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倾斜式剪切冷却制备321不锈钢半固态材料

来源:至德钢业 日期:2019-02-25 00:59:36 人气:99

利用自制的实验装置对倾斜式剪切冷却技术制备321不锈钢半固态合金进行了研究倾斜式剪切冷却技术使熔融321不锈钢合金在剪切冷却作用下形成组织优良的半固态材料;在冷却板的冷却作用与重力的剪切作用下321不锈钢半固态合金逐渐由树枝晶演化为细小的球形晶;倾角、冷却板长度、冷却板表面性质对合金组织具有重要影响;在倾角为45°,冷却板长度为650mm,冷却板采用紫铜材质的条件下可制备出细小球形的321不锈钢半固态材料

半固态加工技术的研究始于20世纪70年代,美国MITFlemins最早开展了系统的研究工作。目前半固态流变与触变成形工艺已经成功应用于汽车零件和航空航天上使用部件的生产,并逐步应用于电子与电器结构部件的生产。倾斜式剪切冷却技术曾作为制备细晶材料的一种工艺手段被讨论过,并称之为被动凝固。作为一种新的半固态成形技术倾斜式剪切冷却技术首先由日本提出[10],用来制备铝合金与镁合金半固态材料。由于该设备简捷、易于实现的特点,有望解决钢铁材料的半固态成形问题。本文对倾斜式剪切冷却技术制备321不锈钢进行了研究。

1实验

所采用的实验材料为商业用321不锈钢,其化学成分(质量分数,%):C0.1,Si011,Mn210,Cr17143,Ni10163,Ti0159,S0103,P01035。其理论液、固相线温度分别为1450,1390,半固态区间温度范围为60℃。所采用实验装置如图1所示。考虑到冷却板导热性能,采用紫铜材质,冷却板内通有冷却水,根据研究需要表面进行一定的处理。

321不锈钢约在1600℃熔炼后进行浇注,合金液接触冷却板表面后开始冷却凝固。同时合金在重力作用下发生流动,并在流动过程中不断散失热量并不断形核与凝固,在一定的固相率下进入水冷的铸模。冷却板倾角α设定为45°。为进行对比观察和研究,采用了三种不同长度的冷却板装置。长度分别为300,450,650mm。为了研究合金在流动过程中的组织演化,当合金在冷却板表面流动冷却时,将过程中的冷却板迅速水平放置并使合金快速冷却,在剪切冷却过程中的等间距的3个位置进行取样,如图2d所示。取样并处理后观察合金组织演化。将冷却板表面粘涂一层耐火水泥后进行同样试验,以分析合金在金属与耐火水泥的不同媒质表面剪切冷却后的组织变化。将在不同的冷却板长度、不同冷却板表面媒质的条件下得到的合金坯料取样处理后进行对比观察。为观测结晶奥氏体的形貌,利用王水侵蚀321不锈钢试样时,试样观测表面在空气中会快速发生氧化,模糊不清,影响光学显微镜照片的拍摄效果。因此,在试样侵蚀时采用王水与混合酸配合使用的办法进行侵蚀观察。

2实验结果与分析

2.1倾斜式剪切冷却制备321不锈钢的组织演化

2是在冷却板长度为650mm,α=45°条件下,浇注过程中迅速将冷却板水平放置并冷却,在冷却板上得到的321不锈钢合金组织,2a图2c对应于图2d中所示a,b,c3个位置。

随着合金在冷却板表面不断向下移动,受到冷却板的冷却作用与重力作用,合金逐渐由发达的树枝晶向细小的球形晶或近球形晶演化。在位置a,即在冷却板上剪切冷却作用时间较短,树枝晶已经发生了剪切破碎,二次枝晶臂与三次枝晶臂从主干上分离下来(2aA),部分一次枝晶发生断裂(2aB)。同时由于冷却速度较快,合金凝固后保留了破碎的枝晶臂,组织细小。由于剪切作用时间较短,枝晶组织还比较多,如图2a所示。随着合金沿着冷却板向下移动,枝晶发生进一步的破碎,破碎的枝晶臂游离生长,晶粒有所长大,尚有少量的枝晶,如图2b所示。在剪切冷却作用时间较长的位置处,合金基本由全部的近球形的组织组成,树枝晶完全得到破碎与改善,如图2c所示。虽然有许多学者对有色、轻质合金的半固态材料的非枝晶组织的演化机制做了大量研究,但是目前还缺乏统一的认识。钢铁材料的半固态成形的技术难度大,其非枝晶组织的转变机制尚不清楚。综合来看,有关非枝晶转变的机制主要有两种[19]:①枝晶破碎→球化机制,但在这种观点中,对于枝晶的破碎机制也众说纷纭,主要有三种解释:枝晶臂机械剪切断裂机制,枝晶臂塑性弯曲诱导晶界上的液相浸润机制,枝晶生长熟化过程引起的枝晶根部熔断机制;②熔体整体爆发形核与枝晶抑制生长机制。合金在倾斜式剪切冷却的过程中形成大量晶核并不断发生球化,该过程与枝晶抑制生长机制有关,但是该过程中合金发生动态凝固过程,合金的形核与生长过程比较复杂,很难用某一种传统的球化理论来解释。Motegi等认为由于在冷却板表面产生的大量晶核被带到铸模中,从而使合金发生细化和球化[10]。这种机制与低温液相线铸造过程合金的形核过程类似,不同之处在于合金是依附在冷却板表面形核,属非均匀形核。实验研究表明,除了合金在冷却板冷却作用下产生大量晶核促进了晶粒细化和球化之外,合金在重力作用下的剪切力也同时对合金组织的细化与球化产生重要作用。对于高密度的钢铁材料而言,这种作用更不容忽视。冷却板倾角α的大小会影响合金液重力加速度沿冷却板平行方向的分量,如图3所示,从而影响到合金液所受到的剪切力。

当合金中二次、三次枝晶臂甚至一次枝晶臂强度较小时,会在热流的冲击以及重力引起的剪切作用下不断发生破碎,在图2a和图2b可观察到合金剪切破碎的迹象,破碎的枝晶臂起到了晶核的增殖作用。在上述的两种机制的作用下,随着合金在冷却板表面不断向下移动,合金内部形成大量的晶核和破碎的枝晶臂,固相晶粒之间、固相晶粒与液相之间不断发生碰撞与摩擦,使合金固相晶粒逐渐发生细化和球化,最终得到细小球形的合金组织。

2.2影响321不锈钢半固态合金组织的因素

影响合金组织的因素主要有:倾角α,冷却板长度与冷却板表面性质。这些因素直接或间接影响到合金所受到的剪切冷却作用强度而影响到合金组织。首先,倾角α是影响合金组织的重要因素之一。由图3可知,合金所受到剪切力τx随倾角α的增大而增大,适当增大倾角会增强合金液所受到剪切作用,从而使制备的合金组织更加细小和圆整。但是另一方面,当α太大时,合金液体会快速流过冷却板,冷却板引起剪切冷却作用并不明显,合金组织并不理想。其次,冷却板长度直接影响到合金所受剪切冷却作用时间的长短,因此对合金组织也有重要影响。图4是在α=45°不同长度的冷却板条件下得到的321不锈钢半固态坯料的合金组织。可以看到在L=300mm的条件下,由于冷却板较短,剪切冷却作用时间较短,合金组织主要由粗大的奥氏体树枝晶组成,只有少部分二次枝晶臂发生了破碎,如图4a所示。在α=45°,L=450mm的条件下合金在冷却板表面所受剪切冷却作用时间较长,得到的合金组织基本上由近球形晶组成,只有少量粗大的一次枝晶臂主干尚未完全破碎,如图4b所示。随着冷却板长度L的增大,合金在冷却板表面所受剪切冷却作用时间延长,合金组织完全发生了破碎与球化,如图4c所示。

因此采用长度适宜的冷却板对制备不锈钢半固态材料非常重要。另外,根据形核原理,合金液在冷却板表面冷却过程中,合金首先在冷却板表面形核属非均匀形核,使得表面能降低,从而使合金在较小的过冷度下进行形核。由非均匀形核功ΔG=ΔG0(2+cosθ)(1-cosθ)2/4,可知:θ越小,ΔG越小,即θ越小越容易形核。因此,合金液在冷却板表面的润湿性能对凝固过程影响较大。在制造冷却板时需要一定的粗糙度。在进行实验之前,需要将冷却板表面清理干净,特别是防止存在油污和氧化膜,以为合金提供形核基础表面。实验表明在相同的浇注温度与倾角条件下用较粗糙铜板做冷却板比平滑的耐火水泥做冷却表面得到的合金组织更理想,如图5所示。这是因为一方面耐火水泥的导热性能比纯铜的导热性能差,从而降低了合金热量的散失能力,使合金在通过冷却板表面时固相率较低,凝固后组织粗大。另一方面,耐火水泥表面润湿性能较差,润湿角θ较大,所需要的形核功ΔG也较大,从而降低了合金液在冷却板表面的形核率,凝固后的合金组织比较粗大,存在一定数量的枝晶网络,如图5a所示。而采用铜质表面的冷却板时,合金在冷却板表面形核,从而大大提高了合金形核率,使合金组织得到细化,如图5b所示。

3结论

(1)倾斜式剪切冷却技术使熔融321不锈钢在剪切冷却作用下形成组织优良的半固态材料。(2)在冷却板的冷却作用与重力的剪切作用下321不锈钢半固态合金在冷却板表面逐渐由树枝晶演化为细小的球形晶。(3)倾角α、冷却板长度、冷却板表面性质对合金组织具有重要影响,在α=45°,L=650mm,冷却板采用紫铜材质的条件下可制备出细小球形的321不锈钢半固态合金。

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