金属材料细晶强化工艺综述于朝清（重庆川仪一厂，重庆400702）摘要:介绍了金属材料的细晶强化工艺采用不同的工艺方法，可使金属材料的晶粒尺寸在熔 铸阶段得到细化，并向微米、亚微米、纳米晶方向发展，为材料的后续加工和进一步提高其 物理机械性能奠定良好基础关键词:金属材料;熔铸;纳米;细化;晶粒中图分类号:TM205. 1文献标志码:A文章编号:1671 - 8887 （2006） 03 - 0034 -071引言金属材料的机械性能（强度、硬度，耐磨性、弹性、抗疲劳和延展性、韧性等）以及导电、导 热、耐蚀性等与其结晶状态（晶粒大小和形貌）有着密切关系它不仅影响到仪表电子元器 件乃至电子产品的稳定性和使用寿命，而且在最大限度地发挥仪表电子功能材料的应用潜 能、有效地节约稀贵金属资源方面意义重大金属材料的性能指标随着晶粒细化程度的提 高而提高已成为不争的事实，纳米材料与器件是未来新材料的重要发展方向之一金属材料 纳米技术研究主要集中在纳米弥散强化、纳米晶、纳米粉体材料、纳米膜材料等方面实践 证明，纳米弥散强化和纳米晶对提高金属材料的力学性能效果十分显著，有些工艺方法已经 达到实用化阶段本文对金属细晶强化工艺进行了介绍，重点介绍了细晶强化的连铸工艺及 技术。
2熔炼合金化细化2. 1微合金化微合金化技术较为成熟，应用广泛如含Nb铁素体钢，当Nb含量由0. 1 %增加到0. 5 %时，晶粒由40 um 细化到1rm，屈服强度由150〜230 MPa提高到600〜650 MPa， 并有望达到800 MPa［1 ］目前可供实行微合金化的元素主要有Al、Sc、Ti、V、Y、Zr、 Nb、Ce、La等，添加量为0. 1 %〜0. 5 %其作用机理为：（1） 微合金元素在金属熔炼中处于晶粒成长的前沿，有助于加大前沿金属的过冷度,提高一 次成核率，增加均质成核数量，使金属晶粒细化2） 微合金元素一般化学性质活泼，与O、N及金属元素形成化合物，聚集在晶界上,成为弥 散强化相，阻止晶粒继续长大3） 弥散分布的微合金元素化合物，在金属塑性变形时，根据奥罗万机制,阻止金属晶界滑移, 强化金属本体如,AgCe0. 5是应用普遍的电接触材料，Ce的作用不仅可强化和韧化Ag基 体（包括Ag基合金），而且对提高抗电蚀、改善电接触性能有特殊功效Ce的这种特性在 早年研发的WCe电极材料中，在改善起弧特性、提高抗电弧烧损方面得到应用刘生发 ［2 ］等研究了 Ce对镁合金组织细化的影响。
2. 2 纳米弥散强化纳米弥散强化技术在贵金属器具中的应用成效卓著，如，Ti- Pt （Al 2O3增强），ZGS- Pt （ZrO2增强），ODS- Pt （ Y2 03增强）及重庆川仪一厂的CYQ- Pt （ZrO2、Y2O3复合增强） 及PtRh合金可节约贵金属用量，提高使用寿命,经济效益显著纳米弥散强化的制备工艺 有粉末冶金法和合金内氧化法蒋丽娟等［3 ］用粉末冶金法制得的纳米弥散强化铂,ZrO2颗 粒小于7 nm , ZrO2的含量为0. 6 %〜1. 0 %室温下材料的屈服强度N 400 MPa ,1 400 °C高温下的屈服强度^15 MPa内氧化法目前已普遍应用，适于批量生产纳米弥散 强化相多为高熔点化合物，如Al 2O3、ZrO2、Y2O3、WC、SiC、Ta 2O5等由于纳米 弥散强化相极度分散，在金属基体中起到“钉扎作用”，强化金属基体的作用相当明显，尤 其在高温工作条件下，弥散强化相稳定,其强化效果更加显著当强化相含量为0. 1 %〜0.5 %时，不会对基体的本质特性带来影响，有时还会增强材料的高温抗蚀性纳米弥散强化工 艺技术在其他金属材料中也有应用，如 W-Al 2、Cu-Al 2、Cu-Cr-Zr- Y等［4 ］。
3铸锭晶粒细化3. 1电磁振荡现代冶金基本采用电冶金，如感应炉、电弧炉、电渣炉、自耗炉等感应炉按电流频率不同 分为工频、中频、超音频、高频、甚高频等相应的频率范围分别为50 Hz、1〜10 kHz、 10〜100 kHz、200〜300 kHz及300 kHz以上感应炉配有真空冶炼系统可控硅变频和 整流技术及自动控温等先进技术的应用，使冶炼技术日趋完善，感应炉成为金属材料生产 过程中的关键设备感应冶炼过程中，物料在感应线圈中交变磁场作用下，产生感应电流(涡 流)，焦耳热使物料迅速升温和熔化，熔体在交变磁场作用下,按照磁力线方向翻腾，达到均 热均质的目的在铸锭过程中如果施加不同频率和相位的交变磁场，可以改变液态金属的流 动状态及凝固条件，增加过冷度和一次成核率，对初始粗大的柱状晶进行破坏，可以达到细化 晶粒的目的［5 ］，其作用机理为：(1) 感应电流与磁场作用下产生的洛伦磁力对金属熔体产生强力搅拌，熔池温度均匀，过冷 度增加，形成爆发式形核，增加一次成核率，细化晶粒2) 异相磁场增加结晶前原子团簇的能量,相互碰撞摩擦，使枝晶生长困难，晶粒近似球状3) 熔体运动对枝晶起到冲刷、熔断的作用，抑制枝晶生长，增加形核核心。
4) 熔体与结晶器接触后，产生大量初始晶坯,在熔体冲刷下，重新进入熔体，成为晶核5) 用于二次搅拌的感生电流所产生的焦耳热，由于集肤效应，有助于减小铸锭中心与边部的温差，使结晶器壁上的初始晶核游离，重新进 入熔体成核6) 电磁力的脉冲分量能够使金属熔体产生受迫振动，改变晶间熔体的运动方式，减小凝固前 沿的温度梯度和成分过冷,避免枝晶长大，起到细化晶粒和提高等轴晶比例的作用此外，在 异相交变磁场作用下，使金属熔体产生径向推力，减小凝固过程中金属熔体与结晶器的接 触压力，能提高铸锭表面质量，可以省去表面切削(扒皮)，为无切削轧制工艺技术研究打下 基础为获得理想的电磁振荡效果，应选择合理的感应器设计参数如铸造60 mm2的方坯， 选择的参数为异向位内线圈120匝，外线圈30匝，相位差90° ;通工频电流(50 Hz) 100 A , 功率22 kW ;线圈中心电流强度、相位、频率可以分别调整以选择最佳振荡效果，达到改善 铸锭内在质量和表面质量的目的3. 2功率超声波功率超声波可以使一些物质的物理、化学和生物特性或状态发生改变用于金属铸锭过程可 以达到增加过冷度、缩短凝固时间、排除有害气体、细化晶粒、提高力学特性的效果［6 ］。
其机理为：(1) 超声波导入金属熔体后，在其中产生“空化”现象空化泡破裂时产生强力冲击波，对已 形成的晶胚进行破碎，增加成核数量2) 超声波引起金属熔体的微弱振荡，有助于加大熔体的过冷度,提高一次成核数量3) 超声波引起晶间熔体的微弱振荡，对已有的结晶进行冲刷摩擦，阻碍其生长，使其趋向 等轴状态⑷超声波振荡加快了金属熔体的流动，使成分和温度均匀，并加速气体和夹杂排放，使金 属均质纯净5)超声波振荡加快了结晶潜热的散发，缩短了凝固时间，抑制枝晶生长，使铸锭成为均细 的等轴晶状态4连续铸轧工艺连续铸轧工艺是近期研发并成功用于生产的新技术，可大幅度提高成材率,缩短工艺流程，节 能降耗，属环保型工艺技术20世纪90年代美国、卢森堡、挪威、法国等国建成了二辊、 四辊型的高速连续铸轧机，用于超薄铝合金带生产为了提高铸轧速度，日本开发了水平式 二辊铸轧机(MDTRC)、水平履带式铸轧机(MDBRC)、喷淋式铸轧机(METRC)、立式二 辊铸轧机(HPTRC)等多种铸轧生产线连续铸轧技术在中国尚处试验研究阶段[7 ]重庆大 学已开展了二辊连续铸轧工艺技术的研究[8 ]4. 1水平式二辊铸轧机水平式二辊铸轧机(melt drag twin roll cas-ter , MDTRC)的轧辊为水冷铜辊或不锈钢辊，上 辊为变形辊，下辊为凝固辊。
薄带经凝固辊凝固成形后，经变形辊进行轧制(见图1)金属 熔体在半固态(固相率5 %〜10 %)经轧辊激冷和轧制变形，一次成核率很高，结晶致密， 晶粒细化，带坯表面光洁为了提高熔体的固相率，可以配置导流槽，形成MDTRC - CS (melt drag twin roll caster coolingslope)结构形式(图 2)4. 2 水平履带式铸轧机为了提高铸轧带坯表面质量，在MDTRC和MDTRC-CS的基础上作改进，增加传送带，使 铸带运行平稳，形成 MDBRC(melt drag belt roll cast2er)和 MDBRC-CS (melt drag belt roll castercooling slope)的结构形式(图3、4)铸带速度可达20 m/ min参考文献：[1] 闫肃，刘景辉,刘云旭.低碳钢铁素体超细化技术[J ].金属热处理，2005(10) :13 - 16.[2] 刘生发，黄尚宇，徐萍.Ce对Az91镁合金铸态组织细化的影响[J ].金属学 报,2006(4) :443 - 448.[3] 蒋丽娟，徐颖，李明利.纳米氧化弥散强化铂[D].稀贵金属纳米材料和低维材料学术研 讨会论文集,昆明,2002 ,11 :129 - 131.[4] 刘勇,刘平,董企铭，等.变形对接触使用Cu-Cr-Zr- Y合金时效特性和力学性能的影响 [J ].有色金属学报,2006(3) :417 -420.[5] 王哲峰,崔建中,林风贤.空心管坯的异相位电磁连铸[J ].中国有色金属学 报,2005(3) :500 - 503.[6] 张勇，刘青梅,宋耀林，等.功率超声对T10钢凝固特性的影响[J ].铸造2006. 2 :188 - 190.[7] 鲍培玮，李培杰.双辊薄带高速铸轧机新技术[J ].铸造,2005(9) :847 - 851.[8] 杨明波，梁小平,潘复生，等.双辊薄带 铸辊界面平均换热系数的测定[J ].铸 造,2002(12) :772 - 775.[9] 王少鹏，谢发勤,吴向清.块体纳米材料深过冷制备技术的发展[J ].铸造,2006(2) :105 - 107.[10] 王正品，张路，贾玉宏.金属功能材料[M].北京:化学工业出版社,2004.[11] 王培堂，田荣璋.铜合金加工手册[K].长沙:南大学出版社,2002.[12] 刘楚明，刘子娟，朱秀荣，等.镁及镁合金的动态再结晶研究进展[J ].中国有色金属 学报,2006(1) :1 - 10.[13] 林高用，张振峰，周佳，等.C194铜合金引线框架材料的形变热处理[J ].金属热处 理,2005(12) :16 - 19.。