鋁型材生產(chǎn)對(duì)流條件下對(duì)邊界層的影響

鋁型材熔煉組分過(guò)冷條件是建立在溶質(zhì)自然擴(kuò)散的基礎(chǔ)上的，溶質(zhì)的擴(kuò)散速度較慢，邊界層較厚。在實(shí)際生產(chǎn)中，液穴中的熔體，在液穴周邊和下方不斷結(jié)晶消耗，上方熔體不斷注入，補(bǔ)充質(zhì)量和熱量。因此在液穴中，無(wú)論是橫截面上，還是垂直方向，其溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)，必然存在某些差異，有差異就有對(duì)流，既有自然對(duì)流，還有強(qiáng)制對(duì)流。對(duì)流存在時(shí)，擴(kuò)散速度加快，能使邊界層外溶質(zhì)濃度和溫度均勻，趨于平均濃度Cl和平均溫度Tl，構(gòu)成動(dòng)態(tài)型穩(wěn)態(tài)熔體。如上所說(shuō)，在存在對(duì)流的條件下，其產(chǎn)生組分過(guò)冷條件的表達(dá)式見(jiàn)式（2-28），與式（3-2）比較，不等式右邊分式的分子完全相同，而分母則多出出D(1-Ko）exp（-v/Dδ）一項(xiàng)。式中，δ為界面前沿組分分凝溶質(zhì)邊界層的厚度。在平衡結(jié)晶自然擴(kuò)散的條件下，結(jié)晶前沿排泄出的溶質(zhì)向溶液中擴(kuò)散的速度是非常緩慢的，其邊界濃度趨于平均濃度Cl時(shí)的邊界層厚度δ可視為無(wú)窮大，故該項(xiàng)為零。在存在對(duì)流的條件下，特別是伴有強(qiáng)制對(duì)流的條件下，使得邊界限定在一個(gè)狹小的區(qū)域內(nèi)。在狹小的區(qū)域的邊界層外，溶質(zhì)均勻，等于Cl。因此，對(duì)流對(duì)組分過(guò)冷的影響是通過(guò)影響邊界層厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該公式比較符合生產(chǎn)的實(shí)際情況。



由公式右邊看出，熔體的平均濃度（即鋁型材成分含量）越高，液相線的斜率m越大，溶質(zhì)的平衡分凝系數(shù)越趨近于零，擴(kuò)散系數(shù)越小，熔體對(duì)流越緩慢，越容易產(chǎn)生組分過(guò)冷，對(duì)熔體均勻形核是有利的。一般來(lái)說(shuō)，鋁型材元素較多、含量較高，與工業(yè)純鋁相比，在同等條件下，其晶粒組織是比較容易細(xì)化的。

由公式的左邊看，溫度梯度越小，鑄造速度越快，越容易產(chǎn)生組分過(guò)冷。從理論上講，溫度梯度、鑄造速度是我們可以調(diào)整的工藝參量。但是在生產(chǎn)實(shí)踐中，調(diào)整的量是有限度的。不能超過(guò)某一極限，超過(guò)了就要出問(wèn)題，如鑄造速度適當(dāng)提高可以促進(jìn)過(guò)冷區(qū)的形成，提高鋁型材產(chǎn)品質(zhì)量，但過(guò)快就會(huì)產(chǎn)生裂紋，甚至?xí)l(fā)生熔體泄漏。

以上討論了晶體生長(zhǎng)的熱力學(xué)理論對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐的指導(dǎo)作用，具體說(shuō)是探討了如何改變結(jié)晶界面前沿的溫度梯度和濃度梯度，形成所需要的組分過(guò)冷區(qū)，以利于結(jié)晶核心的生成和成長(zhǎng)。而溫度梯度和濃度對(duì)組分過(guò)冷區(qū)的作用又互為反向，即濃度梯度越大，越容易形成組分過(guò)冷區(qū)；溫度梯度越大，則越不容易形成組分過(guò)冷區(qū)。在生產(chǎn)實(shí)踐中，如何處理好這個(gè)矛盾，選擇一個(gè)最佳點(diǎn)，既滿足所需要的組分過(guò)冷，又不產(chǎn)生鑄件的其他質(zhì)量缺陷，這就是技術(shù)工作者面臨解決的問(wèn)題。

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