铝合金凝固组织的细化方法和机理概述

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目前，铝型制品在工业中的需求量逐渐增加，因为铸造铝合金的密度比铸铁和铸钢小，比强度较高，熔点低，液态流动性能良好。在承受相同载荷条件下，采用铸造铝合金可以减轻设备重量，所以在现代航天航空工业及动力设备和交通运输设备制造中，铸造铝合金得到广泛应用。

人们在研究中发现，细化晶粒是改善金属材料性能最有效、最直接的方法，孕育是铸造金属晶粒细化的重要手段。传统的孕育处理方法是在液态金属中加入孕育剂或变质剂，通过试剂与金属液发生反应有的生成了异质形核的核心，这种反应增加了金属的形核率，同时部分试剂分布于晶界处，使晶核难以继续长大，以实现细化晶粒的目的。但这种传统的处理方法有一定缺陷：存在污染并且孕育处理时效产生。

细化晶粒是改善铝合金质量的重要方法，为了获得铸造金属最佳性能，需要把晶粒控制为细小均匀的等轴晶。对此，可以采用多种方法进行晶粒细化，包括机械物理细化晶粒法、物理场细化晶粒法、化学细化晶粒法。

1机械物理细化晶粒法

实验证明，金属的晶粒尺寸与晶粒成核速率和晶粒长大速率密切相关。为了获得细晶粒尺寸的金属，需要控制成核率大于晶粒尺寸，相反，将获得粗晶粒金属。相关实验还表明，过冷度会影响晶粒的成核速率和晶核的生长速率，成核速率和生长速率随过冷度的增加而增加。如果过冷度持续增大到一定程度，晶核的增长速度将小于晶粒的形核率，此时会出现明显的细化晶粒作用。

在铸造铝合金制备的浇注和结晶过程中，采用机械物理（如机械振动、机械搅拌）是一种细化晶粒的方法。机械物理（振动和搅拌）为液态铝合金提供了充足的能量，增加了成核能力和晶粒的成核速率。同时，结晶晶体受到机械物理（振动和搅拌）产生的对流冲击的影响。在这种作用下，晶体被破坏，破碎的晶体形成新的晶核。可见，晶粒细化是由成核速率

的增加而产生的。机械振动和机械搅拌是较为传统的两种方法，在工业生产中应用较广。但是，由于其操作控制具有一定难度，人为影响因素比较大，因此在铸造铝合金中，尤其是在制备高品质的铝材工业生产中存在很大缺陷。

2物理场细化晶粒法

对金属凝固组织施加物理场的科学研究在20世纪30年代首先被提及，但当时科学技术水平有限，无法支持物理场对晶粒细化作用的科学研究。直到20世纪末，全球科学技术水平得到飞速发展，使得人们可以有效地制备超声波、电磁场和大功率电流等物理场。就目前来看，物理场可以有效地控制晶粒的尺寸，达到细化晶粒的作用，使金属产品的质量得到明显改善。现阶段最主要的3种物理场细化晶粒的方法包括电流方向、磁场方向、超声波方向。

2.1电流方向

20世纪60年代初期，W.GPFANN 等首先研究了电场作用下的传输行为。1987年，MelTon.C.Fleming 研究发现，采用高压电场对液态金属进行大电流放电处理，金属的组织明显细化，得到具有光滑表面的准球状或球状的晶粒形貌。顾根达在实验中也发现，在电流小于750A 、电压小于10kV 的作用下，铸态金属组织得到细化。1996年，Li Hui 等人研究了Al-Si 亚共晶铝合金的组织结构。实验结果表明，亚共晶铝合金的伸长率和拉伸强度在电流处理后明显改善。初级a-Al 逐渐从粗树状枝上细化，最终形成粒状形态。

目前，在电场对铝及合金晶粒细化的影响领域，其细化机理有如下两种看法：1〇在铝熔体中存在着原子集团，对铝熔体施加电场后，迁移作用会产生，促使原子集团发生移动，在移动过程中原子集团势必会发生摩擦。此外，电场还削弱了原子团的电子云，从而有效地降低了电子云的屏蔽效应。因此，在这种电场力和摩擦力的交互影响下，原子集团破碎成一个个更

【作者简介】徐博聪，男，辽宁辽阳人，硕士，辽宁省机电工程学校讲师，研究方向：焊接技术与应用金、属熔炼技术与应用。

铝合金凝固组织的细化方法和机理概述

徐博聪

（辽宁省机电工程学校，辽宁辽阳111000）

【摘要】铸造铝合金比铸铁和铸钢密度小，具有比强度较高、熔点低、流动性能好的特

点。铝合金的需求随着工业生产的增加而增加。为了提高铝合金的应用范围，提高铝合金的强度是一个重要课题。目前，晶粒细化是提高工业省份铸造铝合金性能的最直接也是最经济的方式。文章介绍了3种铝合金凝固组织的细化方法和机理：机械物理细化晶粒法、物理场细化晶粒法、化学细化晶粒法。【关键词】铝合金；凝固组织；晶粒细化【中图分类号】TG11【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）08-0077-02

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4结语

本系统对猴饲养过程中产生的检验检疫数据进行存储，对相关信息进行高效快速地存储、检索和分析，有助于生产企业了解当前可用的动物模型数量，指导企业生产方向和对外销售，也利于提供实验用猴的筛选。长远来说，充分利用计算机技术提高实验动物的信息化建设，有助于提高实验动物的利用率，有助于保护好这些小生灵，也有助于了解实验猴种群与人类种群的差异。

参考文献

［1］王宏，韦秋奖，陈智岗，等猕猴档案管理系统的开发与应用［J］畜牧兽医科学，2017（12）

［2］陈纪猛，王训立，郑和平，等实验动物与比较医学［J］Laboratory AnimalandComparative Medicine，2015（1）

［3］李大鹏，李静，张永军，等实验动物信息化管理设计［J］解放军医院管理杂志，2009（4）

［责任编辑：钟声贤］

小的原子集团，这些小原子集团将会成为潜在的固态晶核，从而得到的晶胚尺寸就会较小，初生的晶核尺寸更小，形貌更细。2〇在对液态组织施加脉冲电流或交变电场的作用下，金属溶体会产生脉冲磁场或交变磁场，熔体在磁场与电场的交互作用下出现收缩作用，使得金属溶体被压缩，随之出现冲击波，于是在收缩力与冲击波的作用下，树枝晶被反复压缩和波动，促使其发生碎断，形成小块晶粒，形核率显著提高，从而实现晶粒细化目的。

2.2磁场方向

电磁处理技术作为一种操作方式简易且没有污染的工艺方式，在当今社会得到广泛关注。1974年，我国开始工业装置领域的电磁铸造技术研究，经过多年工业实践表明，金属铸造胚胎在采用电磁铸造技术后，其表面质量得到有效改善，该技术有效细化了晶粒和枝晶的间距，大大提高了我国机械的性能，在特需产品生产领域得到广泛应用。在我国铝及合金制品的生产和研究领域，涌现出一大批优秀的科研工作者。例如，1980年在中国东北轻合金加工厂首次制备了铝合金锭电磁处理技术。訾冰涛的研究发现，强脉冲磁场可以显著改善LY12铝合金的晶粒尺寸。

2.3超声波方向

超声处理对金属晶粒尺寸和形貌的影响受到人们关注。在制备碳素钢的过程中，采用超声波处理发现，超声波处理能有效细化碳钢晶粒。而在连续铸造领域，Irsid在铸造过程中对液态组织采用超声波振动处理，结果表明，超声波振动明显细化了碳钢的晶粒，而且超声波有效地控制了Al-Cu合金在连续铸造过程容易产生的表现偏析现象。李英龙等人对Al-Si合金施加了最大功率为500W（可调），频率为20kHz的超声波，实验结果表明，当超声波处理在一定参数条件下（声强I=3.5W/m2）初生Si和共晶Si的显微组织为双重细化。在超声波作用下，Si具有破碎的粒子状态。这种细晶强化有效提高了合金的强度和塑性。因此，从各种实验结果来看，超声波处理是一种有效的细化铝及铝合金晶粒的方法。

总之，电流、磁场和超声波在铝合金凝固组织中的应用将使其晶粒细化。与传统的晶粒细化技术相比，利用这些物理方法有效地控制和细化铝合金的铸造结构，可以大大避免环境和铝合金本身的污染，随着对环境保护和金属材料质量的要求越来越高，物理场细化技术将受到越来越多的关注，并将以更快的速度应用于机械加工领域。

3化学细化晶粒法

在铝及其合金的液态结构中加入特定的细化剂来细化晶粒的方法称为化学细化晶粒法。选择合适的晶粒细化剂是化学晶粒细化法的核心，比如在铝合金中，最困难的是选择合适Al-Ti-B晶粒细化剂的Ti/B比例。在熔炼过程中选取合适的细化剂，通过细化剂的作用使金属的液态组织产生很多有效形核核心，晶核数量的增多导致晶粒细化。

20世纪80年代以来，铝合金晶粒细化剂在我国铝加工企业得到广泛应用。在国家的大力支持下，我国生产的铝合金细化剂在国际上占有一定市场。在全球市场中，主要的铝合金细化剂产品有Al-Ti、Al-Ti-B、Al-Ti-B-RE、Al-Ti-C等，产品的形式主要为合金锭和线材。

参考文献

［1］黄良余铝及其合金的晶粒细化处理简述［J］特种铸造及有色合金，1997（3）：43-45，56

［2］任时宇Al-Zn-Mg-Cu合金时效过程中组织和性能的研究［D］哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013

［3］王红霞，张国平，许春香，等机械振动对纯Al晶粒细化及凝固收缩的影响［J］铸造设备研究，2007（1）：28-

31

［4］许春香，赵润章铝及其合金晶粒细化的探讨［J］太原理工大学学报，1999（5）：35-38

［5］朱正锋，兰晔峰铝及合金晶粒细化研究现状及发展趋势［J］铸造设备研究，2004（2）：51-54

［6］刘晓涛，崔建忠Al-Zn-Mg-Cu系超高强铝合金的研究进展［J］材料导报，2005（3）：47-51

［7］陈小番，王义仁Al-Ti-B晶粒细化剂的研究进展［J］南方金属，2010（5）：5-8，25

［责任编辑：钟声贤］

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