D0I:10.13374/.issn1001-053x.2011.05.012 第33卷第5期 北京科技大学学报 Vol.33 No.5 2011年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 2011 工艺参数对连续定向凝固Cu一12%A1线材表面质量、 组织和性能的影响 刘锦平12》刘雪峰2》黄海友12) 谢建新1,2)✉ 1)北京科技大学材料先进制备技术教有部重点实验室，北京1000832)北京科技大学新材料技术研究院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:jxie@mater..usth.edu.cm 摘要采用真空熔炼、氩气保护下拉式连续定向凝固方法制备了直径为6mm的Cu-H2%A1(质量分数)合金线材，并研究了 结晶器长度、熔体温度和拉坯速度对线材表面质量、组织和力学性能的影响.结果表明：在结晶器长度为20~40mm,熔体温度 为1100-1250℃，拉坯速度为10~70mm·min范围内，可以稳定制备出具有单晶或柱状晶组织的线材.缩短结晶器长度、提 高熔体温度或拉坯速度均有利于改善线材表面质量：降低熔体温度、增加结晶器长度或提高拉坯速度连铸有利于获得连续柱 状晶组织.当结晶器长度为30mm,熔体温度为1100~1150℃，拉坯速度为10-70mm·min时，线材横截面晶粒尺寸随拉坯 速度的增加先减小而后增加.在结晶器长度30mm,熔体温度1150℃，拉坯速度30 mmmin条件下制备的连续柱状晶组织 线材，其延伸率可达25.7%. 关键词铝铜合金：定向凝固：工艺参数：表面质量；柱状晶 分类号TG249.7 Effects of process parameters on the surface quality,microstructure and me- chanical properties of Cu-12%Al wires fabricated by continuous unidirectional solidification LIU Jin-ping',LIU Xue feng,HUANG Hai-you2,XIE Jian-xin 1)Key Laboratory of the Ministry of Education of China for Advanced Materials and Manufacturing Technology,University of Science and Technology Bei- jing,Beijing 100083,China 2)Institute for Advanced Materials and Technology,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:jxxie@mater.ustb.edu.cn ABSTRACT Cu-2%Al alloy wires with a diameter of 6 mm were prepared by vacuum melting and argon shield vertical continuous unidirectional solidification process.The effects of melt temperature,crystallizer length and drawing velocity on the surface quality,mi- crostructure and mechanical properties of the alloy wires were investigated.The results show that single-crystalline or columnar-erystal- line wires can be fabricated at a crystallizer length of 20 to 40mm,a melt temperature of 1100 to 1250C and a drawing velocity of 10 to 70 mm*min.Shortening the crystallizer length,raising the melt temperature and/or increasing the drawing velocity are in favor of improvements in the surface quality,but the continuous columnar-crystalline wires can be obtained at a lower melt temperature,a lon- ger crystallizer length and/or a higher drawing velocity.With the increase of drawing velocity,the cross-sectional grain size of the wires decreases firstly and then increases in the parameter regions of the crystallizer length of 30 mm,the melt temperature of 1 100 to 1 150 C and the drawing velocity of 10 to 70 mmmin.The continuous columnar-erystalline wires manufactured at the crystallizer length of 30mm,the melt temperature of 1 150 C and the drawing velocity of 30 mmmin have a good elongation percentage of 25.7%. KEY WORDS aluminum copper alloys:unidirectional solidification:process parameters:surface quality:columnar crystals 收稿日期：2010-0902 基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(No.2006CB605200):国家自然科学基金资助项目(No.50674008)
第 33 卷 第 5 期 2011 年 5 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 5 May 2011 工艺参数对连续定向凝固 Cu--12%Al 线材表面质量、 组织和性能的影响 刘锦平1，2) 刘雪峰1，2) 黄海友1，2) 谢建新1，2) 1) 北京科技大学材料先进制备技术教育部重点实验室，北京 100083 2) 北京科技大学新材料技术研究院，北京 100083 通信作者，E-mail: jxxie@ mater． ustb． edu． cn 摘 要 采用真空熔炼、氩气保护下拉式连续定向凝固方法制备了直径为 6 mm 的 Cu--12% Al( 质量分数) 合金线材，并研究了 结晶器长度、熔体温度和拉坯速度对线材表面质量、组织和力学性能的影响． 结果表明: 在结晶器长度为 20 ～ 40 mm，熔体温度 为 1 100 ～ 1 250 ℃，拉坯速度为 10 ～ 70 mm·min － 1 范围内，可以稳定制备出具有单晶或柱状晶组织的线材． 缩短结晶器长度、提 高熔体温度或拉坯速度均有利于改善线材表面质量; 降低熔体温度、增加结晶器长度或提高拉坯速度连铸有利于获得连续柱 状晶组织． 当结晶器长度为 30 mm，熔体温度为 1 100 ～ 1 150 ℃，拉坯速度为 10 ～ 70 mm·min － 1 时，线材横截面晶粒尺寸随拉坯 速度的增加先减小而后增加． 在结晶器长度 30 mm，熔体温度 1 150 ℃，拉坯速度 30 mm·min － 1 条件下制备的连续柱状晶组织 线材，其延伸率可达 25. 7% ． 关键词 铝铜合金; 定向凝固; 工艺参数; 表面质量; 柱状晶 分类号 TG249. 7 收稿日期: 2010--09--02 基金项目: 国家重点基础研究发展计划资助项目( No． 2006CB605200) ; 国家自然科学基金资助项目( No． 50674008) Effects of process parameters on the surface quality，microstructure and mechanical properties of Cu-12%Al wires fabricated by continuous unidirectional solidification LIU Jin-ping1，2) ，LIU Xue-feng1，2) ，HUANG Hai-you1，2) ，XIE Jian-xin1，2) 1) Key Laboratory of the Ministry of Education of China for Advanced Materials and Manufacturing Technology，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Institute for Advanced Materials and Technology，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: jxxie@ mater． ustb． edu． cn ABSTRACT Cu-12% Al alloy wires with a diameter of 6 mm were prepared by vacuum melting and argon shield vertical continuous unidirectional solidification process． The effects of melt temperature，crystallizer length and drawing velocity on the surface quality，microstructure and mechanical properties of the alloy wires were investigated． The results show that single-crystalline or columnar-crystalline wires can be fabricated at a crystallizer length of 20 to 40 mm，a melt temperature of 1 100 to 1 250 ℃ and a drawing velocity of 10 to 70 mm·min － 1 ． Shortening the crystallizer length，raising the melt temperature and /or increasing the drawing velocity are in favor of improvements in the surface quality，but the continuous columnar-crystalline wires can be obtained at a lower melt temperature，a longer crystallizer length and /or a higher drawing velocity． With the increase of drawing velocity，the cross-sectional grain size of the wires decreases firstly and then increases in the parameter regions of the crystallizer length of 30 mm，the melt temperature of 1 100 to 1 150 ℃ and the drawing velocity of 10 to 70 mm·min － 1 ． The continuous columnar-crystalline wires manufactured at the crystallizer length of 30 mm，the melt temperature of 1 150 ℃ and the drawing velocity of 30 mm·min － 1 have a good elongation percentage of 25. 7% ． KEY WORDS aluminum copper alloys; unidirectional solidification; process parameters; surface quality; columnar crystals DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.05.012
·594· 北京科技大学学报 第33卷 铝青铜不仅具有优异的物理、力学性能和良好 熔体 的耐蚀性能，并且价格较为低廉，被广泛应用于飞 机、汽车、船舶、家电及建筑等领域·-.相对于铝 导流管 含量较低(5%~7%A1,质量分数，下同)的铝青铜， 0 O感应线圈 高铝含量(10%~11%A1)的铝青铜具有更高的强 O 度、弹性、耐磨性和耐腐蚀性囚.但是，传统铸造工 入控温热电偶 艺生产的高铝青铜塑性差（延伸率小于5%），加工 保温棉 工序复杂，成材率低，成本高，从而限制了其应用范 结品器 测温热电偶 围.采用连续定向凝固技术可以得到具有单晶或柱 隔热垫 状晶组织的产品.由于减少了缩孔、缩松等缺陷，消 除了横向晶界，可获得优异的使用性能和延展加工 冷却水 性能6.季灯平等回采用连续定向凝固方法成功 地制备了Cu一12%Al单晶组织线材，弹性模量达到 水箱 168GPa,拉伸延伸率达到19.7%. 牵引轮 在连续定向凝固工艺中，熔体温度、拉坯速度、 冷却距离、冷却水温和冷却水流量等工艺参数都对 图1连续定向凝固装置示意图 固/液界面位置和凝固前沿温度梯度具有重要影 Fig.1 Scheme of continuous unidirectional solidification equipment 响0.固/液界面位置的调节是控制线材表面质 的影响.基于设备的实际条件和前期研究结果，选 量的有效手段，凝固前沿温度梯度对材料组织具有 择熔体温度1100~1250℃，结晶器长度20~ 重要影响2W.本文在前期研究的基础上，系统研 40mm,拉坯速度10~60mm'min-1.对不同工艺条 究了熔体温度、结晶器长度和拉坯速度对固液界面 件所制备的线材分别进行表面和组织分析.使用电 位置和凝固前沿温度梯度分布的影响，确定了具有 火花线切割方法将拉伸变形前后的试样沿中轴面剖 光亮表面的Cu-12%A1线材的制备工艺参数范围， 开，将样品纵截面进行机械抛光，金相浸蚀处理，采 并研究了工艺参数对线材组织的影响. 用金相显微镜(Nikon Eclipse LV150)进行组织观 1实验方法及过程 察，浸蚀剂配比为FeCL35g、HCl10mL和H,0 100mL.合金的力学性能在MTS810万能试验机上 连续定向凝固工艺的特点是采用加热铸型因， 进行准静态拉伸试验，拉伸试样按照GB/T228一 铸型温度一般控制在所制备金属材料熔点之上.为 2002进行加工，标距为25mm,夹头移动速度为 了得到表面光亮的铸坯，固/液界面应控制在铸型 0.02mms-1. (结晶器)出口附近.这就需要在结晶器出口附近的 2实验结果及讨论 很短距离内建立从熔体温度到冷却温度的高温度梯 度.在相同的工艺条件下，凝固前沿温度梯度随熔 2.1固/液界面位置与线材表面质量 体温度的升高而增大，从而使固/液界面向结晶器出 连续定向凝固过程中固/液界面的位置对铸坯 口移动，所能匹配的最大拉坯速度降低.前期的研 的表面质量具有重要影响.如果固/液界面深入结 究工作表明，在较高熔体温度下，制备出的Cu-一12% 晶器内过多，不仅表面光洁度降低，还易出现热裂 A!合金线材具有更好的塑性性能四.图1为本文所 纹、表面划痕等缺陷：如果固/液界面移出结晶器出 采用的实验装置简图. 口过多，则会造成拉漏事故.将固/液界面位置控制 实验选用纯度为99.99%的纯铝和99.95%的 在结晶器出口附近，可以有效减少凝固金属与结晶 纯铜按质量比为12：88进行熔炼.连续定向凝固制 器内壁之间的摩擦，获得表面光洁的连铸产品.因 备的Cu-12%Al线材的直径为6mm,具体制备过 此，通过合理选择工艺参数，控制固/液界面位置对 程参见文献9].实验过程中保持冷却条件不变：冷 稳定制备具有优良表面质量的连续定向凝固材料十 却水温度20℃，水流量400L·h1,冷却水箱与结晶 分重要5-16 器出口之间的冷却距离8mm.重点研究熔体温度、 表1为熔体温度1100~1250℃，结晶器长度 结晶器长度、拉坯速度对线材表面质量和组织性能 20~40mm,拉坯速度10~60mm"min-的工艺参数
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 铝青铜不仅具有优异的物理、力学性能和良好 的耐蚀性能，并且价格较为低廉，被广泛应用于飞 机、汽车、船舶、家电及建筑等领域［1 － 4］． 相对于铝 含量较低( 5% ～ 7% Al，质量分数，下同) 的铝青铜， 高铝含量( 10% ～ 11% Al) 的铝青铜具有更高的强 度、弹性、耐磨性和耐腐蚀性［5］． 但是，传统铸造工 艺生产的高铝青铜塑性差( 延伸率小于 5% ) ，加工 工序复杂，成材率低，成本高，从而限制了其应用范 围． 采用连续定向凝固技术可以得到具有单晶或柱 状晶组织的产品． 由于减少了缩孔、缩松等缺陷，消 除了横向晶界，可获得优异的使用性能和延展加工 性能［6--8］． 季灯平等［9］采用连续定向凝固方法成功 地制备了 Cu--12% Al 单晶组织线材，弹性模量达到 168 GPa，拉伸延伸率达到 19. 7% ． 在连续定向凝固工艺中，熔体温度、拉坯速度、 冷却距离、冷却水温和冷却水流量等工艺参数都对 固/液界面位置和凝固前沿温度梯度具有重要影 响［10--11］． 固/液界面位置的调节是控制线材表面质 量的有效手段，凝固前沿温度梯度对材料组织具有 重要影响［12--14］． 本文在前期研究的基础上，系统研 究了熔体温度、结晶器长度和拉坯速度对固液界面 位置和凝固前沿温度梯度分布的影响，确定了具有 光亮表面的 Cu--12% Al 线材的制备工艺参数范围， 并研究了工艺参数对线材组织的影响． 1 实验方法及过程 连续定向凝固工艺的特点是采用加热铸型［6］， 铸型温度一般控制在所制备金属材料熔点之上． 为 了得到表面光亮的铸坯，固/液界面应控制在铸型 ( 结晶器) 出口附近． 这就需要在结晶器出口附近的 很短距离内建立从熔体温度到冷却温度的高温度梯 度． 在相同的工艺条件下，凝固前沿温度梯度随熔 体温度的升高而增大，从而使固/液界面向结晶器出 口移动，所能匹配的最大拉坯速度降低． 前期的研 究工作表明，在较高熔体温度下，制备出的 Cu--12% Al 合金线材具有更好的塑性性能［9］． 图 1 为本文所 采用的实验装置简图． 实验选用纯度为 99. 99% 的纯铝和 99. 95% 的 纯铜按质量比为 12∶ 88 进行熔炼． 连续定向凝固制 备的 Cu--12% Al 线材的直径为 6 mm，具体制备过 程参见文献［9］． 实验过程中保持冷却条件不变: 冷 却水温度 20 ℃，水流量 400 L·h － 1 ，冷却水箱与结晶 器出口之间的冷却距离 8 mm． 重点研究熔体温度、 结晶器长度、拉坯速度对线材表面质量和组织性能 图 1 连续定向凝固装置示意图 Fig． 1 Scheme of continuous unidirectional solidification equipment 的影响． 基于设备的实际条件和前期研究结果，选 择熔 体 温 度 1 100 ～ 1 250 ℃，结 晶 器 长 度 20 ～ 40 mm，拉坯速度 10 ～ 60 mm·min － 1 ． 对不同工艺条 件所制备的线材分别进行表面和组织分析． 使用电 火花线切割方法将拉伸变形前后的试样沿中轴面剖 开，将样品纵截面进行机械抛光，金相浸蚀处理，采 用金相显微镜( Nikon Eclipse LV150) 进行组织观 察，浸 蚀 剂 配 比 为 FeCl3 5 g、HCl 10 mL 和 H2 O 100 mL． 合金的力学性能在 MTS810 万能试验机上 进行准静态拉伸试验，拉伸试样按照 GB /T228— 2002 进 行 加 工，标 距 为 25 mm，夹 头 移 动 速 度 为 0. 02 mm·s － 1 ． 2 实验结果及讨论 2. 1 固/液界面位置与线材表面质量 连续定向凝固过程中固/液界面的位置对铸坯 的表面质量具有重要影响． 如果固/液界面深入结 晶器内过多，不仅表面光洁度降低，还易出现热裂 纹、表面划痕等缺陷; 如果固/液界面移出结晶器出 口过多，则会造成拉漏事故． 将固/液界面位置控制 在结晶器出口附近，可以有效减少凝固金属与结晶 器内壁之间的摩擦，获得表面光洁的连铸产品． 因 此，通过合理选择工艺参数，控制固/液界面位置对 稳定制备具有优良表面质量的连续定向凝固材料十 分重要［15--16］． 表 1 为熔体温度 1 100 ～ 1 250 ℃，结晶器长度 20 ～ 40 mm，拉坯速度 10 ～ 60 mm·min － 1 的工艺参数 ·594·
第5期 刘锦平等：工艺参数对连续定向凝固C-12%A!线材表面质量、组织和性能的影响 ·595· 范围内所制备的线材表面的状况.由表1可知，熔 有显著影响.以下对熔体温度、结晶器长度和拉坯 体温度、结晶器长度和拉坯速度都对线材表面质量 速度对线材表面质量的影响进行具体分析. 表1不同工艺下连铸线材的表面质量 Table 1 Surface quality of the wires prepared at different process parameters 结品器长度20mm, 结晶器长度30mm, 结品器长度40mm, 拉坯速度/ 熔体温度/℃ 熔体温度/℃ 熔体温度/℃ (mm'min-1) 1100 1150 1200 1250 1100 1150 1200 1250 1100 1150 1200 1250 10 △ △ > 1 y y △ 1 △ 20 △口 ☆ ☆ △口 △ △ 本 △口 △口 牛 30 △O☐ 的 ◆ △口 ☆ 冷 ▣ △口 △ 牛 40 ▣ 服 △▣ 女 口 ◆ △▣ 女 55 服 △▣ ☆ 女 % 0 注“△”表示线材表面存在划痕“口”表示线材表面存在热裂纹“女”表示线材表面较光亮“◇”表示线材被拉断“◆”表示线材拉漏 图2为熔体温度1150℃、结晶器长度40mm 熔体凝固体积增加，凝固潜热随之增多，导致结晶器 时，结晶器出口温度随拉坯速度的变化.结晶器出 温度波动幅度增大，达16℃.当拉坯速度增至 口处温度采用钨铼热电偶（型号W-R5/26,测量精 55 mm'min时，虽然单位时间内释放的潜热更多， 度±3℃)测得，每个拉坯速度下测量10次，每次测 但固/液界面接近结晶器出口附近，由于固/液界面 量间隔时间为10mim.由图2可知，结晶器出口温度 距离冷源较近，释放的潜热能及时被冷却水带走，故 随拉坯速度的增加而升高，表明固/液界面随拉坯速 结晶器出口温度波动幅度变小，仅约为2℃.由此 度的增加逐渐移向结晶器出口.当拉坯速度为零即 可知，随着拉坯速度的增加，结晶器的温度场稳定性 线材不移动时，结晶器内温度场处于稳态，出口处温 先逐渐降低而后逐渐增加 度稳定为962℃，几乎不发生变化.当拉坯速度增 图3为拉坯速度对线材表面质量的影响.工艺 至5 mmmin时，合金熔体因凝固而释放潜热，使 参数为：熔体温度1150℃，结晶器长度40mm,拉坯 结晶器温度升高，导致固/液界面向结晶器出口移 速度10~60mm·min.图3(a)所示拉坯速度为 动.由于拉坯速度较低，固/液界面深入结晶器内 l0mm'min-,线材表面存在较多划痕.这是由于拉 部，离冷源较远，凝固潜热难以及时通过线材带走， 坯速度较小，固/液界面深入结晶器内部较深，导致 所以结晶器出口温度会存在一定波动，其幅度为 3℃.随着拉坯速度增至25 mmmin,单位时间内 1035 热裂纹 熔体温度1150℃ 1020 1005 990 975 960 6 mm 2030405060 图3拉坯速度对线材表面的影响.(a)l0mm·minl:(b)30 拉坯速度八nm.min mm'min-1:(c)50mm*min-1:(d)60mm*min-1 图2拉坯速度对结品器出口处温度的影响 Fig.3 Effects of drawing velocity on the surface quality of the wires: Fig.2 Effects of drawing velocity on the temperature at crystallizer (a)10mm-min-1 (b)30mm-min-1 (c)50 mm-min-1 (d)60 exit mm*min-1
第 5 期 刘锦平等: 工艺参数对连续定向凝固 Cu--12%Al 线材表面质量、组织和性能的影响 范围内所制备的线材表面的状况． 由表 1 可知，熔 体温度、结晶器长度和拉坯速度都对线材表面质量 有显著影响． 以下对熔体温度、结晶器长度和拉坯 速度对线材表面质量的影响进行具体分析． 表 1 不同工艺下连铸线材的表面质量 Table 1 Surface quality of the wires prepared at different process parameters 拉坯速度/ ( mm·min － 1 ) 结晶器长度 20 mm， 熔体温度/℃ 结晶器长度 30 mm， 熔体温度/℃ 结晶器长度 40 mm， 熔体温度/℃ 1 100 1 150 1 200 1 250 1 100 1 150 1 200 1 250 1 100 1 150 1 200 1 250 10 △△△☆△△△△△△△△ 20 △□ ☆ ☆ ☆ △□ △ △ ☆ △□ △□ △ ☆ 30 △□ ☆ ☆ ◆ △□ ☆ ☆ ☆ □ △□ △ ☆ 40 □ ☆ ◆ △□ ☆ ☆ ◆ ◇ ☆ ☆ ◆ 50 □ ◆ △□ ☆ ◆ ☆ ◆ 55 ◆ △□ ☆ ☆ 60 □ ◆ ◆ 注: “△”表示线材表面存在划痕; “□”表示线材表面存在热裂纹; “☆”表示线材表面较光亮; “◇”表示线材被拉断; “◆”表示线材拉漏． 图 2 拉坯速度对结晶器出口处温度的影响 Fig． 2 Effects of drawing velocity on the temperature at crystallizer exit 图 2 为熔体温度 1 150 ℃、结晶器长度 40 mm 时，结晶器出口温度随拉坯速度的变化． 结晶器出 口处温度采用钨铼热电偶( 型号 W--Re5 /26，测量精 度 ± 3 ℃ ) 测得，每个拉坯速度下测量 10 次，每次测 量间隔时间为10 min． 由图2 可知，结晶器出口温度 随拉坯速度的增加而升高，表明固/液界面随拉坯速 度的增加逐渐移向结晶器出口． 当拉坯速度为零即 线材不移动时，结晶器内温度场处于稳态，出口处温 度稳定为 962 ℃，几乎不发生变化． 当拉坯速度增 至 5 mm·min － 1 时，合金熔体因凝固而释放潜热，使 结晶器温度升高，导致固/液界面向结晶器出口移 动． 由于拉坯速度较低，固/液界面深入结晶器内 部，离冷源较远，凝固潜热难以及时通过线材带走， 所以结晶器出口温度会存在一定波动，其幅度为 3 ℃ ． 随着拉坯速度增至 25 mm·min － 1 ，单位时间内 熔体凝固体积增加，凝固潜热随之增多，导致结晶器 温度 波 动 幅 度 增 大，达 16 ℃ ． 当拉坯速度增至 55 mm·min － 1 时，虽然单位时间内释放的潜热更多， 但固/液界面接近结晶器出口附近，由于固/液界面 距离冷源较近，释放的潜热能及时被冷却水带走，故 结晶器出口温度波动幅度变小，仅约为 2 ℃ ． 由此 可知，随着拉坯速度的增加，结晶器的温度场稳定性 先逐渐降低而后逐渐增加． 图 3 拉坯速度对线材表面的影响． ( a) 10 mm·min － 1 ; ( b) 30 mm·min － 1 ; ( c) 50 mm·min － 1 ; ( d) 60 mm·min － 1 Fig． 3 Effects of drawing velocity on the surface quality of the wires: ( a) 10 mm·min － 1 ; ( b) 30 mm·min － 1 ; ( c) 50 mm·min － 1 ; ( d) 60 mm·min － 1 图 3 为拉坯速度对线材表面质量的影响． 工艺 参数为: 熔体温度 1 150 ℃，结晶器长度 40 mm，拉坯 速度 10 ～ 60 mm·min － 1 ． 图 3 ( a) 所示拉坯速度为 10 mm·min － 1 ，线材表面存在较多划痕． 这是由于拉 坯速度较小，固/液界面深入结晶器内部较深，导致 ·595·
·596· 北京科技大学学报 第33卷 线材与结晶器的摩擦较大，因此在线材表面会产生 这是由于随着结晶器长度的增加，固/液界面伸入结 划痕.由图3(b)可知，拉坯速度为30mm·min-1时 品器较多，线材表面容易出现划痕.缩短结品器长 连铸的线材表面划痕明显减少，但出现热裂纹 度，能使固/液界面移向结晶器出口，有效改善线材 (图3(b)中箭头所指处).当拉坯速度增加时，固/ 的表面状态，因此结品器长度为20mm时连铸的线 液界面向结晶器出口移动，线材表面与结晶器内壁 材表面较光亮. 的摩擦减小，故线材表面划痕减少.另一方面，随着 图5为熔体温度对线材表面质量的影响.当结 拉坯速度增加，线坯的冷却速率随之增加，导致热应 晶器长度为30mm、拉坯速度为20mm'min-以及熔 力增大，在摩擦力的作用下线材表面出现热裂纹. 体温度为1100℃时线材表面粗糙，可见细小热裂纹 拉坯速度的进一步增大致使固/液界面位于结晶器 和划痕缺陷（图5(a));熔体温度为1150℃和 出口附近，线材表面与结晶器内壁的摩擦进一步减 1200℃时线材表面无热裂纹，只有少数的划痕，如 小，能充分避免划痕的出现。即便此时热应力较大， 箭头所指处（图5(c)):熔体温度为1250℃时线材 但由于摩擦力较小，线坯表面将不会出现热裂纹，能 表面较光亮，无宏观缺陷（图5(d)).熔体温度升高 获得光亮表面线材.因此，拉坯速度为50 mm*min-1 会导致固/液界面逐渐向结晶器出口移动，使得线坯 时的线材表面呈光亮状态（图3(c)所示）.当拉坯 的摩擦逐渐减小，从而抑制热裂纹和划痕出现，线材 速度增至60mm·min时，固/液界面移出结晶器过 表面质量随之得到改善. 多，导致连铸失稳而出现拉漏事故（图3(d)所示）. 图4为结晶器长度对线材表面质量的影响.当 熔体温度为1250℃、拉坯速度为10mm·min-1以及 结晶器长度为20mm时连铸的线材表面较光亮，结 晶器长度为30mm和40mm时线材表面出现划痕. 痕 6mm 图5熔体温度对线材表面的影响.(a)1100℃：(b)1150℃： (c)1200℃：(d)1250℃ Fig.5 Effects of melt temperature on the surface quality of the wires: 6mm (a)1100℃：(b)1150℃：(c)1200℃：(d)1250℃ 图4结晶器长度对线材表面的影响.(a)20mm:(b)30mm: 2.2线材组织 (c)40mm 表2总结了在本文所研究的工艺参数范围内， Fig.4 Effects of crystallizer length on the surface quality of the wires:(a)20mm:(b)30 mm:(c)40mm 所制备线材的组织情况.由表2可知，结晶器长度、 熔体温度和拉坯速度皆对线材组织有较大影响， 表2不同工艺参数下连铸线材的组织 Table 2 Microstructures of the wires prepared at different process parameters 结品器长度20mm, 结品器长度30mm, 结品器长度40mm, 拉坯速度/ 熔体温度/℃ 熔体温度/℃ 熔体温度/℃ (mm*min-1) 1100 1150 1200 1250 1100 1150 1200 1250 1100 1150 1200 1250 10 ⊙ 0 O 0 ⊙ O O 0 回 回 ⊙ O 20 回 O 0 0 @ 回 回 0 回 ⊙ 回 ⑧ 30 回 0 0 回 回 0 0 回 @ 回 0 40 回 回 ⊙ 回 0 50 回 回 @ O 55 ⊙ 0 @ 注“O”表示线材为单品组织，⊙表示线材为柱状晶组织
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 线材与结晶器的摩擦较大，因此在线材表面会产生 划痕． 由图 3( b) 可知，拉坯速度为 30 mm·min － 1 时 连铸的线材表面划痕明显减少，但 出 现 热 裂 纹 ( 图 3( b) 中箭头所指处) ． 当拉坯速度增加时，固/ 液界面向结晶器出口移动，线材表面与结晶器内壁 的摩擦减小，故线材表面划痕减少． 另一方面，随着 拉坯速度增加，线坯的冷却速率随之增加，导致热应 力增大，在摩擦力的作用下线材表面出现热裂纹． 拉坯速度的进一步增大致使固/液界面位于结晶器 出口附近，线材表面与结晶器内壁的摩擦进一步减 小，能充分避免划痕的出现． 即便此时热应力较大， 但由于摩擦力较小，线坯表面将不会出现热裂纹，能 获得光亮表面线材． 因此，拉坯速度为 50 mm·min － 1 时的线材表面呈光亮状态( 图 3( c) 所示) ． 当拉坯 速度增至 60 mm·min － 1 时，固/液界面移出结晶器过 多，导致连铸失稳而出现拉漏事故( 图 3( d) 所示) ． 图 4 为结晶器长度对线材表面质量的影响． 当 熔体温度为 1 250 ℃、拉坯速度为 10 mm·min － 1 以及 结晶器长度为 20 mm 时连铸的线材表面较光亮，结 晶器长度为 30 mm 和 40 mm 时线材表面出现划痕． 图 4 结晶器长度对线材表面的影响． ( a) 20 mm; ( b) 30 mm; ( c) 40 mm Fig． 4 Effects of crystallizer length on the surface quality of the wires: ( a) 20 mm; ( b) 30 mm; ( c) 40 mm 这是由于随着结晶器长度的增加，固/液界面伸入结 晶器较多，线材表面容易出现划痕． 缩短结晶器长 度，能使固/液界面移向结晶器出口，有效改善线材 的表面状态，因此结晶器长度为 20 mm 时连铸的线 材表面较光亮． 图 5 为熔体温度对线材表面质量的影响． 当结 晶器长度为 30 mm、拉坯速度为 20 mm·min － 1 以及熔 体温度为 1 100 ℃时线材表面粗糙，可见细小热裂纹 和划痕 缺 陷 ( 图 5 ( a ) ) ; 熔 体 温 度 为 1 150 ℃ 和 1 200 ℃时线材表面无热裂纹，只有少数的划痕，如 箭头所指处( 图 5( c) ) ; 熔体温度为 1 250 ℃ 时线材 表面较光亮，无宏观缺陷( 图 5( d) ) ． 熔体温度升高 会导致固/液界面逐渐向结晶器出口移动，使得线坯 的摩擦逐渐减小，从而抑制热裂纹和划痕出现，线材 表面质量随之得到改善． 图 5 熔体温度对线材表面的影响． ( a) 1 100 ℃ ; ( b) 1 150 ℃ ; ( c) 1 200 ℃ ; ( d) 1 250 ℃ Fig． 5 Effects of melt temperature on the surface quality of the wires: ( a) 1 100 ℃ ; ( b) 1 150 ℃ ; ( c) 1 200 ℃ ; ( d) 1 250 ℃ 2. 2 线材组织 表 2 总结了在本文所研究的工艺参数范围内， 所制备线材的组织情况． 由表 2 可知，结晶器长度、 熔体温度和拉坯速度皆对线材组织有较大影响． 表 2 不同工艺参数下连铸线材的组织 Table 2 Microstructures of the wires prepared at different process parameters 拉坯速度/ ( mm·min － 1 ) 结晶器长度 20 mm， 熔体温度/℃ 结晶器长度 30 mm， 熔体温度/℃ 结晶器长度 40 mm， 熔体温度/℃ 1 100 1 150 1 200 1 250 1 100 1 150 1 200 1 250 1 100 1 150 1 200 1 250 10 ?○○○?○○○???○ 20 ?○○○???○???? 30 ?○○ ??○○???○ 40 ? ○ ? ? ○ ? ○ 50 ? ? ? ? ○ 55 ? ○ ? 注: “○”表示线材为单晶组织，?表示线材为柱状晶组织． ·596·
第5期 刘锦平等：工艺参数对连续定向凝固C-12%A!线材表面质量、组织和性能的影响 ·597· 图6为线材横截面平均晶粒尺寸随熔体温度和 拉坯速度的变化，结晶器长度为30mm.由图6可 -4-1100℃ 7 -4-1150℃ 知，线材横截面平均晶粒尺寸随熔体温度的升高而 -a-1200℃ -。-1250℃ 增大，随拉坯速度的变化呈先减小后增大的趋势 连续定向凝固线材的组织与固/液界面的形状有密 切联系.固/液界面呈凸形，能有效抑制型壁的形 核，促进杂晶淘汰，有利于生成单晶组织：固/液界面 为平直，有利于生成柱状晶组织).熔体温度的变 2 化对晶粒尺寸的影响可以解释为：由于采用保温铸 型，铸型温度主要由熔体温度决定，随着熔体温度的 1020304050607080 拉坯速度(mm-min 升高，铸型温度升高，导致固/液界面凸度增大，有利 图6线材品粒尺寸与熔体温度和拉坯速度的关系 于形成单晶组织.随着拉坯速度的增加，由于熔体 Fig.6 Changes in grain size of the wires with melt temperature and 与结晶器侧壁间的黏滞作用，固/液界面凸度会逐渐 drawing velocity 减小，从而使线材由单晶组织变为柱状晶组 织：另外，随拉坯速度增加，线材冷却速度增 20mm和30mm时连铸线材均为单品组织；结晶器 大，过冷度也随之增大，从而导致凝固时形核率增 长度为40mm线材为柱状晶组织，而且在侧壁存在 大，晶粒尺寸变小阿.当拉坯速度进一步增大致使 较明显的杂晶.由此可知，随着结晶器长度的增加， 固/液界面位于结晶器出口时，由于冷却水在结晶器 连铸线材由单晶组织变成柱状晶组织，而且会增加 出口附近对线材进行强制冷却，又使得固/液界面凸 杂晶的出现概率.这是由于当结晶器长度增加时， 度增大，从而有利于形成单晶组织.故线材横截面 固/液界面将向结晶器内移动，固/液界面凸度减小， 平均晶粒尺寸呈现随拉坯速度增加先减小再增大的 易形成柱状晶.另外，当结晶器长度增加时，固/液 趋势. 界面深入结晶器内部，易在结晶器内壁表面形核而 图7为拉坯速度20mm·min、熔体温度 出现杂晶组织. 1250℃以及结晶器长度为20~40mm时连铸线材 2.3柱状晶组织线材的力学性能 的组织形貌.由图7(a)和(b)可知：结晶器长度为 在前期的工作中，笔者报道了连续定向凝固方 b (e) I mm mm 图7结品器长度对线材组织的影响.(a)20mm:(b)30mm:(c)40mm Fig.7 Effect of crystallizer length on the microstructures of the wires:(a)20 mm:(b)30 mm:(c)40 mm
第 5 期 刘锦平等: 工艺参数对连续定向凝固 Cu--12%Al 线材表面质量、组织和性能的影响 图 6 为线材横截面平均晶粒尺寸随熔体温度和 拉坯速度的变化，结晶器长度为 30 mm． 由图 6 可 知，线材横截面平均晶粒尺寸随熔体温度的升高而 增大，随拉坯速度的变化呈先减小后增大的趋势． 连续定向凝固线材的组织与固/液界面的形状有密 切联系． 固/液界面呈凸形，能有效抑制型壁的形 核，促进杂晶淘汰，有利于生成单晶组织; 固/液界面 为平直，有利于生成柱状晶组织［7］． 熔体温度的变 化对晶粒尺寸的影响可以解释为: 由于采用保温铸 型，铸型温度主要由熔体温度决定，随着熔体温度的 升高，铸型温度升高，导致固/液界面凸度增大，有利 于形成单晶组织． 随着拉坯速度的增加，由于熔体 与结晶器侧壁间的黏滞作用，固/液界面凸度会逐渐 减 小，从而使线材由单晶组织变为柱状晶组 织［17--18］; 另外，随拉坯速度增加，线材冷却速度增 大，过冷度也随之增大，从而导致凝固时形核率增 大，晶粒尺寸变小［19］． 当拉坯速度进一步增大致使 固/液界面位于结晶器出口时，由于冷却水在结晶器 出口附近对线材进行强制冷却，又使得固/液界面凸 度增大，从而有利于形成单晶组织． 故线材横截面 平均晶粒尺寸呈现随拉坯速度增加先减小再增大的 趋势． 图 7 结晶器长度对线材组织的影响． ( a) 20 mm; ( b) 30 mm; ( c) 40 mm Fig． 7 Effect of crystallizer length on the microstructures of the wires: ( a) 20 mm; ( b) 30 mm; ( c) 40 mm 图 7 为 拉 坯 速 度 20 mm·min － 1 、熔 体 温 度 1 250 ℃以及结晶器长度为 20 ～ 40 mm 时连铸线材 的组织形貌． 由图 7( a) 和( b) 可知: 结晶器长度为 图 6 线材晶粒尺寸与熔体温度和拉坯速度的关系 Fig． 6 Changes in grain size of the wires with melt temperature and drawing velocity 20 mm 和 30 mm 时连铸线材均为单晶组织; 结晶器 长度为 40 mm 线材为柱状晶组织，而且在侧壁存在 较明显的杂晶． 由此可知，随着结晶器长度的增加， 连铸线材由单晶组织变成柱状晶组织，而且会增加 杂晶的出现概率． 这是由于当结晶器长度增加时， 固/液界面将向结晶器内移动，固/液界面凸度减小， 易形成柱状晶． 另外，当结晶器长度增加时，固/液 界面深入结晶器内部，易在结晶器内壁表面形核而 出现杂晶组织． 2. 3 柱状晶组织线材的力学性能 在前期的工作中，笔者报道了连续定向凝固方 ·597·