在恒溫水浴槽內(nèi)加熱到85℃并保溫1h，將脈沖電流引入熔融伍德合金液中，按照不同設(shè)計參數(shù)(如表1)進(jìn)行脈沖電場孕育處理。將脈沖電場孕育處理的伍德合金澆鑄到鋼錠模中空冷至室溫；對所得合金錠沿縱向剖開，研磨、拋光，用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精侵蝕后在金相顯微鏡下觀察其顯微組織，并用ImageJ軟件對伍德合金凝固組織中Cd相的尺寸進(jìn)行統(tǒng)計，作為脈沖電場孕育處理細(xì)化效果的評價依據(jù)。為消除電極的冷卻效應(yīng)，在電極插入伍德合金熔體前先預(yù)熱10min，并在熔體中保持5min后施加脈沖電流。

2實驗結(jié)果及分析

2.1脈沖電壓對凝固組織的影響

固定脈沖電場的頻率為30Hz，在不同脈沖電壓下對500g伍德合金熔體孕育處理60s，所得試樣的凝固組織和凝固組織中Cd相尺寸統(tǒng)計結(jié)果分別如圖2，3。其中：黑色針狀為Cd；白色為Bi；其他為Pb7Bi3和Sn。由圖2，3可以看出：未經(jīng)脈沖處理的伍德合金中Cd相晶粒粗大(平均為82.04μm)，且尺寸差別較大、分布不均勻；脈沖電壓為4V時，伍德合金中Cd相平均尺寸為53.27μm，增大脈沖電壓到6V時，伍德合金中Cd相平均尺寸減小為31.15μm，較未處理時減小了62.03%，且分布更加均勻；進(jìn)一步增大脈沖電壓，伍德合金中Cd相平均尺寸略有增大，但其凝固組織更加細(xì)小，表明脈沖電場孕育處理可以明顯細(xì)化伍德合金凝固組織，其中Cd相平均尺寸明顯減小。根據(jù)液態(tài)金屬團(tuán)簇結(jié)構(gòu)假說和電脈沖孕育處理機(jī)理[11]，當(dāng)脈沖電場作用于金屬熔體時，其晶胚外電層結(jié)構(gòu)將發(fā)生畸變，部分金屬原子與晶胚結(jié)合形成符合幻數(shù)特征的大尺度團(tuán)簇，進(jìn)而形成穩(wěn)定晶胚，從而實現(xiàn)晶胚孕育，增加凝固形核核心，細(xì)化其組織。從能量的觀點分析，較低和較高的脈沖電壓都不利于熔體中小尺寸團(tuán)簇向穩(wěn)態(tài)團(tuán)簇的畸變長大，故脈沖電壓存在最佳值。本實驗中，脈沖電壓為6V時，伍德合金凝固組織相對較細(xì)小且分布較為均勻。

2.2孕育時間對凝固組織的影響

用6V，30Hz的脈沖電流對500g伍德合金分別孕育處理20，40，60s，所得試樣的凝固組織及Cd相的平均尺寸分布分別如圖4，5。由圖4，5可以看出：脈沖電場孕育處理時，伍德合金凝固組織的細(xì)化效果與孕育處理時間密切相關(guān)，孕育處理時間相對較短時(20s)，伍德合金凝固組織略細(xì)化，其中Cd相平均尺寸與未處理時相比有所減小，但Cd相平均尺寸仍有49.16μm；隨著孕育處理時間的延長，凝固組織中Cd相平均尺寸減小，分布更加均勻；孕育處理40，60s時，伍德合金凝固組織中Cd相平均尺寸分別為29.86，31.15μm，較未處理時分別減小了63.60%和62.03%。根據(jù)電脈沖孕育處理機(jī)理，在一定時間范圍內(nèi)，隨著脈沖電場孕育處理時間延長，在電場力作用下依附到小尺寸團(tuán)簇上的Cd原子會越多，單位體積內(nèi)Cd原子與晶胚結(jié)合成符合幻數(shù)特征的大尺度團(tuán)簇也越多，因此伍德合金凝固組織得到細(xì)化。如果脈沖處理時間超過一定限度后，處于亞穩(wěn)態(tài)團(tuán)簇中的小粒子可能逃逸出來，甚至使處于穩(wěn)態(tài)位置中的小粒子能量瞬間爆發(fā)，致使可能成為形核核心的團(tuán)簇數(shù)目減少，形核率降低，細(xì)化效果變差。所以隨著孕育處理時間的進(jìn)一步延長，伍德合金凝固組織的細(xì)化程度有所減弱。

2.3脈沖頻率對凝固組織的影響

固定脈沖電場的電壓為6V，用不同頻率的脈沖電場對500g伍德合金熔體脈沖孕育處理40s，所得試樣的凝固組織如圖6，圖7為凝固組織中Cd相平均尺寸的統(tǒng)計結(jié)果。由圖6，7可看出：脈沖電場頻率對伍德合金凝固組織的細(xì)化有較大影響，隨著脈沖電場頻率的不斷提高，伍德合金凝固組織的細(xì)化程度不斷提高；脈沖電場頻率為30Hz時，伍德合金凝固組織顯著細(xì)化，其中的Cd相平均尺寸為29.86μm，較未處理時減小了63.60%；脈沖電場頻率為50Hz，伍德合金試樣中Cd相平均尺寸進(jìn)一步減小為24.15μm；脈沖電場頻率為80Hz，伍德合金試樣中Cd相平均尺寸相對有所增大，為33.82μm，但較未處理時仍減小了58.78%，伍德合金凝固組織仍得到很大程度的細(xì)化。脈沖頻率指單位時間內(nèi)放電的次數(shù)。實驗過程中增大孕育處理脈沖電場頻率，即增大單位時間內(nèi)向伍德合金熔體施加與撤銷電場的次數(shù)，相當(dāng)于延長脈沖作用時間。因此隨著脈沖電場頻率的增大，熔體中大尺寸團(tuán)簇數(shù)目增多，其形核率提高，伍德合金細(xì)化效果提高，其中的Cd相平均尺寸減小。

3結(jié)論

在不同參數(shù)下，采用脈沖電場對伍德合金的凝固組織進(jìn)行孕育處理，結(jié)果表明：

1)一定范圍內(nèi)，隨著脈沖電壓的增大，伍德合金組織細(xì)化程度明顯提高，當(dāng)脈沖電壓為6V時，伍德合金中Cd相平均尺寸減小為31.15μm，且分布更加均勻；進(jìn)一步提高孕育處理的電壓水平，其凝固組織得到細(xì)化，但Cd相平均尺寸較6V時略有增大，細(xì)化效果減弱。

2)伍德合金組織細(xì)化的效果與孕育處理時間密切相關(guān)，一定時間范圍內(nèi)，隨處理時間的延長伍德合金凝固組織細(xì)化程度愈明顯，40s時Cd相平均尺寸最小，為29.86μm，之后細(xì)化程度減弱。

3)脈沖電場頻率對伍德合金凝固組織的細(xì)化也有較大影響，隨著脈沖頻率的增大，脈沖孕育處理細(xì)化伍德合金凝固組織的效果先增強(qiáng)后減弱，脈沖頻率為50Hz時，細(xì)化效果最明顯，凝固組織中Cd相的平均尺寸為24.15μm。

參考文獻(xiàn)：

[2]洪鵬，王海川，李新，等.脈沖電場對Fe-C-P系合金熔體凝固過程的影響研究[J].過程工程學(xué)報，2011,11(1):79-84.

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作者:李航 李杰 夏云進(jìn) 李浩 單位:安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院