了解偏析 预测凝固


当 金属处于液态时,它是均匀的。即各处的金属特性(尤其是成分)都是相同的。然而,凝固过程中存在合金元素及杂质的重
新分配,即偏析。偏析对铸件质量影响显著。了解这个过程对铸造工程师或冶金学家十分有益。

偏析有两种类型即微观偏析和宏观偏析。微观偏析是指在枝晶和枝晶臂之间非常微小范围内的成分偏差。

文章以Al-Cu合金系为例阐述偏析如何发生。研究人员对该合金系开展了大量详细的实验研究。奠定了2xx高强度铸造合金系列的基础。

图1所示是完整的Al-Cu相图。该体系中有许多金属间化合物。铝铸造企业主要关图中(注:该图指的是前面提到的图1,即铝铜二元相图)注富铝部分和θ相(Al2Cu)的形成。上图中相关部分如图2所示。

如果含铜4.5%的合金浇注后在共晶温度附近保温,铸件将处在单相区得到相对应的铝固溶体。如图2的红色方块所示。根据相图,该合金应为单一相的铜溶于铝固溶体。

观察该合金铸件的样品时,发现含有大量的Al2Cu共晶相。根据相图,此共晶不应该存在。因此,它被称为非平衡共晶。

此外,如果用扫描电子显微镜的显微探针分析对铜在铸件样品中的分布进行研究,发现铜的含量在铝相会变化。在枝晶臂中心,相对应于凝固初期,铜的含量低。

沿着晶臂的向外移动,对应于金属凝固后期,铜含量增加。某一显微探针分析的实例如图 3所示。

凝固科学家多年研究这种现象,已经建立数学模型来解释微观偏析。人们现在可以根据布罗迪-弗莱明斯提出的模型(B-F)计算非平衡共晶的量。B-F方程可以用于计算凝固过程中液相的成分,和形成的共晶固相分数。B-F方程非常适用于除极快速凝固外几乎所有的铝铸件中常见的元素。(该模型也适用于其它金属体系中的大多数元素,但是,扩散迅速的元素需要校正系数,例如,溶解于铸铁或铸钢的碳元素。)

宏观偏析

宏观偏析是在更大范围内溶质元素的再分配。在净形铸造中,宏观偏析由铸件内部流体运动引起,通常与补缩有关。宏观偏析最容易在含铜合金中发生。如图4所示的例子,这张X光片是319合金缸盖铸件的一部分。顶部可见两个冒口。都显示产生了缩孔。冒口下方是铸件暗带,其中富铜液相已被“吸入”铸件。

冒口放置在铸型中,给凝固中的铸件补充金属液,凝固过程中金属液体收缩为5-7%。当冒口不够大时,冒口对铸件的凝固补缩滞后,此时剩余金属液富集就会铜元素(和其他溶质元素)。

这类的宏观偏析也可以在铝硅合金铸件发生,但是很难通过X射线观察到。(铝和硅之间的密度差比铝和铜之间小得多。)

凝固路径计算

凝固过程的偏析方程可以用于铸造合金凝固路径的计算。

最简单的处理方法是假设二元合金系的分配系数可以在三元合金系中使用。我们计算的起始点是Al-Si-Fe三元系的富铝角。在该体系中,已经确定的不同金属间化合物有11种,其中4种出现在三元系的富铝部分如图5所示。它们分别是:

  • FeAl3,出现在Al-Fe二元系合金低硅区域。
  • α-FeSiAl,其成分接近Fe2SiAl8。
  • β-FeSiAl,通常用FeSiAl5的成分代表。
  • δ-FeSiAl,具有FeSi2Al3的成分。

上列所述最令人关注的化合物是β相。商业铸件中通常都能发现这种金属间化合物。

含有5%的硅和不同的铁含量的AA309合金的凝固路径已计算出来。(该合金还含有1.2%的铜和0.5%的镁,但在计算中被忽略。)为了简单地呈现计算结果,这里仅显示了相界部分。此外,详细部分见可从图5看出。图6所示为合金铁含量0.3和0.6%的结果,分别给出了两条偏析曲线,较低的(红色)曲线所示凝固时间为10秒;较高的(蓝色曲线)所示是是1000秒的较长的凝固时间。

从这个结果,可以看出含铁量0.3%的合金处于边界情况。根据以下反应,铸件快速凝固部分不应该有初生β相,只有三元共晶:

液态→ Al(固态) + Si(固态) + β

但在较低的凝固速率时会形成初生β相。含铁量较高时(如0.6%)无论凝固速率如何,初生β相先于Al-Si共晶出现。

澳大利亚先进凝固技术研究中心(CAST)的研究人员研究了这种合金。他们发现,铸造缺陷与生成初生β相的铁含量有关。然而,当他们在相同的合金中提高硅的含量,缺陷消失了。这种现象产生的原因通过图7可以看出,类似的计算都是在相同的两个铁含量下进行。在该合金中较高的铁含量(0.6%)变成边界情况。因此,含9%的合金可容许的铁含量是含硅的5%合金的两倍。

以这种方式,CAST研究人员精确计算了许多硅含量情况的凝固路径。他们由此得出了铸件的安全铁含量图(如图8所示)。

Cascers及其合作者开展的相关研究结果理应受到关注。他们生产了有很多合金成分的铸件并测试了力学性能,其中一些结果如图9所示。图示指出偏析过程中微观偏析的重要性,以及到底多高的硅含量对Al-Si基铸造合金有利。

铸件进行T6处理后的拉伸强度如质量曲线所示(极限抗拉强度vs.对数延伸率)。

红线为质量指数(单位为MPa)。蓝色箭头示出了合金成分的改变,如将铁加入到合金1中得到合金2。结果显示出铸件质量有很大的损失——根据质量指数大约损失120MPa。

将硅键入合金2得到合金3,随着硅含量从4.5%提高到9%,几乎所有损失的质量重新回归。

除了将铜含量和铁共同加入这种情况,从合金1→合金6→合金7发现了类似的结果。

铁和铜共同加入时质量损失较大——约200MPa——但会由硅含量的增加重新获得。

作为比较,铜加入时,合金1→合金4→合金5,之后合金4有较小的质量损失。

本文发表于117届金属铸造大会,文章代号13-1224.