液态金属中气体含量对凝固组织及宏观偏析的影响

摘要

在金属的铸造过程中，会出现很多缺陷，如偏析、疏松、裂纹、缩孔等。其中偏析是铸造过程中最主要的缺陷之一，尤其是宏观偏析，其在后续的处理工艺中很难溶解消除，这种不可逆的凝固缺陷对材料的使用寿命往往是致命的。本文以35号钢、高锰钢和有色金属镁、铝为研究对象，通过测气仪、OM、SEM和直读光谱仪等一系列检测分析手段，系统地研究了气体含量的变化对金属凝固组织的演变规律及其宏观偏析的影响。研究结果表明： (1)液体金属中气体含量的变化会对凝固组织产生显著的影响，尤其是组织中柱状晶的变化更为突出。当35号钢中的氧含量由1.0×10-3wt%增加到2.0×10-3wt%时，柱状晶区变宽并明显增大，柱状晶形状由细短条状变为粗大的长条状，平均长度约从728μm增加到3213μm；当高锰钢中的氧含量由0.8×10-3wt%增加到1.4×10-3wt%时，其柱状晶平均长度约从799μm增加到942μm。除气前后柱状晶长度的差值35号钢(2485μm)大于锰钢(458μm)，主要是因为锰元素导致除氧前后氧含量变化小，致使氧含量对组织的影响也随之变小。对于有色金属试样，当纯镁中的氢气含量由7.0ml/100g增加到8.5ml/100g时，柱状晶的平均长度约从1199μm增加到2815μm，宽度约从824μm增加到1077μm；纯铝中的氢含量由0.13ml/100g增加到0.15ml/100g时，柱状晶长度约从1cm增加到1.5cm，宽度约从0.2cm增加到0.5cm。对比除气前后柱状晶平均长度的差值35号钢(2485μm)大于纯镁铸锭差值(1616μm)，主要是因为35号钢的导热系数较纯镁小，导致气体对于钢锭柱状晶组织影响较大。 (2)液体金属中气体含量的变化不仅影响凝固组织，同时对宏观偏析也有一定的影响。除气前后，35号钢中C、S、P元素含量由0.36%、0.037%、0.038%增加到0.45%、0.05%、0.06%；高锰钢中C、S、P元素含量由1.0%、0.05%、0.06%增加到1.1%、0.14%、0.10%。纯镁中Fe元素含量则由0.005%增加到0.018%；纯铝Fe、Si元素含量由0.02%、0.75%增加到0.08%、0.8%。 (3)气体含量的变化在影响凝固组织和宏观偏析的基础上，对性能也具有一定的影响。对除气前后纯镁试样进行盐雾腐蚀，结果表明，气体含量多的纯镁试样，存在着严重的不均匀腐蚀现象，主要发生在Fe元素偏析的部位；气体含量少的试样，未发生不均匀腐蚀现象。

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摘 要

1 绪论

1.1 引言

1.2 金属凝固过程中的偏析

1.2.1 钢锭中的偏析

1.2.2 镁合金中的偏析

1.2.3 铝合金中的偏析

1.3 有色金属中气体的研究概况

1.3.1 镁合金中氢的研究概况

1.3.2 铝合金中氢的研究概况

1.4 气体影响凝固组织和偏析的研究现状

1.5 本课题的研究目的及意义

1.6 本课题的研究内容

2 实验条件和方法

2.1 实验方案

2.2 原材料

2.3 试样的化学成分

2.4 实验设备

2.4.1 熔炼设备

2.4.2 其他设备

2.5 熔炼工艺

2.6 气体含量的测量

2.7 显微组织观察及成分分析

2.8 盐雾腐蚀实验

3 气体含量对试样凝固组织的影响

3.1 金属凝固组织的形成机理

3.2 气体含量的变化

3.3 氧气含量对钢凝固组织的影响

3.4 氢气含量对有色金属凝固组织的影响

3.4.1 氢气含量对纯镁凝固组织的影响

3.4.2 氢气含量对纯铝凝固组织的影响

3.5 本章小结

4 气体含量对试样宏观偏析的影响

4.1 凝固过程中偏析形成的基本理论

4.2 氧气含量对钢成分分布的影响

4.3 氢气含量对纯镁成分分布的影响

4.4 氢气含量对纯铝成分分布的影响

4.5 分析及讨论

4.6 本章小结

5 气体含量对纯镁试样腐蚀性能的影响

5.1 盐雾腐蚀的机理

5.2 气体含量对纯镁试样盐雾腐蚀的影响

5.3 分析与讨论

5.4 本章小结

6 结论

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表论文