6、 、
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对于铝硅合金研究领域很重要的一个方面是研究初生相为颗粒状的非枝晶组织的原材料的制备技 术，研究表明，通过近液相线浇注可以到达此目的[9]。在常规温度浇铸获得铸态锭坯是极不均匀粗 通过近液相线浇注可以到达此目的[9] 通过近液相线浇注可以到达此目的 大的枝晶组织；在液相线温度附近保温30rain浇铸获得铸态锭坯中心和边部组织都是均匀、细小的 近球形晶粒组织。越接近液相线温度保温浇铸后的铸坯组织越优良，中心和边部组织的差异越小 [10]。根据激冷自由晶形核理论[11] [11]和熔断分离形核理论[12] [12]，较低的浇注温度可增加自由晶核的 [10] [11] [12] 数目。大量晶核的同时形成使晶核之间的间距很小，这将抑制枝晶的生长，从而使初生相以颗粒状 形态生长。 对于对于高合金化铝合金，由于加入合金元素含量比较高，规模生产过程容易造成成分的不均 匀性，影响铸锭的质量及变形加工工艺。为了进一步提高铸锭质量，防止铸锭裂纹的产生，成分均 成分均 匀性也是铝硅合金的研究领域的一个重要方面。主要技术手段控制化学成分的均匀性，以及主要成 匀性 分、杂质含量及其相互关系，以增强合金在凝固过程中保持相对平衡的结晶特性。通过研究发现， 通过研究发现， 通过研究发现 利用液态急冷获得材料的均匀性是其他方法所无法比拟的。 利用液态急冷获得材料的均匀性是其他方法所无法比拟的。 [8]
力学性能，它的存在是铸锭过程，以及后续变形过程的裂纹源，危害极大；粗大金属化合物的形 成原因主要为化学成分选择不当和铸造工艺控制不当，添加元素达到了生成初晶化合物的成分范 围，浇注温度高、冷却速度慢等为初晶化合物的形成提供了充足的生长时间，元素的局部富集导 浇注温度高、冷却速度慢等为初晶化合物的形成提供了充足的生长时间， 浇注温度高 等为初晶化合物的形成提供了充足的生长时间 致熔体的成分不均匀，这些均为初晶化合物的形成创造了条件。
波浪型倾斜板技术
(1)采用渡浪型倾斜板可以制备组织性能优良的半固态合金坯料．由均匀的近球形晶和少量玫瑰晶组成。 (1)采用渡浪型倾斜板可以制备组织性能优良的半固态合金坯料．由均匀的近球形晶和少量玫瑰晶组成。 采用渡浪型倾斜板可以制备组织性能优良的半固态合金坯料 (2)在波浪型倾斜扳长度为400mm一500mm、浇注温度为720度的实验条件下制备出了组织优良的A2017半固态坯 (2)在波浪型倾斜扳长度为400mm一500mm、浇注温度为720度的实验条件下制备出了组织优良的A2017半固态坯 在波浪型倾斜扳长度为400mm 720度的实验条件下制备出了组织优良的A2017 料。 (3)坯料在二次加热温度为625度 保温时间为60min的条件下，组织均匀，适合于触变成形。 (3)坯料在二次加热温度为625度，保温时间为60min的条件下，组织均匀，适合于触变成形。 坯料在二次加热温度为625 60min的条件下
针对本课题的目的从以下几个方面入手： 1. 采用在接近铝硅合金液相线温度处浇铸，控制好合金温度及其它因素，以期得到符合 半固态生产的非枝晶组织。 2. 通过快速冷却得到的铝硅合金的成分均匀性极大改善。 3.研究在铝硅合金中硅的生长机制，探讨实验中出现的硅的不同生长形貌的特点。
快速冷却装置： 快速冷却装置：
倾斜板不同长度下的微观组织
不同角度下的微观组织
新装置的改进： 新装置的改进： 方案一：立体圆环， 方案一：立体圆环，中间为冷却装置 方案二：空心圆柱体，中间制造时加倾斜的凸台，凸台不能太大， 方案二：空心圆柱体，中间制造时加倾斜的凸台，凸台不能太大， 以保证壁厚不能太大。 以保证壁厚不能太大。 方案三：倾斜的半圆，受重力的影响可以小一点，偏析可以减少。 方案三：倾斜的半圆，受重力的影响可以小一点，偏析可以减少。 方案四：倾斜的圆柱体，此时偏析严重，控温不好控制。 方案四：倾斜的圆柱体，此时偏析严重，控温不好控制。
研究课题： 研究课题： 铝硅合金快速冷却条件下的铸态组织 与性能
指导老师： 指导老师：周志敏 学 专 生：张敏敏
教授
业：材料物理与化学
第一章
一、铝硅合金的研究现状
绪论
—— 研究背景及发展现状
铸 造 铝 合 金 现 状 及 未 来 发 展
铸造铝合金为传统的金属材料，由于其密度小、比强度高等特点，广泛地应用于航空、航天、汽车、 铸造铝合金为传统的金属材料，由于其密度小、比强度高等特点，广泛地应用于航空、航天、汽车、机械 等各行业。随着现代工业及铸造新技术的发展，对铸造铝合金需求量越来越大。例如，80年代末到90年代初， 等各行业 在铸件总量停滞甚至下降的时候，日本的铝铸件产量一直保持着年递增10%左右的高增长率［1］。又以汽车工 业为例，由于要降低能耗，汽车需减重，各国广泛地采用铝等有色铸件代替钢铁铸件。到2001年，小汽车总 重将降低为800 kg,其中钢铁零部件为200kg,铝合金零部件为275 kg,镁合金将增为40 kg［2］。而汽车零部件 70%为铸件，由此可以看出，铸造铝合金的研究及应用将继续得到发展当前以美、日、德等铝加工发达国家为 当前以美、 当前以美 代表。国内的铝工业发展起步较晚， 代表。国内的铝工业发展起步较晚，工艺技术水平和整体装备水平与欧美发达国家相比还存在比较明显的差 距，因此一些高技术含量的产品还需大量进口，我国一直大量进口精密铝板带材，2007年仍进口高达49．7万 t。 为进一步提高国内企业的产品质量，需要加大企业的技术改进力度，获得高性能的铝合金加工产品。而 熔铸是铝加工的第一道工序，为轧制、锻造、挤压等生产提供合格的锭坯。铸锭质量的高低直接与铝合金产 铸锭质量的高低直接与铝合金产 所以不断优化与完善生产工艺，提高铸锭质量成为关键。 品的加工成材率和使用性能密切相关[3]，所以不断优化与完善生产工艺，提高铸锭质量成为关键。
二、铝硅合金的研究内容
在常规的熔炼和浇铸条件下，所得铝合金铸件的晶粒尺寸比较粗大，力学性能较低， 在常规的熔炼和浇铸条件下，所得铝合金铸件的晶粒尺寸比较粗大，力学性能较低， 进而限制了铝合金在工业上更广泛的应用。因此，为了改善和提高铸造Al Si合金的力 Al进而限制了铝合金在工业上更广泛的应用。因此，为了改善和提高铸造Al-Si合金的力 学性能，从以下两个方面入手。 学性能，从以下两个方面入手。
三、本课题研究的内容 针对目前在铝硅合金的生产过程的应用遇到的问题，从控制近液相线和快速 冷却的角度出发，我们设计了如下的冷却装置： 此装置的可实现： 此装置的可实现： 1、浇注出口的温度达到液相线温度 2、结晶器整个面上的温度分布均匀，基本在液相线温度的3度左右浮动 结晶器整个面上的温度分布均匀，基本在液相线温度的3 3、要求液态合金在结晶器的入口处的温度高一点，尽量保证融核状态时 要求液态合金在结晶器的入口处的温度高一点， 入口的温度尽量均匀。 入口的温度尽量均匀。 4、结晶器的整个面上温度分布均匀。 结晶器的整个面上温度分布均匀 通过此装置铸造铝硅合金，研究快速冷却下铝硅合金的组织与性能，探究经 过快速冷却后铝硅合金的组织与性能的优化程度。
铸锭是铝合金加工的重要工艺过程之一，铸锭品质在很大程度上影响铝合金的加工过程和产品品质。在铸锭生 产过程中，应重点注意合金成分的均匀性、气体与夹杂的控制以及铸锭组织的控制。 1、合金成分的均匀性[7] 对于高合金化铝合金，由于加入合金元素含量比较高，规模生产过程容易造成成分的不均匀性，影响铸锭的质 量及变形加工工艺。为了进一步提高铸锭质量，防止铸锭裂纹的产生。采取必要的技术手段控制化 学成分的均匀性，以及包括主要成分、杂质含量及其相互关系，以增强合金在凝固过程中保持相对平衡的结 晶特性 2．气体与夹杂物等，熔炼过程中铝合金又极易氧化与吸气， 使得铝熔体的冶金质量不高，从而直接影响到产品的最终质量和加工使用性能。若熔铸过程中不及时排除这些 缺陷，其后一系列加工工序(如轧制、挤压、热处理、表面处理等)，也难以消除夹杂、气体等的影响，从而直 接影响到材料的加工成形性等，难以保证各种高成形性铝产品的质量。 3.铸锭的组织控制 在实际生产中，有时会不同程度地出现异常晶粒组织，如粗大晶粒、羽毛状晶、粗大金属间化合物等。特别是 高合金含量的铝合金，如2XXX、7XXX系合金，在半连续铸造过程中产生的热应力大，由于不平衡结晶和偏析使 得有少量低熔点残留液和杂质分布在晶间形成液膜，减弱了晶界强度，收缩受阻或线收缩伸长量超过液膜的最 大伸长率，极易发生热裂，进而引发冷裂纹。
铝合金铸锭的常见缺陷及其对产品质量的影响由于国内铝加工企业的装备水平参差不齐，在铝合
金铸锭中经常出现成分偏析 成分偏析等情况，特别是在高合金含量的条件下：由于化学成分的不均匀性 由于化学成分的不均匀性，铸锭在凝 成分偏析 由于化学成分的不均匀性 固过程中的结晶特性不均匀性增加，使铸锭内部产生明显的铸造应力，容易造成铸锭的热裂[4]。同时铸锭 同时铸锭 性能不均匀，也会促使变形过程产生过大的内应力和裂纹等；晶内偏析 晶内偏析是由于凝固过程中的非平衡结晶造 性能不均匀 晶内偏析 成的，因合金的不同而偏析程度不同。晶内偏析使铸锭组织不均匀，不仅对铸锭性能有不良影响，也增加 了铸锭产生热裂纹的倾向，同时对后续热处理工艺和产品的最终性能也会产生不利的影响。晶粒粗大 晶粒粗大是铝 晶粒粗大 合金铸锭过程中经常出现的缺陷。造成晶粒粗大的原因主要是熔体中的结晶核心少，以及铸造工艺制度不 合理[5]。粗晶间常存在气体和非金属夹渣物，构成组织缺陷。羽毛状晶也是一种粗晶组织，其晶粒尺寸 是正常晶粒的几十倍，有明显的方向性。由于粗晶组织的存在，晶界上的夹杂物较多，原子排列更加不规 则，承受外力的能力减弱，增大了铸锭的裂纹倾向，降低了加工工艺塑性和组织的均匀性。铸锭中的疏松 缺陷包括收缩疏松和气体疏松两类，二者的组织特征基本相同，宏观上表现为黑色针孔，微观特征为有棱 角形黑色孔洞，断口特征为组织不致密、粗糙，疏松严重时断口上有白亮点。收缩疏松 收缩疏松产生原因是铸造时 收缩疏松 补缩不足，气体疏松 气体疏松产生原因是熔体中气体含量、主要是氢气含量过高所致。疏松的存在会在很大程度上 气体疏松 降低铸锭的强度、塑性同时也降低铸锭的加工性能，特别是在轧制和锻造过程中可使金属表面、侧边、横 截面等产生裂纹，严重时使加工材成批报废。夹杂以及金属问化合物。非金属夹杂主要来自于熔剂、炉渣、 。非金属夹杂主要来自于熔剂、炉渣、 炉衬以及氧化夹渣等[6]，这些大颗粒夹杂物的存在破坏了金属的连续性,严重影响金属制品的物理性能和 炉衬以及氧化夹渣等