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A356合金熔体调控对流动性的影响机理研究

作　者: 起华荣
导　师: 史庆南
学　校: 昆明理工大学
专　业: 材料学
关键词: A356合金流动性熔体调控数值模拟
分类号: TG27
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

流动性是衡量合金铸造性能的重要指标,对于精密铸造和近终成形技术尤为重要,但是由于流动性测量受到凝固特性、非稳态流动、非稳态传热等因素影响,使流动问题变得十分复杂。为了弄清合金元素变化、细化变质等熔体调控手段对流动性的影响,本文从流动性测试方法研究入手,通过实验对比分析,设计制造了新的流动性测试模进行流动性测量,并以A356合金为研究对象,全面探讨了粘度、氧化物、细化变质、熔体热处理等因素对流动性的影响,采用数值模拟的方法进一步研究了理想状态下合金元素变化对流动性的影响,获得了铝合金流动性变化的一些基本规律,初步建立了粘度计算和流动性计算的数学公式,对于铝合金生产和研究具有一定的参考价值。本文首先通过分析各种流动性测试方法的利弊,设计了新的金属型流动性测试模对流动性进行测试,解决了流动性研究的方法问题。新设计采用感应加热保温方式保持熔体温度和成份均匀；设计新的浇杯结构,解决了金属型测试模分型难的问题；配合特殊的涂层涂覆与干燥方法,保持流道参数稳定；在浇口处设置过滤,除去夹杂,平稳浇速。实验研究证明,该测试装置制作简单,重现性好,具有一定的新颖性,适用于测量各种有色合金流动性,以该测试模测试为基础,对影响流动的各主要因素逐一进行研究,取得了良好的效果。通过对合金熔体粘度的理论分析,认为合金液相线附近的粘度与流动性存在很大的关联。合金凝固过程中,原子从无序运动状态转变为绕固定晶格点振动状态,原子振动频率和振幅降低,原子间距缩短,原子之间的引力增大,宏观表现为熔体粘度的增大。熔体粘度增大的速度和程度与合金元素在熔体中的扩散势垒高低有关。论文研究提出了合金粘度计算的数学公式：该公式表达了一种以基体金属粘度为基础进行二次修正获得合金粘度的新思想。合金熔体粘度与合金元素之间的振动频率差,半径差、质量差有一定关系,并且与相变势垒、扩散激活能、熔体过热温度、合金溶质质量分数有关,并遵守基本的二次函数规律,经验证计算,该公式计算值与Al-Si合金熔体粘度随成份变化实验值基本一致。对熔体进行过热处理或者是添加熔体调控元素,将会改变熔体的结构以及氧化物夹杂的数量和尺寸,从而对流动性产生影响。熔体中氧化物的增多会使熔体表面氧化膜厚度增加,降低熔体与模壁的润湿,能够微弱提高流动性,但是强烈降低铸件质量；对合金熔体进行适当的热处理可以细化熔体内的准晶团簇,加强熔体过冷能力,能提高流动性。本文讨论的新的熔体温度处理+电磁搅拌工艺,在实际A356合金生产过程中既能保证合金质量,又能提高了合金流动性,获得了良好的效果。熔体细化与变质通过改变熔体过冷度,改变固相分散度、固相形状系数,改变粘度来影响流动性。细化与变质处理改变了熔体的过冷能力,使准晶团簇变多变小,延长长大时间,使枝晶搭接时间后延,提高流动性。但是实验发现继续添加细化剂,晶粒继续细化但流动性反而下降。分析认为,随着细化加剧,异质颗粒使熔体形核温度上升,粘度增大,同时细化剂会造成固相分散度增大,使流动变得困难,从而使流动性降低。因此,细化变质对合金流动性的影响是延迟枝晶搭接的正面效应与增加固相分散度使粘滞力增加的负面效应相互作用的结果。数值模拟研究发现,微量Si、Mg、Ti、Cu、Fe元素能够使A356流动性发生显著改变,微量Pb、Mn、Sn、Zn对A356流动性影响不明显；微量Si、Mg、Ti、Cu、Fe影响流动性主要表现出了指数函数和二次函数两种规律。数值模拟同时还发现流动性指标属于一种统计平均值而并非恒定不变的常数值,这将有助于对流动性评价指标的重新思考和定位。数值模拟还发现了Al-Si合金中Si增加流动性提高的原因不是Si结晶潜热的释放使熔体温度升高,共晶Si释放大量潜热的时候流动已经停止。在合金加热熔解时需要吸收了大量热能用于熔化Si,使得熔体中Al团簇被大量熔解,自由原子增多,这可能是流动性提高的主要原因。根据本文的研究,按照物理学定义流动性与粘度的强烈关联性,本文在粘度计算公式的基础上,综合考虑影响流动性的铸造模数、充型压头、过热度、固相分散度、固相形状系数等参数的相互作用,遵循元素影响流动性的二次函数规律和指数函数规律,构建了新的元素影响流动性的理论计算公式：该公式对于合金流动性的控制与提高具有一定的参考价值。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-11
第一章绪论  11-35
  1.1 引言  11-12
  1.2 影响流动性的金属熔体特性参数  12-22
    1.2.1 合金成份  12-15
    1.2.2 过热度  15-16
    1.2.3 粘度  16
    1.2.4 表面张力及氧化层  16-17
    1.2.5 熔体净化  17-18
    1.2.6 晶粒细化  18-20
    1.2.7 变质  20-22
  1.3 停止流动机理  22-23
  1.4 铸模特性  23-24
    1.4.1 铸模材料  23
    1.4.2 透气性  23
    1.4.3 涂料及涂层  23
    1.4.4 模具温度  23-24
  1.5 流动长度的解析解  24-25
  1.6 流动性测试方法  25-28
  1.7 铝合金熔体熔体结构  28-30
  1.8 A356合金的凝固特性  30-32
  1.9 流动性研究存在的结论及问题  32-33
    1.9.1 基本结论  32
    1.9.2 基本问题  32-33
  1.10 研究内容  33-34
  1.11 研究的目的及意义  34-35
第二章 A356合金流动性测试与计算方法研究  35-54
  2.1 流动性测试方法研究  35-39
    2.1.1 螺旋形砂模流动性测试法  35-36
    2.1.2 复沟型砂模流动性测试法  36-38
    2.1.3 石墨模流动性测试法  38-39
  2.2 新的流动性测试方法  39-43
    2.2.1 新型流动性测试模结构特点  40-41
    2.2.2 新型分离式浇杯设计  41-42
    2.2.3 操作说明及新颖性  42-43
  2.3 流动性计算方法研究  43-48
    2.3.1 传热模型计算过程推导  43-47
    2.3.2 推导存在的问题  47-48
  2.4 验证实验  48-52
    2.4.1 计算公式的实验验证  48-49
    2.4.2 实验结果  49
    2.4.3 理论值与实验值的对比  49-51
    2.4.4 流动性方程拟合  51
    2.4.5 凝固特征的变化  51-52
  2.5 传热模型存在的缺陷及改进思路  52-53
  2.6 小结  53-54
第三章粘度对流动性的影响  54-75
  3.1 流动熔体的粘度  54
  3.2 粘度与流动性的关系  54-56
  3.3 熔体粘度变化的微观机制  56-59
    3.3.1 Al-Si短程序偏聚区的价电子结构  56-58
    3.3.2 溶质浓集与α-A1形核  58
    3.3.3 团簇重构与Si-Si键变化使粘度增大  58-59
  3.4 合金粘度变化的宏观机制  59-62
    3.4.1 Al-Si合金熔体结构模型  59-60
    3.4.2 准晶粘度  60-61
    3.4.3 液体无固定结构粘度  61
    3.4.4 权衡因子  61
    3.4.5 准晶重构与粘度滞后  61-62
    3.4.6 添加元素改变粘度  62
  3.5 纯金属熔体粘度理论计算方法  62-66
    3.5.1 双体分布函数法获得的粘度公式  62-63
    3.5.2 运动学方程获得的粘度公式  63
    3.5.3 基于硬球模型的粘度公式  63-64
    3.5.4 Andrade公式  64
    3.5.5 Franker粘度公式  64-66
  3.6 合金粘度计算方法  66-68
    3.6.1 Moelwyn-Hughes模型  66
    3.6.2 M-H算法  66-67
    3.6.3 Al-Si合金粘度计算验证  67-68
  3.7 合金粘度计算模型的修正  68-71
    3.7.1 二维粘度物理模型讨论  68-69
    3.7.2 理论计算公式构建  69-70
    3.7.3 理论计算公式验证  70-71
  3.8 粘度对流动性的影响  71-73
    3.8.1 粘度影响流动性的外部因素  71-72
    3.8.2 粘度影响流动的流体力学支撑  72-73
    3.8.3 粘度影响流动性的计算模型新构想  73
  3.9 小结  73-75
第四章过热及氧化对流动性的影响  75-96
  4.1 熔体热处理对流动性的影响  75-79
    4.1.1 保温时间对A356流动性的影响  75-76
    4.1.2 保温对含杂熔体流动性的影响  76-78
    4.1.3 电磁搅拌对A356合金流动性的影响  78-79
  4.2 氧化物夹杂对流动性的影响  79-80
    4.2.1 实验  79-80
    4.2.2 讨论  80
  4.3 Mg对流动性的影响  80-81
  4.4 氧化物进入熔体方式  81-83
  4.5 熔体温度分布  83-85
  4.6 氧化物夹杂的去除  85-86
  4.7 元素对氧化层致密度影响机制  86-87
  4.8 A356中主要氧化物及结构  87-95
    4.8.1 氧化膜试样的获得  87
    4.8.2 A356未添加元素状态  87-89
    4.8.3 Ce的影响  89-90
    4.8.4 Sr的影响  90-92
    4.8.5 Ce与Sr复合变质的影响  92-94
    4.8.6 氧化膜对流动性的影响  94-95
  4.9 小结  95-96
第五章细化与变质处理对流动性的影响  96-118
  5.1 Ti细化对流动性的影响  96-99
    5.1.1 AlTiB对铝合金流动性的影响  96-98
    5.1.2 AlTiC对铝合金流动性的影响  98-99
  5.2 Sr元素变质对流动性的影响  99-102
    5.2.1 Sr对铝合金流动性的影响  99-100
    5.2.2 Sr变质组织结构分析  100-101
    5.2.3 Sr变质机理分析  101-102
  5.3 RE变质对流动性的影响  102-107
    5.3.1 RE对流动性的影响实验  103-104
    5.3.2 组织分析  104-105
    5.3.3 RE变质机理分析  105-106
    5.3.4 RE-Sr联合变质  106-107
  5.4 A356凝固晶体生长机制  107-110
    5.4.1 α-Al的形核与长大  107-108
    5.4.2 A356组织形貌  108-109
    5.4.3 A356组织的极图分析  109-110
  5.5 变质与细化影响流动性的理论分析  110-116
    5.5.1 热力学与动力学分析  111-113
    5.5.2 最大形核过冷度与最小长大过冷区间  113-114
    5.5.3 固相分散度对细化、变质熔体流动的性影响  114-115
    5.5.4 固相形状系数的影响  115-116
  5.6 新的流动性计算公式讨论  116-117
  5.7 小结  117-118
第六章流动性数值模拟  118-145
  6.1 参数计算模型  118-125
    6.1.1 固相率的计算  118
    6.1.2 固液相线的计算  118-119
    6.1.3 流场、温度场数学模型  119-120
    6.1.4 控制方程无量纲化  120-121
    6.1.5 差分方程的建立  121-122
    6.1.6 求解方法  122-125
  6.2 有限元模型  125-130
    6.2.1 计算参数  125-126
    6.2.2 A356合金流动充型过程  126-128
    6.2.3 流动过程中流头温度及速度变化  128-129
    6.2.4 浇铸温度对流动性的影响  129
    6.2.5 多流道流长不等问题  129-130
  6.3 主要添加元素对A356合金流动性的影响  130-139
    6.3.1 Si-Mg含量的变化对A356流动性的影响  131-134
    6.3.2 Si的结晶潜热对流动性的影响  134-135
    6.3.3 Ti对流动性的影响  135-139
  6.4 其它杂质元素对A356合金流动性的影响  139-144
    6.4.1 Cu对A356合金流动性的影响  139-140
    6.4.2 Fe对A356合金流动性的影响  140-141
    6.4.3 Pb对A356合金流动性的影响  141-142
    6.4.4 Mn对A356合金流动性的影响  142
    6.4.5 Sn对A356合金流动性的影响  142-143
    6.4.6 Zn对A356合金流动性的影响  143-144
  6.5 小结  144-145
第七章结论与展望  145-149
  7.1 结论  145-147
  7.2 展望  147-149
致谢  149-150
参考文献  150-156
附录博士期间发表的论文及专利  156

A356合金熔体调控对流动性的影响机理研究

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