专利名称：利用包晶合金中两相竞争提高铸坯等轴晶率的方法
技术领域：
本发明涉及利用包晶合金中两相竞争提高铸坯等轴晶率的方法。本发明属于金属凝固组织生长过程控制领域。
背景技术：
随着材料科学的发展，包晶合金因其特殊性能成为研究热点，逐渐成为一类应用非常广泛的工程合金，许多重要的工程材料都存在包晶反应，包括各种钢、铜合金和磁性材料，潜在的高温结构材料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，以及高温氧化物超导材料Y/Nd-Ba-Cu-Ο等新型包晶系材料。虽然多种具有重要工业应用的合金在凝固过程中都存在包晶反应，但是人们对包晶相变过程的了解却相当有限。在制备这些材料的过程中，人们发现凝固过程中的包晶相变对最终组织和性能具有重要影响。如何通过控制包晶相变过程来改善这些材料的性能迫切需要进行更加深入的 研究。包晶合金平衡凝固过程是当体系温度降低到初生相液相线以下时，初生相开始形核并且生长；当温度进一步降低到包晶温度Tp时，包晶相依附于初生相形核，并通过包晶反应开始生长，直至参与包晶反应的两相中有一相完全耗尽。若液相先于初生相耗尽，则获得的凝固组织为包晶相包覆初生相的结构；若初生相先于液相被耗尽，则剩余的液相将直接转变为包晶相，最后获得完全由包晶相构成的组织。提高铸坯等轴晶率，国内外冶金学者和技术人员进行了大量的基础研究和技术开发。包括电磁搅拌、低过热浇注、微合金化等凝固细晶技术、电脉冲孕育处理、超声波振动技术等。连铸坯是钢材的初级产品，在具有工业应用背景的薄带连铸技术中，研究如何提高铸坯等轴晶率有重要的意义。铸坯在凝固过程中，由于其自身凝固收缩、工艺制度和设备等多方面的原因，有可能产生内部裂纹和宏观偏析。铸坯质量将直接影响到最终产品质量。研究和生产实践表明，造成连铸坯宏观偏析的最主要原因是连铸坯在外部强冷却条件下形成发达的柱状晶组织，故消除宏观偏析根本途径是有效控制铸坯的凝固过程，减少铸坯中柱状晶比率，提高等轴晶率。包晶合金凝固过程中的相的形成和微观组织的演化对材料的性能起决定性作用。因此，现在对包晶工程合金的铸坯的凝固过程的研究急需找到相应的突破口，亦即如何能够解决和控制上面铸坯在凝固过程中面临的重要质量问题，其关键在于不同成分下包晶合金凝固过程中的相的形成会对组织的生长起控制作用，即通过两相的竞争形核与竞争生长控制微观组织的演化；如果能够在这个关键点上获得突破，将极大提高包晶工程合金的应用和铸坯连铸技术的研究水平。本发明所述的在包晶合金中利用包晶合金中两相竞争提高铸坯等轴晶率的方法，是首次证明在包晶合金利用两相竞争提高铸坯等轴晶率的方法，并提出了具体的工艺路线，这是完全不同于其它方法的一项新的技术发明。申请人采用包晶合金+等轴晶率(peritectic alloy + equiaxial crystal rate)作为关键词检索了美国的《金属文摘》(Metals Abstracts)、美国的《工程文摘索引》(EI)、Sciencedirect科技论文数据库、ISIWeb of Science等国外科技数据库、我国的《中国期刊网》和《维普中文期刊数据库》等科技文献索引，均没有查到完全相关文献。申请人还检索了美国专利文摘(USPTO)、欧洲专利文摘(EP — PCT)、《中国专利信息网》以及《中华人民共和国国家知识产权局专利检索》也没有发现同类专利。
发明内容
本发明的目的在于利用包晶合金中两相竞争，提高铸坯等轴晶率。选择包晶系模型合金Fe-Ni、Fe-Mn合金为对象，提供了利用包晶合金中两相竞争提高铸坯等轴晶率的方 法。更具体的说，针对薄带连铸工艺生产铸带，基建设备的投资少，工艺流程短；直接铸出的薄带不需热轧直接成材。而性能与普通的热轧带性能相当，生产成本大大降低；由于是从液态直接成带，所以可以生产出难以轧制的材料。本发明是通过喷铸、吸铸方法对其进行了系统的亚快速凝固实验，研究包晶系Fe-Ni、Fe-Mn合金，为工业化的薄带连铸技术提供在(亚)快速凝固条件下，物理模拟薄带连铸凝固过程，实现大幅度提高连铸过程中薄带的等轴晶率。Fe-Ni 合金的包晶反应为BCC(3. 83at. %Ni)+L(4. 91at%Ni) — FCC(4. 33at. %Ni)。本发明选择 Fe-2. 5at. %Ni、Fe_4. Oat. %Ni、Fe_4. 5at. %Ni 和 Fe-7. 5at. %Ni 四种合金成分，通过喷铸方法对其进行了系统的亚快速凝固实验。发现Fe-Ni包晶合金的不同成分对薄带凝固中组织生长(柱状晶的生长和等轴晶的形成)具有重要的影响。Fe-Mn 合金的包晶反应为BCC(9. 898wt. %Mn) +L (12. 739wt. %Mn) — FCC (10. 002wt. %Mn)。本发明选择 Fe_l lwt. %Mn、Fe-13wt. %Mn、Fe-15wt. %Mn 和 Fe_17wt. %Mn 四种合金成分，通过吸铸方法对其进行了系统的亚快速凝固实验。由于Mn元素在熔炼过程中烧损严重，通过化学分析测量四种合金的实际成分分别为Fe-9. 23wt. %Mn、Fe-10. 98wt. %Mn、Fe-11. 48wt. %Mn和Fe_14. 73wt. %Mn。发现Fe-Mn包晶合金与Fe-Ni包晶合金有相同的规律。即不同成分对薄带凝固中组织生长(柱状晶的生长和等轴晶的形成)具有重要的影响。图I为包晶合金的平衡相图。包晶合金平衡凝固过程是当体系温度降低到初生相液相线以下时，初生相开始形核并且生长；当温度进一步降低到包晶温度Tp时，包晶相依附于初生相形核，并通过包晶反应开始生长，直至参与包晶反应的两相中有一相完全耗尽。若液相先于初生相耗尽，则获得的凝固组织为包晶相包覆初生相的结构；若初生相先于液相被耗尽，则剩余的液相将直接转变为包晶相，最后获得完全由包晶相构成的组织。包晶合金在凝固时,具有两相的合金凝固过程，不同相之间存在着两种竞争方式，即形核竞争和生长竞争。薄带凝固过程中，由于形核基底普遍存在，显著降低了两相的形核功，减小了两相形核所需要的过冷度，两相均可沿生长方向延续并且生长竞争。在Fe-Ni合金中，当包晶成分为过包晶成分(4. 33at. %Ni-4. 91at. %Ni)时，先析出相为高温铁素体，优先生长的柱状晶会排出溶质，在柱状晶前沿，液相中溶质的成分会随着柱状晶的生长超出4. 91at.%Ni，从而在随后的凝固中优先析出奥氏体，奥氏体的在柱状晶前沿形核与长大会阻碍铁素体柱状晶的生长。这种通过两相的竞争形核与竞争生长，能大大提高亚快速凝固中薄带的等轴晶率。在Fe-Mn合金中，在过包晶成分时，薄带的等轴晶也大量出现。
本发明涉及利用包晶合金中两相竞争提高铸坯等轴晶率的方法，通过下列技术手段得以实现
a)采用真空电弧炉熔炼Fe-Ni、Fe-Mn合金； b)利用真空喷铸和吸铸方法制备薄带，薄带厚度2.Omm ；
c)米用5% 的硝酸酒精溶液和 Oberhofers (30gFeCl3, IgCucl2,0. 5gSncl2, 50mlHCl,500mlC2H50H, 500mlH20)腐蚀液，腐蚀金相组织；
d)显微组织观察，试样的观察部位为薄带的横截面。采用本发明可提高连铸薄带、薄板和铸锭等铸坯内部质量和减少偏析，提高其铸坯凝固组织的等轴晶率，改善包晶合金铸坯的凝固组织和内部质量。
图I为包晶合金的平衡相图。图2为真空喷铸和吸铸方法示意图(a)喷铸；(b)吸铸；I.玻璃管；2.线圈；
3.铜模；4.电弧枪；5.水冷铜坩埚；6.铜模。图3为喷铸所获得的Fe-Ni包晶合金2. Omm厚度薄带金相照片，其中图3 (a)为 Fe-2. 5at. %Ni, 3(b)为 Fe-4. 0 at. %Ni, 3(c)为 Fe-4. 5 at. %Ni,图 3 (d) Fe-7. 5at. %Ni。图3(a)为放大倍数50倍下的金相照片，可以看出，Fe-2. 5at. %Ni喷铸2. Omm厚度薄带截面组织分成三个区域上、下表层很薄细等轴晶区、对称的柱状晶、中心个别的等轴晶。图3(b)中Fe-4. Oat. %Ni喷铸2. Omm厚度薄带截面组织分成三个区域上、下表层很薄细等轴晶区、对称的柱状树枝晶、中心少量等轴晶。图3(c)为放大倍数50倍下的金相照片，从图中已经看到Fe-4. 5 at. %Ni出现大量的等轴晶。图3(d)为放大倍数50倍下的金相照片，从图中可以看出，Fe-7. 5 at. %Ni在薄带中心区域出现了部分等轴晶。图4为吸铸所获得的Fe-Mn包晶合金2. Omm厚度薄带金相照片，其中图4(a)为Fe-llwt. %Mn,图 4(b)为 Fe-13wt. %Mn,图 4(c)为 Fe-15wt. %Mn,图 4(d)为 Fe-17wt. %Mn。从图4(a)可以看出，Fe-llwt. %Mn吸铸2. Omm厚度薄带截面组织分成三个区域上、下表层很薄细等轴晶区、对称的柱状晶、中心少量的等轴晶。从图4(b)可以看出，Fe-13wt. %Mn吸铸2. Omm厚度薄带中间区域出现大量的等轴晶。从图4(c),图4(d)中看出Fe-15wt. %Mn、Fe_17wt. %Mn厚度薄带截面组织分成三个区域上、下表层很薄细等轴晶区、对称的柱状晶、中心区域个别等轴晶。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明进行详细说明
实施例一
本实施例选择Fe-Ni这一典型的包晶合金为模型合金研究。本实施例的具体工艺步骤如下
I)真空电弧熔炼合金熔配Fe-Ni合金。先用电弧将原料熔化成液态，然后在继续熔炼的同时，开磁搅拌促使合金成分均匀，磁搅拌电流约为0-8A。反复熔炼搅拌合金3-5次。2)真空喷铸制备薄带图2(a)为电磁感应熔炼喷铸实验设备示意图。主要实验过程就是采用真空电磁感应熔炼玻璃管中的母合金，合金熔化均匀后，对合金熔体施加一定的气压，熔体在受到大的气体冲击作用后，快速喷入铜模，凝固成型为合金薄带。喷铸铜模的设计分别在每一个半铜模的内侧同时做出I. Omm的长方体的空腔，当熔体喷入由两个半铜模组合成的铜模后，液态合金凝固后在空腔内形成2. Omm的合金薄带。3)金相试样制备的主要程序为取样一嵌样一磨光一抛光一浸蚀等。浸蚀时，米用5% 的硝酸酒精溶液和 Oberhofers (30gFeC13, lgCucl2,0. 5gSncl2,50mlHCl, 500mlC2H50H, 500mlH20)腐蚀液。浸蚀后应立即用水冲洗，然后用酒精擦洗，用吸水纸吸干或吹风机吹干，在显微镜下观察。4)显微组织观察腐蚀后进行显微组织观察，显微组织观察采用光学显微镜，低倍和枝晶腐蚀检验结果Fe-4. 5at. %Ni薄带等轴晶比例达到40%及以上。实施例二
本实施例选择Fe-Mn包晶合金研究。本实施例的具体工艺步骤如下
I)真空电弧熔炼合金熔配Fe-Mn合金。2)真空吸铸制备薄带图2(b)为电磁感应熔炼喷铸实验设备示意图。主要实验过程就是将熔配好的合金移至浇铸坩埚。引弧熔炼，到合金全部熔化的时候适当加大引弧电流，使合金液顺着导流管浇铸到模具中成型；当合金薄带冷至室温，取下试样。3)金相试样制备的主要程序为取样一嵌样一磨光一抛光一浸蚀等。米用5%的硝酸酒精溶液作腐蚀液。 4)显微组织观察腐蚀后进行显微组织观察，显微组织观察采用光学显微镜，低倍和枝晶腐蚀检验结果Fe-13wt. %Mn薄带等轴晶比例达到25%及以上。
权利要求
1.利用包晶合金中两相竞争提高铸坯等轴晶率的方法，其特征在于该方法具有以下工艺步骤 A.选择Ni含量在I.Oat. %Ni 15at. %Ni的Fe-Ni合金，通过喷铸方法对其进行系统的亚快速凝固实验； B.选择Mn含量在5wt.%MrT25wt. %Mn的Fe-Mn合金，通过吸铸方法对其进行系统的亚快速凝固实验； C.将步骤A和步骤B所制备的薄带，腐蚀薄带横截面金相组织；显微组织观察，结果显 示不同成分对薄带凝固中组织生长具有重要的影响； D.在Fe-Ni合金中，当包晶成分为过包晶成分4.33at. %Ni_4. 91at. %Ni时，先析出相为高温铁素体，优先生长的柱状晶会排出溶质，在柱状晶前沿，液相中溶质的成分会随着柱状晶的生长超出4. 91 at. %Ni，从而在随后的凝固中优先析出奥氏体，奥氏体的在柱状晶前沿形核与长大会阻碍铁素体柱状晶的生长；这种通过两相的竞争形核与竞争生长，大大提高亚快速凝固中薄带的等轴晶率；在Fe-Mn合金中,在过包晶成分时,薄带的等轴晶也大量出现。
2.根据权利要求I利用两相竞争提高等轴晶率的方法，其特征在于其特征在于通过凝固过程高温铁素体和奥氏体相的竞争，抑制柱状晶的生长促使等轴晶的形成，并提高铸坯等轴晶率和质量；采用本发明可提高连铸薄带、薄板和铸锭等铸坯内部质量和减少偏析，提高其铸坯凝固组织的等轴晶率，改善包晶合金铸坯的凝固组织和内部质量。
3.根据权利要求I利用两相竞争提高等轴晶率的方法，其特征在于在包晶合金中利用两相竞争提高铸坯等轴晶率，克服了凝固组织柱状晶发达，所引起铸坯内部裂纹和中心偏析等缺点，合理改善铸坯产品的使用性能和寿命。
全文摘要
本发明涉及利用包晶合金中两相竞争提高铸坯等轴晶率的方法。利用包晶合金凝固时两相的竞争，提高铸坯的等轴晶比例，从而改善铸坯的质量。选择包晶系模型合金Fe-Ni、Fe-Mn合金为对象，提供在(亚)快速凝固条件下一种利用包晶合金中两相竞争提高等轴晶率的方法。具有以下的工艺步骤a)采用真空电弧炉熔炼Fe-Ni、Fe-Mn合金；b)利用真空喷铸方法制备薄带，薄带厚度2.0mm；c)采用5%的硝酸酒精溶液和Oberhofers腐蚀液，腐蚀金相组织；d)显微组织观察，试样的观察部位为薄带的横截面。采用本发明可提高铸坯内部质量和减少偏析，也可改进其它包晶合金钢种的内部质量，提高铸坯的凝固组织的等轴晶率，改善铸坯质量。
文档编号B22D27/20GK102896304SQ20121035147
公开日2013年1月30日 申请日期2012年9月21日 优先权日2012年9月21日
发明者宋长江, 郭远益, 谢柯, 赵仕超, 翟启杰 申请人:上海大学