[发明专利]利用包晶合金中两相竞争提高铸坯等轴晶率的方法

说明书

技术领域

本发明涉及利用包晶合金中两相竞争提高铸坯等轴晶率的方法。本发明属于金属凝固组织生长过程控制领域。

背景技术

随着材料科学的发展，包晶合金因其特殊性能成为研究热点，逐渐成为一类应用非常广泛的工程合金，许多重要的工程材料都存在包晶反应，包括各种钢、铜合金和磁性材料，潜在的高温结构材料Ti-Al和Fe-Al合金，Ni-Al合金，稀土永磁材料Nd-Fe-B和Co-Sm-Al合金，以及高温氧化物超导材料Y/Nd-Ba-Cu-O等新型包晶系材料。虽然多种具有重要工业应用的合金在凝固过程中都存在包晶反应，但是人们对包晶相变过程的了解却相当有限。在制备这些材料的过程中，人们发现凝固过程中的包晶相变对最终组织和性能具有重要影响。如何通过控制包晶相变过程来改善这些材料的性能迫切需要进行更加深入的研究。

包晶合金平衡凝固过程是：当体系温度降低到初生相液相线以下时，初生相开始形核并且生长；当温度进一步降低到包晶温度 T_p 时，包晶相依附于初生相形核，并通过包晶反应开始生长，直至参与包晶反应的两相中有一相完全耗尽。若液相先于初生相耗尽，则获得的凝固组织为包晶相包覆初生相的结构；若初生相先于液相被耗尽，则剩余的液相将直接转变为包晶相，最后获得完全由包晶相构成的组织。

提高铸坯等轴晶率，国内外冶金学者和技术人员进行了大量的基础研究和技术开发。包括电磁搅拌、低过热浇注、微合金化等凝固细晶技术、电脉冲孕育处理、超声波振动技术等。连铸坯是钢材的初级产品，在具有工业应用背景的薄带连铸技术中，研究如何提高铸坯等轴晶率有重要的意义。

铸坯在凝固过程中，由于其自身凝固收缩、工艺制度和设备等多方面的原因，有可能产生内部裂纹和宏观偏析。铸坯质量将直接影响到最终产品质量。研究和生产实践表明，造成连铸坯宏观偏析的最主要原因是连铸坯在外部强冷却条件下形成发达的柱状晶组织，故消除宏观偏析根本途径是有效控制铸坯的凝固过程，减少铸坯中柱状晶比率，提高等轴晶率。

包晶合金凝固过程中的相的形成和微观组织的演化对材料的性能起决定性作用。因此，现在对包晶工程合金的铸坯的凝固过程的研究急需找到相应的突破口，亦即如何能够解决和控制上面铸坯在凝固过程中面临的重要质量问题，其关键在于：不同成分下包晶合金凝固过程中的相的形成会对组织的生长起控制作用，即通过两相的竞争形核与竞争生长控制微观组织的演化；如果能够在这个关键点上获得突破，将极大提高包晶工程合金的应用和铸坯连铸技术的研究水平。

本发明所述的在包晶合金中利用包晶合金中两相竞争提高铸坯等轴晶率的方法，是首次证明在包晶合金利用两相竞争提高铸坯等轴晶率的方法，并提出了具体的工艺路线，这是完全不同于其它方法的一项新的技术发明。申请人采用包晶合金+等轴晶率(peritectic alloy + equiaxial crystal rate)作为关键词检索了美国的《金属文摘》(Metals Abstracts)、美国的《工程文摘索引》(EI)、Sciencedirect科技论文数据库、ISI Web of Science等国外科技数据库、我国的《中国期刊网》和《维普中文期刊数据库》等科技文献索引，均没有查到完全相关文献。申请人还检索了美国专利文摘(USPTO)、欧洲专利文摘(EP—PCT)、《中国专利信息网》以及《中华人民共和国国家知识产权局专利检索》也没有发现同类专利。

发明内容

本发明的目的在于利用包晶合金中两相竞争，提高铸坯等轴晶率。选择包晶系模型合金Fe-Ni、Fe-Mn合金为对象，提供了利用包晶合金中两相竞争提高铸坯等轴晶率的方法。更具体的说，针对薄带连铸工艺生产铸带，基建设备的投资少，工艺流程短；直接铸出的薄带不需热轧直接成材。而性能与普通的热轧带性能相当，生产成本大大降低；由于是从液态直接成带，所以可以生产出难以轧制的材料。本发明是通过喷铸、吸铸方法对其进行了系统的亚快速凝固实验，研究包晶系Fe-Ni、Fe-Mn合金，为工业化的薄带连铸技术提供在(亚)快速凝固条件下，物理模拟薄带连铸凝固过程，实现大幅度提高连铸过程中薄带的等轴晶率。

Fe-Ni合金的包晶反应为：BCC(3.83at.%Ni)+L(4.91at%Ni)→FCC(4.33at.%Ni)。本发明选择Fe-2.5at.%Ni、Fe-4.0at.%Ni、Fe-4.5at.%Ni和Fe-7.5at.%Ni四种合金成分，通过喷铸方法对其进行了系统的亚快速凝固实验。发现Fe-Ni包晶合金的不同成分对薄带凝固中组织生长(柱状晶的生长和等轴晶的形成)具有重要的影响。