金属凝固过程与细晶技术

为了实现连续铸造金属材料的均质化,研究了以数值模拟得到的凝固过程函数曲线方程控制自行设计单向凝固炉中凝固过程的工艺参数选择原则;并基于以自行设计并制备的脉冲电磁振荡凝固实验装置获得的大量实验结果及对其进行的理论分析,揭示了脉冲电磁振荡细化金属凝固组织的机理,提出了脉冲磁致振荡凝固细晶化技术.

PMO对定向凝固GCr15轴承钢枝晶臂间距的影响

为了解脉冲磁致振荡(pulse magneto-oscillation,PMO)技术对GCr15轴承钢定向凝固组织的作用,通过改变PMO参数和抽拉速率,研究了不同抽拉速率下PMO对定向凝固GCr15轴承钢枝晶臂间距的影响。结果表明:在相同抽拉速率下,PMO的峰值电流依次为150、250、350ki A时,GCr15轴承钢的一次和二次枝晶臂间距先增大后减小。当峰值电流固定为350ki A时,随着PMO频率从90、240、390kf Hz依次增大,一次枝晶臂间距先减小后增大,二次枝晶臂间距逐渐变大。同时,随着抽拉速率的提高,枝晶臂间距减小幅度逐渐降低。通过测量温度梯度发现,在PMO作用下,固-液界面前沿液相中温度梯度的提高和溶质分布的变化,是枝晶臂间距减小的主要原因。

2205双相不锈钢连铸坯凝固组织热模拟实验设计

为探索提高2205双相不锈钢铸坯质量的途径和方法,设计了2205双相不锈钢连铸坯凝固组织的模拟实验,从而为2205双相不锈钢连铸参数的优化提供基础。通过连铸坯的凝固热模拟装置进行实验设计,并借助金相显微镜研究2205双相不锈钢连铸过程凝固组织转变,发现模拟样品的显微组织与2205双相不锈钢连铸板坯的显微组织相同,说明模拟实验设计可靠。在此基础上,发现搅拌强度可以改善2205双相不锈钢连铸过程凝固组织缺陷和细化晶粒,为进一步深入研究对流强度对2205双相不锈钢连铸板坯的影响机制提供前期准备。

焊接工艺参数对旋转摩擦焊铝-铜接头弯曲性能的影响

对1070纯铝和T2纯铜进行了旋转摩擦焊接。研究了摩擦焊工艺参数对铝-铜接头弯曲性能的影响。采用电子探针显微分析仪检测了铝-铜接头界面的微观形貌和元素分布。结果表明:较短时间(2 s)摩擦焊制备的铝-铜接头(1号试样)弯曲试验时断裂于铝-铜界面,为脆性断裂,随着摩擦时间的增加,铝-铜接头弯曲试验时断裂于铝侧,为韧性断裂;以2~5 s的摩擦时间制备的铝-铜接头界面均未发现有明显的金属间化合物,但发生了成分变化;较短时间摩擦焊制备的1号试样成分变化区宽约1.6μm,较长时间(5 s)摩擦焊制备的4号试样成分变化区宽约2.7μm;较宽的成分变化区能提高铝-铜接头界面的结合强度,从而提高铝-铜接头的弯曲性能,较窄的成分变化区是弯曲试验过程中铝-铜接头界面断裂的主要原因。

旋转摩擦焊铝-铜接头的显微组织与力学性能

利用旋转摩擦焊工艺实现了1070纯铝与T2纯铜的连接。采用光学显微镜、扫描电子显微镜和电子探针显微分析仪对接头组织和铝-铜界面进行观察分析,并对相同工艺旋转摩擦焊的两块铝-铜接头进行锻压和弯曲试验。结果显示:1号和2号试样在弯曲过程中分别断裂于铝-铜界面和铝侧母材。两种试样的铝-铜界面均未观察到明显的金属间化合物。1号和2号试样铝-铜界面处分别存在宽约1.8和2.7μm的元素过渡区。较宽的元素过渡区可提高铝-铜界面结合强度,较窄的元素过渡区是1号试样在弯曲过程中界面断裂的主要原因。因此,应严格控制旋转摩擦焊的工艺稳定性,以提高焊接接头的弯曲性能。

潜心工程需求做科研 引领工程发展担使命——访上海大学翟启杰教授

《铸造》:20世纪70年代,中国铸造还比较落后,您当时为什么学铸造、干铸造?是怎么与铸造结缘的?翟启杰:20世纪70年代我正在读中小学,那个时候要求学生每年到工厂和农村劳动,我们学校的对口工厂是大连机床厂铸造分厂。当时我的切身感受是铸造厂工作环境非常差,所以我当时对铸造就没有好印象。

碲对40Cr13塑料模具钢加工性能的影响

对硬度为41,38,36 HRC的无碲低硫(硫质量分数为0.003%)40Cr13钢,41 HRC的含碲中硫(碲质量分数为0.003%,硫质量分数为0.022%)40Cr13钢以及硬度为33,41 HRC的无碲高硫(硫质量分数为0.070%)40Cr13钢进行了铣削、钻削及抛光试验,分析了夹杂物的形貌与显微硬度,研究了碲对试验钢加工性能的影响。结果表明:相比无碲低硫钢,含碲中硫钢中夹杂物主要为MnS,尺寸增大,长宽比几乎未变,多为椭球状;无碲高硫钢中夹杂物主要为MnS,数量、尺寸、长宽比均增加,为长条状;碲在硫化物中的固溶使得含碲中硫钢中硫化物的显微硬度增大;相同硬度下,含碲中硫钢的铣削力、钻削力、铣削后的表面粗糙度相比无碲低硫钢更小,加工性能更好,但抛光后表面粗糙度更大,抛光性能略差。

碲改质C70S6非调质钢的旋转弯曲疲劳性能

采用升降法和成组法对碲改质C70S6非调质钢进行旋转弯曲疲劳试验,研究了试样的旋转弯曲疲劳性能,分析了碲改质作用机理。结果表明:当置信度为95%,失效概率分别为10%,50%时采用升降法得到的疲劳强度分别为385.0,458.8 MPa,采用成组法时分别为379.9,432.0 MPa,两种方法所测疲劳强度均高于企业要求和未经碲改质C70S6非调质钢;试验钢中硫化物为MnS和Mn(S,Te),大多呈曲率半径小的椭球状,评级结果为细系1.5级,粗系2.0级,其尺寸小于国内未经碲改质C70S6非调质钢,与国外未经碲改质C70S6非调质钢相当;碲改质主要通过调控硫化物形态、减小硫化物尺寸来改善C70S6非调质钢的旋转弯曲疲劳性能。

低硫非调质钢水口结瘤机理解析

非调质钢含有较高的铝,经钙处理工艺后,易导致水口结瘤。采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜分析了某厂低硫非调质钢连铸水口结瘤物试样,结合热力学计算分析,揭示水口结瘤的原因。研究表明:水口结瘤物主要为CaS,其在钢液凝固过程中从钢液中以直接、间接两种方式析出,钙添加过量是导致水口结瘤的主要原因,后续可通过优化钢液的钙铝比来保证连铸的顺行,消除结瘤现象。

La-Ce对GCr15轴承钢中夹杂物的改质效果及机理

为了探究稀土La-Ce对GCr15轴承钢中夹杂物的改质效果,采用了公称容量为1 kg的高温管式炉,冶炼了6炉不同La-Ce含量的GCr15轴承钢钢锭,借助光学显微镜、扫描电镜等表征手段,并结合Fact Sage热力学软件对不同La-Ce含量的GCr15钢中夹杂物的转化规律进行研究。结果表明,未添加La-Ce的GCr15轴承钢中典型夹杂物为不规则状的Al_(2)O_(3)和MnS,La-Ce的添加会将其改质为类型较为复杂的稀土夹杂物,随着La-Ce含量的提高,1600℃下钢中夹杂物的转化规律为Al_(2)O_(3)→REAl O_(3)→RE_(2)O_(3)→RE_(2)O_(2)S→RE_(2)O_(2)S+RE_(x)S^(y)(RE为La-Ce)。当La-Ce含量为96×10^(-6)时,Al_(2)O_(3)和Mn S均被改质为球状的RE_(2)O_(2)S·RE_(x)S^(y)复合稀土夹杂物,钢中夹杂物的数量处于较低水平且夹杂物的整体形貌控制较好。

脉冲磁致振荡波形对纯铝凝固组织的影响

通过凝固试验、数值模拟和理论分析相结合的方法,研究了脉冲磁致振荡作用下电流波形对纯铝凝固组织的影响。结果表明:PMO处理使纯铝的凝固组织明显细化,其细化效果与PMO波形有关。对熔体施加能产生液面共振或次谐波共振的PMO波形,能显著增强凝固组织的细化效果。铸型尺寸的变化使熔体液面的固有频率改变,进而使细化效果最佳的PMO波形也发生变化。不同尺寸熔体液面的共振或次谐波共振可通过施加不同的PMO波形来产生,从而增强细化效果。

高速钢的生产和质量控制技术

采用传统冶炼技术生产的高速钢存在碳化物粗大及其偏析严重等质量问题。高性能高速钢的生产技术有电渣重熔法、粉末冶金法和喷射成形法等。控制高速钢中碳化物的技术有稀土元素合金化、孕育剂变质处理等化学方法,以及电磁搅拌、脉冲电流技术、脉冲磁场技术、脉冲磁致振荡技术等物理方法。脉冲磁致振荡技术(pulse magneto-oscillation,PMO)是新一代电磁冶金技术,其改善高速钢凝固组织的效果更明显。今后,应进一步研究PMO细化高速钢碳化物的机制,优化适用于高速钢工业生产的PMO参数,探索PMO与稀土元素的共同作用对高速钢凝固组织的影响。

电磁场作用下金属凝固过程的建模方法

金属凝固过程往往包含多个物理化学现象,无论是有色合金还是钢铁的凝固都相当复杂,而电磁场处理进一步增加了其复杂性,导致数值模拟和试验验证都面临很大困难。总结了金属凝固过程电磁场、流场与温度场的主要数值模拟方法及其应用。阐述了电磁场作用下流场与温度场的耦合模型,并着重讨论了针对糊状区的处理方法。

脉冲磁致振荡(PMO)技术在ZTM-S2合金工具钢连铸坯生产中的应用

研究了脉冲磁致振荡(pulse magneto-oscillation,PMO)技术在ZTM-S2合金工具钢连铸坯生产中的应用效果。研究表明:经过PMO处理后,ZTM-S2工具钢连铸坯的等轴晶面积分数从原来的22.3%增加到了34.8%,提高了56.1%;其中心碳偏析指数从原来的1.21下降至1.13,降低了6.6%。经过PMO处理后,连铸坯的中心缩孔和元素偏析均有所改善,内在质量明显提高。

Mg含量对21-4N气阀钢凝固组织细化作用的研究

为了探究Mg对5Cr21Mn9Ni4N(21-4N)气阀钢组织细化的影响规律,在实验室开展了镁改质气阀钢的高温熔炼试验,冶炼了不同镁含量的钢锭。结果表明:镁含量为0、12、16、34、58和60μg/g的试样的一次枝晶臂平均长度分别为1324.1、941.9、836.0、849.6、1439.1和1294.7μm;二次枝晶臂平均间距分别为145.5、114.6、105.1、130.2、148.7和180.7μm,枝晶间距呈先减小后增大的趋势,当镁含量为16μg/g时,21-4N气阀钢的枝晶间距最小,细化效果最显著;钢中Al_(2)O_(3)、MgAl_(2)O_(4)、MgO夹杂与γ-Fe相之间的晶格错配度分别为7.36%、4.00%、16.98%,MgAl_(2)O_(4)相比Al_(2)O_(3)和MgO更利于γ-Fe相形核;当镁含量为16μg/g时,钢液中出现细小弥散的MgAl_(2)O_(4),与γ-Fe相之间具有更低的晶格错配度,可作为γ-Fe相稳定的形核质点,使组织细化;当镁含量大于16μg/g时,钢液中出现MgO,与γ-Fe相之间的晶格错配度增大,导致非均匀形核能力下降,组织粗化。

基于纳米量热的Si薄膜衬底Sn微滴的凝固特性

金属熔体的形核过程是影响其凝固组织与性能的主要因素,实际的金属凝固过程多为异质形核,异质形核的难易程度则主要由形核界面决定。采用磁控溅射技术制备非晶Si薄膜,然后利用纳米量热仪研究了纯Sn微滴在此衬底上的凝固形核特性。结果表明:Sn微滴的形核表现出了明显的随机性,在1×104 K/s的扫描速率下,形核过冷度在106~114 K之间。基于经典形核理论和Poisson统计分析方法,研究了单个Sn微滴在非晶Si衬底上的形核动力学,获得形核接触角约为77°,表明非晶Si衬底不利于Sn微滴的凝固形核。

等流速下新型脉冲磁场对纯铝凝固组织的影响

以工业纯铝为研究对象,采用凝固试验、数值模拟和理论分析相结合的方法,研究了等流速条件下新型脉冲磁场作用下电流强度与周期组合对纯铝凝固组织的影响。结果表明:新型脉冲磁场能明显细化纯铝凝固组织,并且流速相同情况下纯铝凝固组织细化效果并不相同。在无隔离网条件下,通过数值模拟分析发现电磁力密度方向主要指向熔体内部,并且熔体主要受电磁力峰值作用使液面发生振荡从而产生大量晶核。在有隔离网条件下,通过动力学分析认为晶核受时均电磁力作用下晶核穿过边界层进入熔体促使晶粒增殖是晶粒细化的主要原因。

国内外耐磨钢夹杂物控制水平分析

耐磨钢中夹杂物是影响耐磨钢强度、韧性的重要因素,为了分析国内外耐磨钢中夹杂物的控制水平,对日本和国内两厂的耐磨钢进行夹杂物大小、分布、成分,以及钢基体的硬度进行分析。结果表明,国内A厂通过Ca处理后与日本耐磨钢的夹杂物尺寸接近,但数量密度较大,洁净度略低于日本耐磨钢。对钢中夹杂物成分进行检测:日本耐磨钢中的夹杂物类型主要为CaO、CaO-Al_(2)O_(3)、MgO-Al_(2)O_(3)、MgO-Al_(2)O_(3)-CaO和TiN、Ti(C,N)夹杂;国内A厂通过Ca处理技术,降低了钢中MnS析出量,夹杂物中CaS、CaO含量增加;未经过Ca处理的国内B厂耐磨钢中发现Mn S析出,经过轧制后呈长条状。对各厂的硬度进行分析,日本耐磨钢基体平均硬度为447 HV,且钢基体组织硬度分布均匀,国内A厂和B厂略低于日本耐磨钢,硬度均匀性波动较大,组织控制水平与日本产品尚有差距。

PMO对硬线钢小方坯凝固组织和中心偏析的影响

硬线钢连铸生产过程中产生的中心宏观偏析往往无法通过后续工艺完全消除,该缺陷会遗传到最终成品,从而造成硬线钢钢丝拉拔断裂。为了改善铸坯中心偏析问题并提高硬线钢力学性能,采用脉冲磁致振荡(PMO)凝固均质化技术对SWRH82B硬线钢160 mm×160 mm小方坯凝固过程进行均质化处理。PMO技术首次在该钢种上进行应用,结果表明,经PMO处理,SWRH82B硬线钢铸坯中心等轴晶率由23.47%扩大至29.14%,中心缩孔和中心缩松评级分布由1.5级和1.0级均降低至0.5级,铸坯中心碳元素偏析指数由1.30降低至1.06,Si、Cr、Mn元素在铸坯中心偏聚现象基本消除。研究结果为国内外生产高质量高碳钢小方坯提供了一种新方法。

锰硫比对1215MS易切削钢力学和切削性能的影响

通过理论计算、扫描电子显微镜、三维腐刻技术、拉伸试验和切削试验等方法,探究了锰硫比对1215MS易切削钢中硫化物析出特性,及其对钢的力学性能和切削性能的影响。结果表明:钢中硫化物的吉布斯自由能随着锰硫比的减小而降低,其形核率和尺寸则增大;相比锰硫比较高的试样,锰硫比较低的试样中MnS夹杂物数量更多、尺寸更大,尤其是细系MnS;长条状MnS夹杂物会导致钢材力学性能的各向异性,锰硫比较低的试样中MnS的长宽比较大,导致其强度低于锰硫比较高的试样;低锰硫比和高锰硫比试样的断裂方式分别为准解理断裂和韧性断裂;低锰硫比试样相比高锰硫比试样具有更好的表面光洁度和切削性能。