電磁場對A1-18%Si過共晶合金初晶Si相形貌的影響

黃立國,付大軍,高志玉

(遼寧工程技術大學材料科學與工程學院,遼寧阜新123000)

電磁場對A1-18%Si過共晶合金初晶Si相形貌的影響

黃立國,付大軍,高志玉

(遼寧工程技術大學材料科學與工程學院,遼寧阜新123000)

研究了交流電場、直流磁場和二者復合產(chǎn)生的電磁振蕩對A1-18%(質(zhì)量分數(shù))Si過共晶初晶Si相形貌的影響。結(jié)果表明:交流電場、直流磁場和電磁振蕩都使合金初晶Si相的大小經(jīng)歷了一次細化過程,交流電場使Si原子有序偏聚團的尺寸和數(shù)目發(fā)生改變,增大形核率,細化初晶Si相;直流磁場通過電磁制動效應抑制了初晶Si相的形核與長大;電磁振蕩細化作用是通過減弱合金的成分過冷和溫度梯度從而增大過冷度實現(xiàn)的。三者相比,在電磁振蕩的作用下初晶Si相更為細小。

電磁振蕩;直流磁場;交流電場;A1-Si過共晶合金

Abstract:The article is aimed to study the effects of alternating current(AC)electric field,the direct current magnetic field and the composition of both on the primary Si phase of the hypereutectic.The results show that AC field,the direct current magnetic field and electromagnetic vibration can all lead to the refining process of the size of the hypereutectic Al-Si alloy.AC electric field changes both the size and amount of silicon atom clusters,increases the nucleation rate,and refines the primary Si phase.The direct current magnetic field restrains the nucleation and growth of the primary Si phase through the effect of electromagnetic braking.The refinement of the electromagnetic vibration increases the degree of supercooling through weakening the constitutional supercooling of the alloy and the temperature gradient.Comparatively,the primary Si phase tends to be smaller under the effect of electromagnetic vibration.

Key words:electromagnetic vibration;direct current magnetic field;alternating current electric field; Al-Si hypereutectic alloy

在金屬凝固過程中,為了得到?jīng)]有缺陷、晶粒細小、組織致密的產(chǎn)品,可以通過孕育處理、強化對流及控制冷卻速度等傳統(tǒng)方法實現(xiàn)。近年來,人們發(fā)現(xiàn),可以利用電磁場控制金屬的凝固過程以獲得優(yōu)質(zhì)的鑄件,電磁場可以單獨利用電場和磁場,也可以利用二者的復合場。單獨施加電場能細化晶粒組織、提高鑄件性能、影響凝固過程中的溶質(zhì)再分配及固-液界面的穩(wěn)定性,并且能夠排除氣孔、減少有害雜質(zhì)在機體中的分布 ,得到有別于常規(guī)凝固條件下的組織 。В а щ е н к а[1]的研究表明,電場使鑄鐵中的石墨變小,抗拉強度提高了 30%左右。Ahmed[2,3]等人研究顯示,在 50～400mA/cm2的直流電場作用下高溫合金的微觀組織結(jié)構(gòu)有顯著細化,且降低了偏析和氣孔率。Prodhan[4]研究了連續(xù)電流對純Al凝固行為影響的實驗結(jié)果表明:直流和交流電場都有助于鑄件凝固宏觀晶粒組織的細化,并促進了柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)化。電場細化凝固組織是通過電遷移效應、起伏效應及Joule熱效應等實現(xiàn)的。磁場的應用始于20世紀初期,目前主要采用交變磁場和直流磁場兩種形式。交變磁場的最顯著作用是使晶粒細化,利用它對金屬液的攪拌作用改善冶金組織,Langenberg等人[5]報道了交流磁場下鋼錠的晶粒得到明顯細化。國內(nèi)的朱明原[6]、毛衛(wèi)民[7]等的研究結(jié)果表明,電磁攪拌能打碎Al-Si合金的樹枝晶,并且初生Si也明顯細化,分布均勻。近年來,對電磁復合場作用下的凝固過程研究也廣泛展開,二者復合的重要形式是電磁振蕩作用,電磁振蕩作用也使鑄錠組織變得更加細小和均勻[8]。過共晶Al-Si合金是一種重要的鑄造合金,具備良好的綜合性能,包括高比強度、耐磨、尺寸穩(wěn)定性好及熱膨脹低等,廣泛應用于航空、航天及汽車制造等領域,制造活塞、汽缸襯套、連桿等汽車零部件。但是常規(guī)鑄造過共晶Al-Si合金中的共晶Si和初晶Si相都非常粗大,割裂基體,嚴重損害了材料的力學性能。本工作通過研究電磁場對Al-18%(質(zhì)量分數(shù),下同)Si過共晶合金凝固組織的影響,試圖細化Al-Si合金的凝固組織,提高合金的力學性能。

1 實驗材料與方法

實驗采用99.7%的工業(yè)純Al和99.3%的工業(yè)純Si配制成Al-18%Si過共晶合金作為實驗材料,六氯乙烷精煉。在電阻爐中700℃下保溫30min,熔煉后澆入預先制好的濕砂型型腔內(nèi),制得尺寸為φ14mm× 80mm的試樣,實驗裝置如圖1所示。金屬液凝固過程中施加的電流密度值(由電流值除以試樣截面積而得)分別為0,19.5,32.5mA/mm2,施加的磁感應強度分別為0.023,0.032,0.049T,合金凝固過程中一直通有交流電或磁場。凝固后從試樣的中間位置截取橫截面,觀察顯微組織。

圖1 實驗裝置圖Fig.1 Schematic of experimental apparatus

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 交流電場對初晶Si相的影響

過共晶Al-Si合金的力學性能取決于其顯微組織中的初晶Si相、共晶體Al-Si相及空隙的形態(tài)大小、分布。常規(guī)條件及在電場作用下Al-18%Si過共晶合金的顯微組織如圖2所示,無電場作用時(圖2(a))組織中的共晶體Al-Si呈針片狀,初晶Si相呈規(guī)則的多邊形且較為粗大,這種組織對合金基體有較大的割裂作用,合金的塑韌性較低。電場作用對初生Si相的數(shù)量、形態(tài)以及大小產(chǎn)生了影響(圖2(b),(c)所示),初生Si相的形態(tài)發(fā)生了顯著變化,尺寸減小且數(shù)量增加,組織形態(tài)密實、分布均勻,說明電場對初生 Si相、共晶體Al-Si相起到一定的細化作用,并且隨著電流密度的增加,初生 Si相數(shù)量越多,當電流密度為19.5mA/mm2時合金組織細化最明顯。

圖2 交流電場對Al-18%Si過共晶合金初晶Si相形貌的影響(a)I=0mA/mm2;(b)I=19.5mA/mm2;(c)I=32.5mA/mm2Fig.2 Effects of AC electric field on the primary Si phase of Al-18%Si hypereutectic alloy (a)I=0mA/mm2;(b)I=19.5mA/mm2;(c)I=32.5mA/mm2

凝聚態(tài)物理學認為,Al-Si合金熔體中存在Al和Si原子各自有序的偏聚團,它所占的體積比及大小、彌散性與熔體的過熱溫度、電磁攪拌、物理場處理有關。交流電場作用在結(jié)晶溫度附近的Al-Si合金熔體上,會使Si原子有序的偏聚團的尺寸和數(shù)目發(fā)生改變,影響液態(tài)金屬形核率。一方面電場會使準固態(tài)原子集團周圍電子云密度減小,從而降低了電子云對原子的屏蔽作用,使得這些原子集團不穩(wěn)定;另一方面電子流對熔體中離子的電子曳力提高了原子的活性并促進其擴散。這兩方面將有可能使準固態(tài)原子集團裂解成細小的原子集團,促進晶核的大量生成,增加凝固金屬液的形核率。電場作用下形核率公式可表示為

式中:J為電流密度;ρe為材料的電阻率;ρ為熔體的密度;c為比熱容;t為通電時間;ΔG為最大形核熱力學勢壘;ΔGe為交流電場作用下形核熱力學勢壘變化值。由公式(1)可知,當由于電流密度增加導致K[T+J2ρet(ρc)-1]＞ (ΔG+ΔGe)時 ,將引起形核率增加 ,從而細化晶粒。

2.2 直流磁場對初晶Si相的影響

直流磁場作用下合金組織的演變?nèi)鐖D3所示,與無磁場作用相比,隨著磁感應強度的增加,合金組織也經(jīng)歷了一次細化的過程,由于所采用的直流磁場強度相近,所以圖3(a)～(c)顯示的細化程度差別不是很明顯。直流磁場對熔體無攪拌作用,其細化機制不同于以往的采用交流磁場的情況,初晶Si相的細化是由于電磁制動效應作用的結(jié)果。

圖3 直流磁場對Al-18%Si過共晶合金初晶Si相形貌的影響(a)B=0.023T;(b)B=0.032T;(c)B=0.049TFig.3 Effects of direct magnetic field on the primary Si phase of Al-18%Si hypereutectic alloy (a)B=0.023T;(b)B=0.032T;(c)B=0.049T

Al-18%Si合金中,Si含量較少,故可把Al相看做是連續(xù)分布的,Si相有序的偏聚團可作為自由粒子來處理。自由粒子沿著磁場中(強度為)以速度v運動時,磁場就會阻礙自由粒子的運動,其運動的過程中將使周圍熔體向兩側(cè)排開,從而產(chǎn)生切割磁力線的運動(圖4),產(chǎn)生洛侖茲力為

式中:σ為熔體的電導率;μ0為熔體的磁導率。

自由粒子前方的熔體產(chǎn)生順時針方向環(huán)形電流,自由粒子后方的熔體產(chǎn)生逆時針方向環(huán)形電流。前方洛侖茲力指向環(huán)形電流的中心,與合金熔體的流向相反,阻礙其流動,產(chǎn)生電磁制動效應,從而約束自由粒子向前運動。后方洛侖茲力的方向背離環(huán)形電流的中心向外,同樣與合金熔體的流向相反而產(chǎn)生電磁制動效應,后方的合金熔體不能迅速補充到自由粒子的下方,從而對顆粒形成拖曳力[9],阻礙自由粒子的運動,在前后兩個限制熔體流動的洛侖茲力作用下,Si相粒子的擴散將發(fā)生困難,從而抑制初晶Si相的形核與長大過程。

2.3 復合場對初晶Si相的影響

由電磁理論可知,在交流電場與直流磁場的復合作用下,將產(chǎn)生一個隨時間變化的力場(如圖5所示),其大小為

該力方向在試樣的徑向擺動,在合金凝固過程中引入這個力場,驅(qū)動合金熔體而產(chǎn)生電磁振蕩效應。在電磁振蕩作用下合金的凝固組織如圖6所示,與常規(guī)凝固組織相比,初晶Si相的尺寸明顯得到了細化,形狀由原來粗大的多邊形轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀且彌散分布,這樣的組織無疑對提高合金的力學性能是有利的。

圖6 電磁振蕩對Al-18%Si過共晶合金初晶Si相形貌的影響(a)I=19.5mA/mm2,B=0.049T;(b)I=32.5mA/mm2,B=0.032T;(c)I=32.5mA/mm2,B=0.049TFig.6 Effects of electromagnetic vibration on the primary Si phase of Al-18%Si hypereutectic alloy (a)I=19.5mA/mm2,B=0.049T;(b)I=32.5mA/mm2,B=0.032T;(c)I=32.5mA/mm2,B=0.049T

以往的文獻顯示[10,11],電磁振蕩作用對合金凝固組織的細化作用是由于“空化效應”引起的,但是由于“空化效應”所需的臨界電磁壓力太大(約 7× 104Pa)[8],在本實驗條件下,由于采用的電場與磁場均較小,“空化效應”難以發(fā)生。Al-Si合金熔體中存在Si原子的有序偏聚團微區(qū)作為潛在的形核質(zhì)點存在,溫度下降后此微區(qū)滿足過冷度的要求,就以此為質(zhì)點形核。在電磁振蕩力的驅(qū)動下,合金熔體中產(chǎn)生強制對流,過熱釋放迅速,成分起伏和溫度分布趨于均勻,初晶Si相固-液界面前沿的成分過冷和溫度梯度被削弱,從而抑制了合金的形核與長大,合金熔體將被深度過冷,由金屬凝固理論可知,過冷增加將引起Si原子的有序偏聚團數(shù)量的增加,從而形核質(zhì)點增加,形核率增大,初晶 Si相得到細化。同時,電磁振蕩力對Al-18%Si合金熔體具有反復拉伸和壓縮作用,加劇了顆粒之間以及顆粒與液體之間的摩擦,其對晶粒的剪切力為

式中:η為合金熔體的黏度;ν為合金熔體的流動速度;L為晶粒長度;r為晶粒半徑。該剪切力促使粗大多邊形狀的初晶Si相的薄弱處產(chǎn)生斷裂,形成小尺寸的顆粒狀形貌。

另外,在交流電場與直流磁場的作用下,由于交流電場增加形核率和直流磁場的電磁制動效應阻礙Si相粒子的遷移,也具有細化初晶Si相的作用,因此,在復合場的作用下,Al-18%Si合金組織的演變是多種因素綜合作用的結(jié)果,正是由于多種因素的共同作用,才使得圖6中的初晶Si相組織要比圖2、圖3中的更細小。

3 結(jié)論

(1)在交流電場的作用下,Al-18%Si合金中粗大的初晶Si相得到細化,其尺寸減小且數(shù)量增加。

(2)在直流磁場的作用下,Al-18%Si合金中粗大的初晶Si相也經(jīng)歷了一次細化過程,且初晶Si相數(shù)量增加。

(3)在電場振蕩的作用下,Al-18%Si合金中初晶Si相發(fā)生明顯的細化,初晶 Si相尺寸顯著減小,演變成細碎的顆粒狀。

(4)對比交流電場、直流磁場和電磁振蕩對Si相形貌的影響,電磁振蕩的細化效果最佳。

(5)交流電場使Si原子有序偏聚團的尺寸和數(shù)目發(fā)生改變,增大形核率從而造成初晶Si相的細化;直流磁場的電磁制動效應阻礙了Si相粒子的遷移,抑制了初晶Si相的生長,從而細化合金中的初晶 Si相;電磁振蕩使Si相細化除了增大形核率和電磁制動效應抑制Si相生長作用外,還由于它產(chǎn)生的強制對流,削弱了固-液界面前沿的成分過冷和溫度梯度,增大了合金凝固的過冷深度,從而細化Si相的尺寸。

[1]В АЩ Е Н К АК И.В л и я н и е в о з д е й с т в и яэ л е к т р и ч е с к о г от о к ап р и к р и с т а л л и з а ц и и ч у г у н а н а с в о й с т в а о т л и в о к [J]. Л и т е й н о е П р о и з в о д с т в о,1973,(2):27-29.

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Effects of Electromagnetic Field on Primary Si Phase of Hypereutectic Al-18%Si Alloy

HUAN G Li-guo,FU Da-jun,GAO Zhi-yu
(College of Materials Science and Engineering, Liaoning Technical University,Fuxin 123000,Liaoning,China)

TG146.2

A

1001-4381(2010)01-0032-04

遼寧工程技術大學優(yōu)秀青年基金資助項目(09-248)

2009-01-06;

2009-11-17

黃立國(1979—),男,講師,工學碩士,主要從事金屬電磁凝固方面的研究,聯(lián)系地址:遼寧阜新遼寧工程技術大學材料科學與工程學院(123000),E-mail:liguoh@126.com