旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)合金凝固組織形成的影響

摘 要：在合金澆注過(guò)程中施加由電磁攪拌器產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，能夠顯著地細(xì)化晶粒，抑制初生相的生長(zhǎng)，同時(shí)對(duì)于消除宏觀偏析及促進(jìn)柱狀晶向等軸狀晶轉(zhuǎn)變也有很好的效果。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 凝固組織 初生相

中圖分類(lèi)號(hào)：TG113 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）04（c）-0116-02

追溯到20世紀(jì)初，人們?cè)诤辖鹉踢^(guò)程中施加相應(yīng)的磁場(chǎng)，同時(shí)還嘗試著運(yùn)用磁場(chǎng)來(lái)對(duì)凝固的金屬進(jìn)行攪拌，而這樣就可以改變冶金組織[1，2]。強(qiáng)烈的電磁攪拌不但克服了直接接觸金屬液的機(jī)械攪拌所造成的卷入氣渣等方面的缺點(diǎn)[3]，還在液相流動(dòng)對(duì)凝固過(guò)程中祈禱的作用效果有很大程度的提高，進(jìn)而在流動(dòng)對(duì)凝固影響的研究中逐步形成一個(gè)重要的途徑[4]。本文闡述旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)細(xì)化初生相，消除宏觀偏析，獲得等軸晶的作用效果。

1 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)合金組織的影響

1.1 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)過(guò)共晶鋁合金初生硅的細(xì)化

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)初晶硅的細(xì)化表現(xiàn)在三個(gè)方面。

（1）電磁攪拌抑制初晶硅各向異性生長(zhǎng)。初晶硅的生長(zhǎng)屬于小平面生長(zhǎng)，在無(wú)外接干擾的情況下，初晶硅會(huì)遵循擇優(yōu)生長(zhǎng)原則長(zhǎng)成粗大板塊狀。加入旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)后，在電磁攪拌作用下，初晶硅表面形成較多的機(jī)械孿晶，產(chǎn)生分支，同時(shí)加快溶質(zhì)的擴(kuò)散，促進(jìn)溫度場(chǎng)的均勻化，增加初晶硅厚度，從而在一定程度上抑制初晶硅擇優(yōu)生長(zhǎng)，促使其向球團(tuán)化轉(zhuǎn)變[5]。

（2）初晶硅中存在許多如孿晶，位錯(cuò)，亞晶界等缺陷[6]。在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，由于初生si和周?chē)垠w的電導(dǎo)率不同而產(chǎn)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，初生相受到金屬液的沖擊。凝固開(kāi)始時(shí)，這些初生枝晶將被碎斷而形成更小晶粒[7]。這些游離晶隨著熔體一同流動(dòng)，并在低溫下各自長(zhǎng)成新的游離晶，增加了晶粒的數(shù)目[8]。

（3）熔體溫度場(chǎng)均勻化。當(dāng)合金液開(kāi)始析出初生硅晶核時(shí)，由于液體各處溫度基本相同，初生硅可在整個(gè)液體內(nèi)同時(shí)非均質(zhì)形核，從而細(xì)化初生硅[5]。另外在變質(zhì)處理后，再外加旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用，效果更佳[9]。

1.2 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)促進(jìn)柱狀晶向等軸晶形態(tài)轉(zhuǎn)變

鋁合金的鑄造宏觀組織，分兩類(lèi)：等軸晶和柱狀晶。柱狀晶區(qū)含有縱“弱面”，軋制時(shí)易沿弱面開(kāi)裂而產(chǎn)生廢品；而等軸晶沒(méi)有明顯增加的弱面，加工時(shí)不易開(kāi)裂，性能的方向性小。故希望能盡量促進(jìn)柱狀晶向等軸晶的形態(tài)轉(zhuǎn)變，縮小柱狀晶區(qū)。

Al（4%～5%）Cu合金為試驗(yàn)材料，研究旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)Al-Cu合金凝固組織的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)合金的凝固組織產(chǎn)生明顯的細(xì)化效果，凝固組織呈現(xiàn)近等軸晶顆粒，分布較均勻，晶間距也明顯減小。[10]

產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是由于在磁場(chǎng)的作用下，鑄型中金屬液流動(dòng)，是靠近型壁處為層流，中心為絮流。層流前沿速度取決于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度增大，層流速度快，對(duì)型壁上晶體沖刷力大，從型壁上沖刷下來(lái)的晶體多，有利于等軸晶的形成細(xì)化晶粒。另外，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，會(huì)對(duì)中心絮流層造成溫度波動(dòng)，會(huì)降低晶粒的平均生長(zhǎng)速度，同時(shí)使固液界面出現(xiàn)周期性的重熔現(xiàn)象。枝晶端部液體絮流造成的熱脈動(dòng)的升高，會(huì)使枝晶臂熔斷，使液體中晶粒倍增，從而細(xì)化晶粒，推動(dòng)柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變[10～15]。

1.3 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)金屬凝固過(guò)程中成分偏析的影響

在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)條件下對(duì)Sn-Bi合金[16]的研究表明，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)有顯著的細(xì)化晶粒和消除組織不均的現(xiàn)象。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究了常規(guī)條件下和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)條件下Pb-50%Sn，Pb-58%Sn亞共晶合金和Pb-64%Sn，Pb-68%Sn過(guò)共晶合金凝固組織的形貌特征，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)具有消除宏觀偏析、碎斷和細(xì)化枝晶、加快固液界面的溶質(zhì)擴(kuò)散速度以及在合金中產(chǎn)生團(tuán)狀組織等作用。[17]

在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，合金熔體先歸于磁場(chǎng)做磁力線運(yùn)動(dòng)，熔體每一點(diǎn)都產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，感生電流，因而會(huì)受到一個(gè)電磁力，在熔體內(nèi)產(chǎn)生兩種運(yùn)動(dòng)。一種以鑄件中心為軸，沿磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向在水平面做圓周運(yùn)動(dòng)，另一種沿著圓柱體半徑方向在豎直平面形成兩個(gè)流環(huán)[18]。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)會(huì)引起熔體內(nèi)產(chǎn)生的感生電流對(duì)合金具有加熱作用[19]，從而使冷卻速度都較常規(guī)條件下慢，延緩了冷卻速度。

所以，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)會(huì)引起熔體內(nèi)部劇烈運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致金屬熔體的強(qiáng)迫流動(dòng)，使熔體內(nèi)部溫度場(chǎng)和溶質(zhì)場(chǎng)均勻化，加速熔體中溶質(zhì)原子的擴(kuò)散，克服了常規(guī)條件下組織分布不均的問(wèn)題[16]；同時(shí)降低了擴(kuò)散層的厚度，加快了凝固邊界層溶質(zhì)富集區(qū)過(guò)多的傳輸和擴(kuò)散。降低了成分偏析的概率。

2 外加旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的應(yīng)用前景

隨著現(xiàn)代工業(yè)和環(huán)境科學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)代材料要求經(jīng)濟(jì)學(xué)，功能性和環(huán)境協(xié)調(diào)性相統(tǒng)一。圍繞這一主題，世界各國(guó)都在大力發(fā)展材料的研究和制備技術(shù)。近20年來(lái)，物理場(chǎng)處理技術(shù)作為一種環(huán)保，經(jīng)濟(jì)，具有很大發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)備受關(guān)注。至今，世界各國(guó)研究人員分別用超聲波，電場(chǎng)，磁場(chǎng)以及上述場(chǎng)的混合場(chǎng)對(duì)不同金屬的凝固行為做了大量的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在合金的凝固過(guò)程中施加交，直流電場(chǎng)或磁場(chǎng)，有著細(xì)化晶粒，改善組織的作用[20]，此外，該項(xiàng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用還對(duì)新材料的開(kāi)發(fā)利用以及節(jié)約稀土等稀缺資源都有著重大貢獻(xiàn)，因此受到了極大關(guān)注。然而，作為一個(gè)新技術(shù)，至今還未對(duì)其影響機(jī)理達(dá)到統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，是該技術(shù)沒(méi)能得到廣泛的應(yīng)用。但這也從另一個(gè)方面也說(shuō)明了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的的研發(fā)與應(yīng)用有很大的拓展空間，有待大家的共同努力。

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