DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2001.02.013
热型连铸锌铝合金定向凝固线材的组织分析
甘肃工业大学材料科学与工程学院!兰州730050
华中科技大学材料科学与工程学院!武汉430074
摘 要：
对热型连铸锌铝合金定向凝固线材的铸态及热处理组织进行了观察、分析和讨论。结果表明 :热型连铸锌铝合金线材的显微组织为定向生长的平行柱状枝晶组织 ;共晶合金ZA5的枝状共晶的每个枝晶都由多层片状共晶 β和 η两相构成 , 过共晶合金的组织为初生树枝晶和枝晶间共晶组织 , 其中ZA8, ZA12初生相为 β相 , ZA2 2和ZA2 7的初生相是α相。
关键词：
中图分类号： TG249.7
收稿日期：2000-04-27
Microstructure analysis of ZA alloy rod directionally solidified by heated mold continuous casting
Abstract：
The as cast and heat treatment microstructure of ZA alloy rod directionally solidified by continuous casting has been analyzed. The results show that the microstructure of the ZA alloy lines is the parallel directional dendritic columnar crystal. Every dendritic crystal of eutectic alloy ZA5 is composed of many layer eutectic β and η phases. The microstructure of hyper eutectic ZA alloys is primary dendritic crystal and interdendritic eutectic structure. The primary phase of ZA8 and ZA12 is β phase, but the primary phase of ZA22 and ZA27 is α phase. [
Keyword：
continuous casting; directional solidification; zinc aluminum alloy; heated mold;
Received： 2000-04-27
热型连铸工艺即OCC连铸工艺, 是由日本学者大野笃美 (OhnoA) 发明的
1 锌铝合金的凝固特点
试验采用的锌铝合金ZA5为共晶合金, ZA8, ZA12, ZA22和ZA27均为过共晶合金, 其中ZA8和ZA12含铝量低于14%, 凝固时只发生共晶和共析反应, 而ZA22和ZA27凝固过程中还要发生包晶反应。根据相图分析, 如果在平衡条件下结晶, 凝固后的锌铝合金组织将是富铝α相和富锌η相。在热型连铸条件下, 凝固速度一般较快, 凝固过程不可能完全按照相图在平衡条件下进行, 溶质在固相和液相中的扩散进行得不完全凝固时要发生溶质的再分配和偏析。除ZA5以外的其他锌铝合金都有一定的凝固温度范围, 结晶时首先析出初生相, 剩余液体金属随结晶的进行, 逐渐富集溶质, 当达到共晶成分和温度时, 发生共晶反应。因此, 热型连铸锌铝合金的组织一般由初生枝晶相和枝晶间共晶组织构成;因为合金中一般还加入少量Cu, Mg等合金元素, 所以富铜ε相共晶体分布于晶间。
2 热型连铸锌铝合金的铸态组织
经过初期的引锭阶段后, 传热条件和铸型温度逐渐稳定下来, 这时就进入晶体稳定生长阶段。由于铸锭中从型口到冷却器之间建立起一个单向传热的定向凝固条件, 根据晶体竞争生长原理, 只有取向与热流条件平行的晶粒才能获得较大的生长速度, 逐渐超前并淘汰掉其他取向不利的晶粒, 竞争生长的结果最终使铸锭组织中只留下单向生长的柱状晶组织。连铸过程中晶体都以枝晶方式生长
对晶体稳定生长阶段的表面光滑的铸锭进行组织观察, 结果如图1～4所示。
从图中可以看出, 热型连铸ZA合金线材的组织纵截面由许多沿轴向生长的平行柱状晶组织构成, 枝晶的生长方向与拉铸方向相反, 枝晶主干上规则排列着细密的二次枝晶。在试验条件下凝固速度较快三次枝晶来不及发展而且还会受到二次枝晶臂的阻碍, 所以组织中很少发现三次枝晶。铸锭的横截面为均匀分布的岛状组织, 这是各次枝晶干的横断面, 因此, 热型连铸锌铝合金线材具有良好的定向生长的柱状枝晶组织。虽然各种热型连铸锌铝合金线材均为柱状晶组织, 但是由于各种合金的具体成分不同, 凝固特性也不同, 所以各种锌铝合金的微观组织也存在较大的差别。
图1 ZA5的热型连铸显微组织
Fig.1 Microstructures of ZA5 in heated mold continuous casting
t=390℃;v=22.5 mm/min;d=25 mm;Q=16 L/h (a) —Longitudinal section; (b) —Cross section
图2 ZA12的热型连铸显微组织
Fig.2 Microstructures of ZA12 in heated mold continuous casting
t=442℃;v=40.5 mm/min;d=25 mm;Q=16 L/h (a) —Longitudinal section; (b) —Cross section
2.1 共晶合金ZA5的热型连铸组织
共晶合金结晶时的晶体宏观形态与单向合金晶体相似, 随着结晶条件的改变, 呈现出从平面生长、胞状生长到枝晶生长, 从柱状晶到等轴晶的变化 (共晶群体) 。因此, 在实验条件下ZA5的晶体生长是枝晶生长方式。纯二元共晶合金结晶时, 横向扩散的主导作用使两相原子在界面前沿富集富集层厚度远小于导致单相合金成分过冷的溶质边界层厚度, 因此远不会引起共生界面前沿的成分过冷。因为在试验中ZA5不可避免地存在极少量的杂质, 这样在凝固结晶时每个相在生长过程中都要排出杂质原子, 并在界面上形成富集层, 这个富集层的厚度将达到相当于几百个层片厚度的数量级。在热型连铸条件下, 界面前沿出现成分过冷, 引起界面生长形态的改变, 使枝晶生长成为可能, 从而获得树枝状晶共晶组织。在枝状晶生长过程中, 共晶两相仍以垂直于界面的方式进行共生生长, 两相层片会发生弯曲而形成放射状结构 (见图5) 。
ZA5在382℃时发生共晶反应生成β相和η相混合物。因为共晶组织的微观形态即共晶两相析出时的形状和分布与组成相的结晶形态、它们在结晶过程中的相互作用以及具体的结晶条件有关因此非平小面非平小面共晶合金ZA5结晶时以共生生长的方式进行。结晶时, 后析出相η相依附于领先相β相表面而析出, 依靠溶质原子在界面前沿的横向扩散, 互相不断地为另一相提供所需的组元, 两相彼此协同生长, 结果形成了两相交迭、紧密掺和的柱状晶共晶群体组织。从图5所示的SEM照片中可以清楚地看出, 这些共晶群体组织为典型的层片状共晶组织。每个枝晶都是共晶群体的一个单元, 其中包含许多相互交迭的白色片层和暗色片层。因为枝晶主干部分两相片层密集, 枝晶交界处片层稀疏, 暗色部分较多, 低倍组织中可以观察到两种条纹交替排列相互平行地沿一个方向延伸, 具有明显的定向生长特性。按照相图, 共晶组织中室温下α相仅占5%左右, 但组织白色部分所占的比例远大于而且以片层形式生长这说明白色片层中不仅包含α相, 而且还有η相存在。根据文献
图3 ZA22的热型连铸显微组织
Fig.3 Microstructures of ZA22 in heated mold continuous casting
t=490℃;v=36.0 mm/min;d=20 mm;Q=16 L/h (a) —Longitudinal section; (b) —Cross section
图4 ZA27的热型连铸显微组织
Fig.4 Microstructures of ZA27 in heated mold continuous casting
t=500℃;v=31.5 mm/min;d=20 mm;Q=16 L/h (a) —Longitudinal section; (b) —Cross section
虽然锌铝合金共晶反应产物β相占25.5%, 小于1/π, 但共晶两相的界面位向对两相的共生生长的形状影响很大, 片状共晶的β相和η相间界面更可能是低界面能的界面, 所以最终形成的是片状共晶组织
图5 ZA5的共晶生长形式
Fig.5 Eutectic growth of ZA5 in heated mold continuous casting
(a) —Longitudinal section; (b) —Cross section
2.2 过共晶锌铝合金的热型连铸组织
非共晶成分的合金在凝固结晶过程中要发生溶质的再分配, 界面前沿析出溶质, 造成溶质的偏析。锌铝系列合金凝固过程中有初生相先析出, 向熔体中排出Zn及其他合金元素如Cu等, 界面前沿溶质的富集导致液体金属凝固结晶温度的变化, 引起成分过冷。随着凝固的进行, 枝晶主干不断地向前伸展, 二次分枝长出, 枝晶的不断分枝和生长在过冷区内迅速形成初生树枝晶骨架。在枝晶骨架的液固两相区内, 一次和二次枝晶的生长使得剩余液相中溶质不断地富集, 液体成分逐渐移向共晶点, 凝固温度也不断地降低, 致使分枝周围液体的过冷度很快消失, 枝晶便停止分枝和生长。由于没有成分过冷作用, 分枝侧面往往以平面生长方式完成其结晶过程。枝晶间液体成分到达共晶成分, 温度降到共晶点时, 剩余液相发生共晶反应。因此, 过共晶锌铝合金的组织一般由初生枝晶相和枝晶间共晶组织构成。因为热型连铸工艺条件下界面前沿液相中为正的温度梯度, 凝固时热量仍然通过已结晶的固相散失, 所以枝晶前端向液相中推进的速度仍然受到传热条件和拉铸速度的约束, 而溶质元素在液相中的扩散则支配着枝晶的生长行为, 枝晶生长过程中枝晶主干的生长方向与热流的方向相反, 形成柱状枝晶组织。
ZA8和ZA12分别含铝8%和11%。从相图可以看出, 它们为过共晶锌铝合金, 凝固时要首先析出初生相β相, 发生共晶反应和共析反应。从图3和4中能够看出明显的定向枝晶生长的组织, 初生相是典型的平行柱状树枝晶, 生长方向平行于热流方向。文献
图6 ZA12的SEM微观组织
Fig.6 Microstructure of ZA12
ZA22和ZA27凝固过程中会发生包晶、共晶和共析3个反应。凝固时首先析出初生富铝α相并以枝晶方式生长, 在α相枝晶生长过程中, 液相中锌原子逐渐富集, 当液体成分达到14%时, 包晶反应发生, 这时温度为455℃。β相在α相表面发生异质形核并很快沿α相枝晶表面生长, 将α相包裹在中间。进一步的包晶反应通过相间的扩散进行, 锌原子自β相与液相界面向α相与β相界面扩散, 导致α相与β相界面向α相一侧扩展, 而铝原子则自α相与β相界面向β相与液相界面扩散并导致界面向液相扩展完成包晶反应。由于固相扩散速度比较缓慢, 包晶凝固过程中凝固界面生长速率缓慢, 在热型连铸有限的凝固过程中包晶反应很难充分进行, 凝固完成后在β相的中心通常存在着非平衡的α相。在定向生长过程中β相依附于α相形核并生长, 在β相的尖端发生锌原子向α相的扩散导致α相被蚕食 (见图7) 。随后的凝固过程与ZA8和ZA12相似, 先后发生枝晶间溶质的偏析、共晶反应和共析反应, 这两种合金最终凝固后的组织仍然是由初生树枝晶和枝晶间共晶组织构成。由于ZA22和ZA27含铝量较高, 初生枝晶发展较好, 枝晶间共晶组织相对来说要少得多。
3 热型连铸锌铝合金的热处理组织
晶内偏析和晶界偏析是不平衡结晶的结果, 在热力学上是不稳定的, 如能设法使溶质原子进行充分扩散即能消除晶内偏析和晶界偏析。把铸件加热到低于固相线一定的温度, 长期保温, 使溶质原子充分扩散, 则可减轻或消除微观偏析, 达到提高铸件力学性能的目的。
图7 定向凝固中的包晶反应
Fig.7 Peritectic reaction of directional solidification
图8所示是ZA8经均匀化退火后的组织, 将其与铸态下的组织相比较可以看出, 其枝晶间共晶组织减少, 枝晶变得粗大, 不平衡结晶组织得到减少或消除。实验结果表明, 经过均匀化退火处理的ZA27的抗拉强度高达464.8MPa。
4 结论
1) 热型连铸锌铝合金线材的显微组织为定向生长的平行柱状枝晶组织。
2) 共晶合金ZA5的枝状共晶的每个枝晶都由很多层片状共晶β和η两相构成, 过共晶合金的组织为初生树枝晶和枝晶间共晶组织, 其中ZA8和ZA12的初生相为β相, ZA22和ZA27的初生相是α相。
图8 ZA8热型连铸线材热处理后的显微组织
Fig.8 Microstructures of ZA8 after heat treatment
t=415℃;v=31.5 mm/min;d=25 mm;Q=16 L/h;350℃×2 h (a) —Longitudinal section; (b) —Cross section
3) 热型连铸的锌铝合金线材具有较优异的力学性能
参考文献
