專利名稱：利用包晶合金中兩相競爭提高鑄坯等軸晶率的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及利用包晶合金中兩相競爭提高鑄坯等軸晶率的方法。本發(fā)明屬于金屬凝固組織生長過程控制領域。
背景技術：
隨著材料科學的發(fā)展，包晶合金因其特殊性能成為研究熱點，逐漸成為一類應用非常廣泛的工程合金，許多重要的工程材料都存在包晶反應，包括各種鋼、銅合金和磁性材料，潛在的高溫結構材料Ti-Al和Fe-Al合金，Ni-Al合金，稀土永磁材料Nd-Fe-B和Co-Sm-Al合金，以及高溫氧化物超導材料Y/Nd-Ba-Cu-Ο等新型包晶系材料。雖然多種具有重要工業(yè)應用的合金在凝固過程中都存在包晶反應，但是人們對包晶相變過程的了解卻相當有限。在制備這些材料的過程中，人們發(fā)現(xiàn)凝固過程中的包晶相變對最終組織和性能具有重要影響。如何通過控制包晶相變過程來改善這些材料的性能迫切需要進行更加深入的 研究。包晶合金平衡凝固過程是當體系溫度降低到初生相液相線以下時，初生相開始形核并且生長；當溫度進一步降低到包晶溫度Tp時，包晶相依附于初生相形核，并通過包晶反應開始生長，直至參與包晶反應的兩相中有一相完全耗盡。若液相先于初生相耗盡，則獲得的凝固組織為包晶相包覆初生相的結構；若初生相先于液相被耗盡，則剩余的液相將直接轉變?yōu)榘?，最后獲得完全由包晶相構成的組織。提高鑄坯等軸晶率，國內外冶金學者和技術人員進行了大量的基礎研究和技術開發(fā)。包括電磁攪拌、低過熱澆注、微合金化等凝固細晶技術、電脈沖孕育處理、超聲波振動技術等。連鑄坯是鋼材的初級產品，在具有工業(yè)應用背景的薄帶連鑄技術中，研究如何提高鑄坯等軸晶率有重要的意義。鑄坯在凝固過程中，由于其自身凝固收縮、工藝制度和設備等多方面的原因，有可能產生內部裂紋和宏觀偏析。鑄坯質量將直接影響到最終產品質量。研究和生產實踐表明，造成連鑄坯宏觀偏析的最主要原因是連鑄坯在外部強冷卻條件下形成發(fā)達的柱狀晶組織，故消除宏觀偏析根本途徑是有效控制鑄坯的凝固過程，減少鑄坯中柱狀晶比率，提高等軸晶率。包晶合金凝固過程中的相的形成和微觀組織的演化對材料的性能起決定性作用。因此，現(xiàn)在對包晶工程合金的鑄坯的凝固過程的研究急需找到相應的突破口，亦即如何能夠解決和控制上面鑄坯在凝固過程中面臨的重要質量問題，其關鍵在于不同成分下包晶合金凝固過程中的相的形成會對組織的生長起控制作用，即通過兩相的競爭形核與競爭生長控制微觀組織的演化；如果能夠在這個關鍵點上獲得突破，將極大提高包晶工程合金的應用和鑄坯連鑄技術的研究水平。本發(fā)明所述的在包晶合金中利用包晶合金中兩相競爭提高鑄坯等軸晶率的方法，是首次證明在包晶合金利用兩相競爭提高鑄坯等軸晶率的方法，并提出了具體的工藝路線，這是完全不同于其它方法的一項新的技術發(fā)明。申請人采用包晶合金+等軸晶率(peritectic alloy + equiaxial crystal rate)作為關鍵詞檢索了美國的《金屬文摘》(Metals Abstracts)、美國的《工程文摘索引》(EI)、Sciencedirect科技論文數(shù)據(jù)庫、ISIWeb of Science等國外科技數(shù)據(jù)庫、我國的《中國期刊網(wǎng)》和《維普中文期刊數(shù)據(jù)庫》等科技文獻索引，均沒有查到完全相關文獻。申請人還檢索了美國專利文摘(USPTO)、歐洲專利文摘(EP — PCT)、《中國專利信息網(wǎng)》以及《中華人民共和國國家知識產權局專利檢索》也沒有發(fā)現(xiàn)同類專利。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于利用包晶合金中兩相競爭，提高鑄坯等軸晶率。選擇包晶系模型合金Fe-Ni、Fe-Mn合金為對象，提供了利用包晶合金中兩相競爭提高鑄坯等軸晶率的方 法。更具體的說，針對薄帶連鑄工藝生產鑄帶，基建設備的投資少，工藝流程短；直接鑄出的薄帶不需熱軋直接成材。而性能與普通的熱軋帶性能相當，生產成本大大降低；由于是從液態(tài)直接成帶，所以可以生產出難以軋制的材料。本發(fā)明是通過噴鑄、吸鑄方法對其進行了系統(tǒng)的亞快速凝固實驗，研究包晶系Fe-Ni、Fe-Mn合金，為工業(yè)化的薄帶連鑄技術提供在(亞)快速凝固條件下，物理模擬薄帶連鑄凝固過程，實現(xiàn)大幅度提高連鑄過程中薄帶的等軸晶率。Fe-Ni 合金的包晶反應為BCC(3. 83at. %Ni)+L(4. 91at%Ni) — FCC(4. 33at. %Ni)。本發(fā)明選擇 Fe-2. 5at. %Ni、Fe_4. Oat. %Ni、Fe_4. 5at. %Ni 和 Fe-7. 5at. %Ni 四種合金成分，通過噴鑄方法對其進行了系統(tǒng)的亞快速凝固實驗。發(fā)現(xiàn)Fe-Ni包晶合金的不同成分對薄帶凝固中組織生長(柱狀晶的生長和等軸晶的形成)具有重要的影響。Fe-Mn 合金的包晶反應為BCC(9. 898wt. %Mn) +L (12. 739wt. %Mn) — FCC (10. 002wt. %Mn)。本發(fā)明選擇 Fe_l lwt. %Mn、Fe-13wt. %Mn、Fe-15wt. %Mn 和 Fe_17wt. %Mn 四種合金成分，通過吸鑄方法對其進行了系統(tǒng)的亞快速凝固實驗。由于Mn元素在熔煉過程中燒損嚴重，通過化學分析測量四種合金的實際成分分別為Fe-9. 23wt. %Mn、Fe-10. 98wt. %Mn、Fe-11. 48wt. %Mn和Fe_14. 73wt. %Mn。發(fā)現(xiàn)Fe-Mn包晶合金與Fe-Ni包晶合金有相同的規(guī)律。即不同成分對薄帶凝固中組織生長(柱狀晶的生長和等軸晶的形成)具有重要的影響。圖I為包晶合金的平衡相圖。包晶合金平衡凝固過程是當體系溫度降低到初生相液相線以下時，初生相開始形核并且生長；當溫度進一步降低到包晶溫度Tp時，包晶相依附于初生相形核，并通過包晶反應開始生長，直至參與包晶反應的兩相中有一相完全耗盡。若液相先于初生相耗盡，則獲得的凝固組織為包晶相包覆初生相的結構；若初生相先于液相被耗盡，則剩余的液相將直接轉變?yōu)榘?，最后獲得完全由包晶相構成的組織。包晶合金在凝固時,具有兩相的合金凝固過程，不同相之間存在著兩種競爭方式，即形核競爭和生長競爭。薄帶凝固過程中，由于形核基底普遍存在，顯著降低了兩相的形核功，減小了兩相形核所需要的過冷度，兩相均可沿生長方向延續(xù)并且生長競爭。在Fe-Ni合金中，當包晶成分為過包晶成分(4. 33at. %Ni-4. 91at. %Ni)時，先析出相為高溫鐵素體，優(yōu)先生長的柱狀晶會排出溶質，在柱狀晶前沿，液相中溶質的成分會隨著柱狀晶的生長超出4. 91at.%Ni，從而在隨后的凝固中優(yōu)先析出奧氏體，奧氏體的在柱狀晶前沿形核與長大會阻礙鐵素體柱狀晶的生長。這種通過兩相的競爭形核與競爭生長，能大大提高亞快速凝固中薄帶的等軸晶率。在Fe-Mn合金中，在過包晶成分時，薄帶的等軸晶也大量出現(xiàn)。
本發(fā)明涉及利用包晶合金中兩相競爭提高鑄坯等軸晶率的方法，通過下列技術手段得以實現(xiàn)
a)采用真空電弧爐熔煉Fe-Ni、Fe-Mn合金； b)利用真空噴鑄和吸鑄方法制備薄帶，薄帶厚度2.Omm ；
c)米用5% 的硝酸酒精溶液和 Oberhofers (30gFeCl3, IgCucl2,0. 5gSncl2, 50mlHCl,500mlC2H50H, 500mlH20)腐蝕液，腐蝕金相組織；
d)顯微組織觀察，試樣的觀察部位為薄帶的橫截面。采用本發(fā)明可提高連鑄薄帶、薄板和鑄錠等鑄坯內部質量和減少偏析，提高其鑄坯凝固組織的等軸晶率，改善包晶合金鑄坯的凝固組織和內部質量。


圖I為包晶合金的平衡相圖。圖2為真空噴鑄和吸鑄方法示意圖(a)噴鑄；(b)吸鑄；I.玻璃管；2.線圈；
3.銅模；4.電弧槍；5.水冷銅坩堝；6.銅模。圖3為噴鑄所獲得的Fe-Ni包晶合金2. Omm厚度薄帶金相照片，其中圖3 (a)為 Fe-2. 5at. %Ni, 3(b)為 Fe-4. 0 at. %Ni, 3(c)為 Fe-4. 5 at. %Ni,圖 3 (d) Fe-7. 5at. %Ni。圖3(a)為放大倍數(shù)50倍下的金相照片，可以看出，F(xiàn)e-2. 5at. %Ni噴鑄2. Omm厚度薄帶截面組織分成三個區(qū)域上、下表層很薄細等軸晶區(qū)、對稱的柱狀晶、中心個別的等軸晶。圖3(b)中Fe-4. Oat. %Ni噴鑄2. Omm厚度薄帶截面組織分成三個區(qū)域上、下表層很薄細等軸晶區(qū)、對稱的柱狀樹枝晶、中心少量等軸晶。圖3(c)為放大倍數(shù)50倍下的金相照片，從圖中已經(jīng)看到Fe-4. 5 at. %Ni出現(xiàn)大量的等軸晶。圖3(d)為放大倍數(shù)50倍下的金相照片，從圖中可以看出，F(xiàn)e-7. 5 at. %Ni在薄帶中心區(qū)域出現(xiàn)了部分等軸晶。圖4為吸鑄所獲得的Fe-Mn包晶合金2. Omm厚度薄帶金相照片，其中圖4(a)為Fe-llwt. %Mn,圖 4(b)為 Fe-13wt. %Mn,圖 4(c)為 Fe-15wt. %Mn,圖 4(d)為 Fe-17wt. %Mn。從圖4(a)可以看出，F(xiàn)e-llwt. %Mn吸鑄2. Omm厚度薄帶截面組織分成三個區(qū)域上、下表層很薄細等軸晶區(qū)、對稱的柱狀晶、中心少量的等軸晶。從圖4(b)可以看出，F(xiàn)e-13wt. %Mn吸鑄2. Omm厚度薄帶中間區(qū)域出現(xiàn)大量的等軸晶。從圖4(c),圖4(d)中看出Fe-15wt. %Mn、Fe_17wt. %Mn厚度薄帶截面組織分成三個區(qū)域上、下表層很薄細等軸晶區(qū)、對稱的柱狀晶、中心區(qū)域個別等軸晶。
具體實施例方式下面結合實施例對本發(fā)明進行詳細說明
實施例一
本實施例選擇Fe-Ni這一典型的包晶合金為模型合金研究。本實施例的具體工藝步驟如下
I)真空電弧熔煉合金熔配Fe-Ni合金。先用電弧將原料熔化成液態(tài)，然后在繼續(xù)熔煉的同時，開磁攪拌促使合金成分均勻，磁攪拌電流約為0-8A。反復熔煉攪拌合金3-5次。2)真空噴鑄制備薄帶圖2(a)為電磁感應熔煉噴鑄實驗設備示意圖。主要實驗過程就是采用真空電磁感應熔煉玻璃管中的母合金，合金熔化均勻后，對合金熔體施加一定的氣壓，熔體在受到大的氣體沖擊作用后，快速噴入銅模，凝固成型為合金薄帶。噴鑄銅模的設計分別在每一個半銅模的內側同時做出I. Omm的長方體的空腔，當熔體噴入由兩個半銅模組合成的銅模后，液態(tài)合金凝固后在空腔內形成2. Omm的合金薄帶。3)金相試樣制備的主要程序為取樣一嵌樣一磨光一拋光一浸蝕等。浸蝕時，米用5% 的硝酸酒精溶液和 Oberhofers (30gFeC13, lgCucl2,0. 5gSncl2,50mlHCl, 500mlC2H50H, 500mlH20)腐蝕液。浸蝕后應立即用水沖洗，然后用酒精擦洗，用吸水紙吸干或吹風機吹干，在顯微鏡下觀察。4)顯微組織觀察腐蝕后進行顯微組織觀察，顯微組織觀察采用光學顯微鏡，低倍和枝晶腐蝕檢驗結果Fe-4. 5at. %Ni薄帶等軸晶比例達到40%及以上。實施例二
本實施例選擇Fe-Mn包晶合金研究。本實施例的具體工藝步驟如下
I)真空電弧熔煉合金熔配Fe-Mn合金。2)真空吸鑄制備薄帶圖2(b)為電磁感應熔煉噴鑄實驗設備示意圖。主要實驗過程就是將熔配好的合金移至澆鑄坩堝。引弧熔煉，到合金全部熔化的時候適當加大引弧電流，使合金液順著導流管澆鑄到模具中成型；當合金薄帶冷至室溫，取下試樣。3)金相試樣制備的主要程序為取樣一嵌樣一磨光一拋光一浸蝕等。米用5%的硝酸酒精溶液作腐蝕液。 4)顯微組織觀察腐蝕后進行顯微組織觀察，顯微組織觀察采用光學顯微鏡，低倍和枝晶腐蝕檢驗結果Fe-13wt. %Mn薄帶等軸晶比例達到25%及以上。
權利要求
1.利用包晶合金中兩相競爭提高鑄坯等軸晶率的方法，其特征在于該方法具有以下工藝步驟 A.選擇Ni含量在I.Oat. %Ni 15at. %Ni的Fe-Ni合金，通過噴鑄方法對其進行系統(tǒng)的亞快速凝固實驗； B.選擇Mn含量在5wt.%MrT25wt. %Mn的Fe-Mn合金，通過吸鑄方法對其進行系統(tǒng)的亞快速凝固實驗； C.將步驟A和步驟B所制備的薄帶，腐蝕薄帶橫截面金相組織；顯微組織觀察，結果顯 示不同成分對薄帶凝固中組織生長具有重要的影響； D.在Fe-Ni合金中，當包晶成分為過包晶成分4.33at. %Ni_4. 91at. %Ni時，先析出相為高溫鐵素體，優(yōu)先生長的柱狀晶會排出溶質，在柱狀晶前沿，液相中溶質的成分會隨著柱狀晶的生長超出4. 91 at. %Ni，從而在隨后的凝固中優(yōu)先析出奧氏體，奧氏體的在柱狀晶前沿形核與長大會阻礙鐵素體柱狀晶的生長；這種通過兩相的競爭形核與競爭生長，大大提高亞快速凝固中薄帶的等軸晶率；在Fe-Mn合金中,在過包晶成分時,薄帶的等軸晶也大量出現(xiàn)。
2.根據(jù)權利要求I利用兩相競爭提高等軸晶率的方法，其特征在于其特征在于通過凝固過程高溫鐵素體和奧氏體相的競爭，抑制柱狀晶的生長促使等軸晶的形成，并提高鑄坯等軸晶率和質量；采用本發(fā)明可提高連鑄薄帶、薄板和鑄錠等鑄坯內部質量和減少偏析，提高其鑄坯凝固組織的等軸晶率，改善包晶合金鑄坯的凝固組織和內部質量。
3.根據(jù)權利要求I利用兩相競爭提高等軸晶率的方法，其特征在于在包晶合金中利用兩相競爭提高鑄坯等軸晶率，克服了凝固組織柱狀晶發(fā)達，所引起鑄坯內部裂紋和中心偏析等缺點，合理改善鑄坯產品的使用性能和壽命。
全文摘要
本發(fā)明涉及利用包晶合金中兩相競爭提高鑄坯等軸晶率的方法。利用包晶合金凝固時兩相的競爭，提高鑄坯的等軸晶比例，從而改善鑄坯的質量。選擇包晶系模型合金Fe-Ni、Fe-Mn合金為對象，提供在(亞)快速凝固條件下一種利用包晶合金中兩相競爭提高等軸晶率的方法。具有以下的工藝步驟a)采用真空電弧爐熔煉Fe-Ni、Fe-Mn合金；b)利用真空噴鑄方法制備薄帶，薄帶厚度2.0mm；c)采用5%的硝酸酒精溶液和Oberhofers腐蝕液，腐蝕金相組織；d)顯微組織觀察，試樣的觀察部位為薄帶的橫截面。采用本發(fā)明可提高鑄坯內部質量和減少偏析，也可改進其它包晶合金鋼種的內部質量，提高鑄坯的凝固組織的等軸晶率，改善鑄坯質量。
文檔編號B22D27/20GK102896304SQ20121035147
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月21日 優(yōu)先權日2012年9月21日
發(fā)明者宋長江, 郭遠益, 謝柯, 趙仕超, 翟啟杰 申請人:上海大學