偏晶合金的研究现状和发展

Materials　for　Mechanical　EngineeringVol.24　No.2Apr.2000

偏晶合金的研究现状和发展

杨　森　黄卫东　(西北工业大学凝固技术国家重点实验室　陕西西安710072)

贾　均　(哈尔滨工业大学材料科学与工程系　黑龙江哈尔滨150001)

摘　要　综述了在微重力和地面条件下制取具有均匀弥散相结构的偏晶合金的研究结果,指出了偏晶合金研究存在的问题和今后的研究方向。

主题词　偏晶合金　微重力　弥散相

*

TheStatusandDevelopmentofMonotecticAlloy

YangSen　HuangWeidong　(NorthwesternPolytechnicalUniversity　XipanShaanxi710072)

JiaJun　(HarbinInstituteofTechonolgy　HarbinHeilongjinng150001)

Abstract　Someexperimentalresultsofobtainingthedispersedphasestructureinmonotecticalloysunder

microgravityandgravityenviromenthavebeensummarizedinthispaper.Theproblemsneededsolvingandthefuturedirectiononmonotecticalloyshavealsobeenpointedout.

1　引　言

偏晶合金是一种应用广泛的材料,其中许多具有独特的性能,如Cu-Pb合金是很好的轴承材料,Al-Pb作耐磨材料,而Zn-Bi合金是很好的电化学材料,Bi-Ga合金具有超导性。可是这类合金在正常

凝固中将分离成组元有不同富集的两液相,由于密度的不同,极易产生偏析,严重时会出现组元分层现象,从而限制了这类偏晶合金在工业上的应用。为了获得具有均匀弥散相结构的偏晶合金,近年来各国开展了大量的研究,本文综述了偏晶合金的研究现状及取得的研究成果。

图1　典型偏晶合金相图

3　偏晶合金的研究现状

3.1　微重力条件下的研究现状

偏晶合金由于两相密度差大,在重力作用下,在凝固过程中会发生两相分离,因此,很难得到具有均匀弥散相结构的偏晶合金。随着空间技术的发展,为偏晶合金的研究和制备提供了新的可能,因为宇宙空间具有许多地面上无法比拟的优越性,其中最重要的就是空间的微重力状态[2]。在微重力条件下,使得熔体中因重力引起的对流以及熔体中由于组元的密度差引起的沉淀或上浮现象得以消除。美国国家航空航天局(NASA)首先在落塔上进行了不混溶偏晶合金的凝固试验,1967年前苏联在“联盟6号”宇宙飞船上进行了合金熔化、凝固和焊接的试验。此后,美国、原西德、西欧诸国以及日本等相继开展了空间材料科学研究。主要运用飞机飞行、空间轨道器运行(空间站)、宇宙飞船、返回式卫星和航天飞机进行试验。Fredriksson等对Zn-Bi合金在微重力条件下进行了试验,发现对于偏晶点附近的合金(8%

・5・[3]

2　偏晶合金的凝固特点

偏晶合金的典型相图见图1。在液相线以上,两液相完全混合。当以一定的速度冷却至液相线温度以下时,就要发生两液相的分离,分离成L1+L2。具有偏晶成分的合金m冷却到偏晶反应温度以下时,就要发生L1→A+L2的偏晶反应。反应结果是从L1中分离出固相A及另一成分的液相L2。L2在A相四周形成并包围A相,但反应过程取决于L2与A相的润湿程度及L1和L2的密度差。继续冷却时,在偏晶反应温度和图中所示的共晶温度之间,L2将在原有A相晶体上继续沉积出A相晶体,直到最后剩余的液体L2凝固成A+B共晶。如果A与L2不润湿或L1与L2的密度差较大,就会发生分层现象。

*男　33岁　讲师　博士研究生1999-04-05收到初稿　1999-07-20收到修改稿

[1]

杨　森等:偏晶合金的研究现状和发展

Bi)以两种不同的速度进行凝固,得到了具有良好弥散相分布的组织,但粒子尺寸较期望值大,而在Zn-24%Bi和38%Bi的试验结果中发现了大块Bi富积相。原以为在微重力条件下,自然对流和Stokes流(两相密度不同导致重者下沉轻者上浮)消除的情况下,可以制得具有良好弥散相的偏晶合金,但一些试验结果却出乎人们的意料,得到的仍是粗大的弥散相和一种组分围着另一种组分的大块夹杂的样品。

[4]

Potard对Al-In合金进行了多次试验,发现坩埚材料对最终的组织结构有影响。分别使用SiC和Al2O3坩埚,前者的In在材料表面富积,而后者的In在中心富积。Walter[5]的试验清楚地表明了Marangoni对流以及第二相体积分数对两相分离的影响。非均匀液体内的温度梯度将富In小液滴推到坩埚的热端,这是由于小液滴在冷却过程中产生的径向温度场中作Marangoni运动的结果。如果第二相>10U%,都可以观察到大尺寸的分离现象,低于这个值,则可能得到精细的弥散合金。

[6]

Fischmeister用Zn-Pb合金研究了小液滴以Ostwald熟化方式生长的过程,并进行了理论计算。发现当粒子的尺寸较小时,理论与试验曲线符合得相当好。然而,还存在一些理论上不能解释的大尺寸液滴。他们指出,随着Pb小液滴体积分数的增加,试验结果与LSW理论的偏差量增大,而它与纯扩散Ostwald熟化的偏差,可能是冷却过程中液滴作Marangoni运动发生聚集所致。可见,微重力下虽然由重力引起的自然对流和Stokes流消除或减弱,但熔体表面张力的作用变得突出,仍存在由于表面张力梯度形成的Marangoni对流,包括熔体表面温度梯度差引起的Marangoni对流,以及粒子表面浓度差引起的Marangoni迁移。同时,表面润湿现象仍然存在,如果接触坩埚的液滴与坩埚表面润湿,液滴将向坩埚壁迁移并铺展,当这层液体脱落时将形成包围基体的大块粒子,因此,微重力只是制取弥散相结构的必要条件之一。

3.2　地面条件下的研究现状

由于空间微重力获取的困难、试验费用的昂贵以及试验结果的不理想,在进行空间研究的同时,在地面条件下也进行了大量的研究,以研究偏晶合金在凝固过程中形核、长大、第二相的尺寸分布特征。所用技术包括落塔、落管、正交电磁场、定向凝固等。3.2.1　落管和落塔试验

在地面条件下,通过落管或落塔,利用自由落体形成的短时失重来模拟空间的微重力环境,研究偏晶合金的凝固行为。马歇尔飞行中心对Bi-50%Ga

・6・

进行了落塔试验,得到了一种细小富Ga粒子均匀弥散分布组织,而在通常凝固条件下却只能得到大块富Ga粒子的不均匀组织。赵九洲[7]借助50m高的落塔,得到了具有均匀弥散分布的Zn-5%Pb和Al-4%Pb合金,但落塔试样中的结晶Pb粒子尺寸要比正常凝固试样中小得多。3.2.2　电磁场模拟微重力的研究

利用正交电磁场模拟空间的微重力状态是研究偏晶合金凝固行为的一种有效方法。偏晶合金由于自身的特点,在凝固过程中必然会发生重的一相下沉和轻者上浮的迁移现象。如果在熔体中通上正交电磁场,使液滴受到向上或向下的电磁力以平衡重力和浮力的作用,调节合适的电磁参数,可以使重力、浮力和电磁力的合力为零,从而可减轻比重偏析和分层现象。前苏联学者[8]的试验结果表明,对Zn-Pb、Cu-Pb合金,当电磁参数选择合适时可以消除组元间的密度差,得到均匀的组织,但Pb在边缘的分布与中心的分布存在一些差别,分析认为这是电磁场分布不均匀的结果。当电磁场的作用使Pb的伪重度小于Cu或Zn的伪重度时,Pb相就可漂浮到试样顶部。󰀁²Â±¾À³对Cu-Pb合金进行的类似试验表明,尽管调节电磁参数可以消除比重偏析,但组织中的Pb相分布并不均匀,存在水平轴向偏析。分析认为该轴向偏析是由电磁场造成的熔体迁移的结果。可见,电磁参数的选取对最后组织的影响很大。3.2.3　定向凝固研究

偏晶合金的定向凝固原理见图2,图中S、L、TM、R和Ma分别表示固相、合金的熔点、固液界面的生长速度和Marangoni运动速度。在凝固前沿有一层低于临界温度的液体层,在其中生核和晶核长大。当试样以一恒定速度和温度梯度向上移动时,界面前沿的第二相粒子将最终被向上生长着的界面所吞没,而形成具有均匀弥散相分布的组织。

图2　定向凝固原理示意

　　Dhindaw等在不同的凝固速度、不同的温度

[9]

杨　森等:偏晶合金的研究现状和发展

梯度和不同的重力水平下对Cu-Pb和Bi-Ga过偏晶合金进行了定向凝固试验。在高凝固速度、高温度梯度和高重力水平下,较高密度和较低热导性的L2相易形成纤维状组织,反之,则易得到L2滴弥散分布于A基体中的组织。试验还发现在低重力水平下晶粒尺寸大于高重力水平下的晶粒尺寸,低重力水平下纤维间距大于高重力水平下的纤维间距。对于Bi-Ga合金,在高的凝固速度下,重力似乎不影响组织,在低的凝固速度下,低重力水平似乎抑制了短纤维组织的形成,得到的是Ga粒子弥散分布于Bi基

[10]

体中的组织。Kamiao对Al-In合金进行的定向凝固表明:当温度梯度G(km-1)与生长速度R(ms-1)的比值G/R>109K・sm时,得到规则的纤维状组织或平行排列的粒状组织,纤维间距K与生长速度

2

R有关系KR=常数。纤维组织的热稳定性依赖于纤维组织的直径和纤维组织的间距,随着生长速度的增大,K减小,热稳定性降低。Derby[11]研究了温度梯度和生长速度对不规则偏晶的影响。试验是用Cu-Pb及伪二元的Al-In-Sn合金进行的,结果表明

1/2

纤维间距K与生长速度R及温度梯度G有关,KRG=常数,与小晶面/非小晶面共晶的生长相似。Rechard的试验表明Al-In、Cu-Pb、Cd-Ga等合金的凝固行为与液相不混溶区的高度有关。发现第三组元改变了液相不混溶区的高度,因而使组织有了显著的变化,这一切都与L1相与L2相、L1相与A相、

根据ChadwickL2相与A相之间的界面能改变有关。

的润湿模型,当L2相和A相润湿时,A相和L2相并

排长大,与共晶生长相类似,凝固后的最终组织为A相基体上分布着棒状或纤维状的L2相。当A相和L2相不润湿时,液相L2不能在A固相上形核,只能孤立地在液相L1中形核长大,如果固液界面的推进速度大于液滴的上升速度时,则液滴L2将被A相包围,而排出的溶质原子继续供给L2,从而使L2在生长方向拉长,使生长进入稳定态,最后组织将是在A相基体中分布着不规则的棒状或纤维状的L2相。3.2.4　计算机模拟的应用

在太空微重力试验中,计算机的应用是十分重要的,它能克服模拟微重力试验的局限性,克服空间试验的大量耗资和困难,不受空间条件限制,能最好地仿真,可以预测试验结果,选择最佳试验方案。徐

[12]

贵宝用计算机模拟出了微重力下的Ostwald粗化现象。在“联盟6号”飞船上进行焊接试验之前,乌克兰科学院巴顿电焊研究所对选择加热用的电子束参数,在微重力环境和真空中的热交换过程,焊接区熔体的预测分布等方面进行了计算。

1/3

-2

3.2.5　快速凝固

即敷冷熔融液体,以便保持早期的分解产物或

[13]

结晶核心,从而阻止组织粗化。Chattopudhyay应用快速凝固法对Al-1.5%Cd作了研究,发现组织形态有很大变化。固液界面前沿的偏晶反应导致了组织中Cd的异常分布。在液相温度发生的粒子粗化是由于液滴的迁移和聚集所致。3.2.6　超声或机械混合

受超声波或机械动能的作用,已经形成的较大的弥散相被碎化,因而可阻止粒子的粗化,可望形成良好的弥散相组织。

[2]

4　存在的问题

由上述可知,微重力仅仅为获取具有均匀弥散相的偏晶合金提供了可能性,而要保证得到这种组织还需要做大量的研究工作。在重力引起的自然对流和Stokes流消除后,由于温度梯度、浓度梯度引起的Marangoni对流的作用变得更为突出,坩埚与熔体的润湿行为也将影响到均匀弥散相的获取。布朗运动、Ostwald熟化和碰撞凝并,它们在粒子的长大和粗化过程中的作用如何,分别在什么条件下起作用,这些问题还没有搞清楚。因此,对偏晶合金凝固过程中弥散相的粗化和相分离动力学研究还有待进一步深入。表1为不同研究者得到的纤维间距与生长速度的关系。有的认为偏晶合金能得到规则的纤维或串状组织,而有的则认为不能。同时,对偏晶合金的凝固行为还提出了不同的生长模型,如Chadwick的润湿模型和Cahn的分解压模型,孰是孰非还有待进一步研究。Marangoni对流对偏晶合金在微重力条件下的凝固过程中组织的粗化有重要的影响,在地面条件下其作用是否象在空间那样显著?本文作者[16]的初步研究表明,它对粒子的粗化仍较显著。

表1　纤维间距与生长速度的关系

关系式

2KR=C3/2KR=C4/3

KR=C

作者KamiaoBolling-CisseChernov

参考文献101415

5　结　语

空间技术的发展为偏晶合金的制取提供了良好的条件。随着对偏晶合金凝固过程中第二相的粗化和相分离动力学研究的进一步深入和完善,将极大

(下转第16页)

・7・陈　祥等:硅对等温淬火高硅铸钢组织和性能的影响

避免未转变奥氏体的出现。但过高的奥氏体化温度是不可取的,它可能导致贝氏体铁素体板条粗大,从而影响材料的力学性能。

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2　荣守范,金　铨,姚玉环等.硅及等温淬火工艺对CrMnSi钢力学性能的影响.材料科学与工艺,1993(9):70～73

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4　孙本茂,王执富,公志光.铬和钼对奥氏体-贝氏体钢组

织和性能的影响.铸造,1996(1):25～27

5　陈　祥.等温淬火高硅铸钢的研究.清华大学硕士学位论文,1999.6　GagneM.Theinfluenceofmanganeseandsilicononthemicrostructureandtensilepropertiesofaustemperedductileiron.AFSTransactions,1987,133(85):801～8127　范志康,潘洪革,朱锦侠等.硅在贝氏体/马氏体复相球铁中的作用.铸造技术,1995(3):36～38

8　MalliaJ.GrechM.Effectofsiliconcontentonimpact

propertiesofaustemperedductileiron.MaterialsScience

andTechnology,1997,13(5):408～414

4　结　论

(1)硅含量影响高硅铸钢的淬火组织。硅含量适中(2.6%左右),可以得到完全的典型的无碳化物奥-贝组织;硅含量较低时,(如1.85%),淬火组织为贝氏体铁素体+残余奥氏体+马氏体;硅含量较高时(3.8%左右),淬火组织中可能出现铁素体组织。

(2)在本试验条件下,随着硅含量的增加,高硅铸钢的抗拉强度降低、硬度值几乎不变化,而冲击韧度先逐渐提高,而后又有所下降。

(3)高硅铸钢已成功用于挖掘机斗齿、冲击破碎机打击板以及铁路清筛机部件,取得了良好的经济效益。

参　考　文　献

1　VoigtRC.BendalyR,JanowakJFetal.Developmentof

(上接第7页)

地促进偏晶合金的开发和利用,在未来的材料领域,发现由偏晶合金制成的具有优异性能的结构、耐磨、电触头和超导等新材料。总之,偏晶合金具有广阔的应用前景。

参　考　文　献

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滨工业大学硕士论文,1993.

・16・