设备报修服务中心

新闻资讯

news information

首页

2024

驰能铝业前沿·铝合金铸造时合金的偏析因素有哪些？

铝合金铸造时的偏析现象是由多种复杂因素共同作用的结果，主要受凝固过程中热力学和动力学的影响，同时也与铸造工艺参数、合金成分以及晶粒细化技术密切相关。以下是铝合金铸造偏析的主要影响因素和作用机制的详细探讨：

1. 热力学和动力学因素
在铝合金凝固过程中，温度梯度和冷却速率对溶质的分布起着重要的影响。在凝固界面，溶质元素的扩散速率通常较低，而液态铝中溶质元素的浓度更高，这导致溶质在凝固界面前方累积，进而形成偏析。具体来说：
- 冷却速率：快速冷却时，溶质在凝固界面前的扩散受到限制，易形成均匀细小的等轴晶，减少枝晶间偏析现象。然而，较低冷却速率会导致枝晶臂间的溶质富集，形成宏观偏析。
- 溶质再分配：在凝固过程中，溶质在液相和固相中的溶解度不同，形成浓度梯度。这种再分配导致析出的固相浓度不断变化，易导致偏析。特别是枝晶区域中，溶质浓度较高的液相固化时会形成二次枝晶臂，造成明显的偏析。

2. 铸造工艺参数
铸造过程中温度控制、熔体处理以及冷却条件等工艺参数会显著影响偏析现象。
- 熔炼温度：熔体温度过高会增加溶质在液相中的溶解度，冷却时容易出现溶质富集区。因此，控制适当的熔炼温度有助于减少偏析程度。
- 冷却速率与铸件尺寸：较大的铸件和低冷却速率容易导致凝固时间延长，溶质在枝晶间的富集程度增大；而较高的冷却速率使枝晶间的成分差异缩小，有助于减少偏析。
- 外部搅拌与超声波技术：使用电磁搅拌或超声波振荡等手段可在凝固过程中强化熔体的流动性，促进溶质的均匀分布。搅拌可以减少液相中溶质的富集，减少宏观偏析的发生。同时，超声波还可以细化晶粒，进一步降低偏析现象。

3. 合金成分及其对偏析的影响
不同合金元素在凝固过程中对偏析的影响各不相同。铝合金中添加的不同元素会影响凝固过程中的析出顺序和溶质再分配规律。
- 高Mg含量合金：例如5XXX系Al-Mg合金具有高比强度和良好的耐腐蚀性，但Mg在枝晶间易产生偏析，导致成分不均。通过亚快速凝固技术可以减小Mg的枝晶间偏析，获得均匀的组织。
- 微量元素的作用：微量元素如钛、硼、锶等可以通过细化晶粒和改善界面特性来减少偏析。例如，钛和硼的加入有助于形成细小均匀的等轴晶结构，从而减少枝晶间偏析。

4. 晶粒细化技术
晶粒细化是减少偏析的有效手段，通过控制晶粒大小和分布来均化组织，降低偏析风险。常用的晶粒细化技术包括加入铝-钛-硼（Al-Ti-B）细化剂，以控制晶粒生长和结晶过程中的偏析情况。
- Al-Ti-B细化剂的作用：细化剂中的TiB₂颗粒能够作为形核质点，促进等轴晶生成，阻止柱状晶的形成，显著减少偏析现象。通过控制细化剂添加量，确保TiB₂颗粒均匀分布在熔体中，可以获得更为均匀的晶粒结构。
- 细化剂的添加方式：目前工业上多采用线状铝-钛-硼细化剂，通过在线加入来进行连续处理，使细化剂更均匀地分布于熔体中，减少偏析的发生。此外，这种线状细化剂可以避免在炉内沉积，确保熔体中细化剂的含量恒定，从而减少偏析。

5. 枝晶间偏析和宏观偏析的抑制方法
铝合金铸造时，宏观偏析（如铸锭头尾偏析）和枝晶间偏析是常见的缺陷，通过以下技术手段可有效抑制偏析：
- 等温处理：在铸锭凝固后进行均匀化热处理，促使溶质扩散均匀，可以减少枝晶间偏析。此外，通过提高均匀化处理温度和延长保温时间，能够有效消除枝晶间溶质富集。
- 铸件设计和冷却优化：通过优化铸件的几何设计和冷却工艺，可以控制热流方向，减小偏析。例如，在大截面铸件中增加冷却通道，或在薄壁铸件中采取快速冷却手段，有助于减少溶质富集区域，降低偏析程度。

铝合金铸造过程中的偏析主要由冷却速率、合金成分、铸造工艺参数以及晶粒细化技术等多重因素共同作用所决定。通过精确控制熔体温度、优化冷却速率、合理添加晶粒细化剂、并采取均匀化热处理等措施，能够有效减小偏析的发生。这些技术手段在提高铝合金铸件质量和性能均匀性方面起到了关键作用，也为铝合金在高端制造领域的应用提供了有力支撑。