螺旋磁場(chǎng)對(duì)Al-7%Si合金凝固及成分偏析的影響

王 勃，王月宇，王付杰

(1. 運(yùn)城學(xué)院 機(jī)電工程系；2. 運(yùn)城學(xué)院 圖書館，山西 運(yùn)城 044000)

引言

偏析是一種化學(xué)成分分布不均勻的現(xiàn)象，它在合金的凝固過程中普遍存在，且會(huì)惡化合金材料的使役性能，是凝固研究的關(guān)鍵問題之一[1]。電磁場(chǎng)作為一種非直接接觸的物理場(chǎng)在材料科學(xué)領(lǐng)域，尤其是金屬合金的凝固控制領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，人們嘗試?yán)秒姶艌?chǎng)攪拌金屬液從而改善冶金效果的研究可以追溯到20世紀(jì)三十年代[2，3]。到目前為止，電磁攪拌技術(shù)在冶金工業(yè)的應(yīng)用已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，Eckert等[4]采用低頻脈沖磁場(chǎng)研究了不同脈沖參數(shù)下GaInSn合金液中心縱截面上的流動(dòng)模式，結(jié)果表明調(diào)整合適的脈沖參數(shù)可實(shí)現(xiàn)金屬液在豎直方向上的往返流動(dòng)；曹志強(qiáng)等[5]研究了電磁攪拌對(duì)灰鑄鐵宏觀片的影響，發(fā)現(xiàn)偏析隨著合金凝固速率的降低和攪拌強(qiáng)度的增加而愈加強(qiáng)烈。

螺旋磁場(chǎng)由于集旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和行波磁場(chǎng)于一體的特點(diǎn)而越來越受到研究學(xué)者的青睞，如Cramer等人[6]研究了螺旋磁場(chǎng)作用下金屬液的流動(dòng)規(guī)律，結(jié)果表明，除非行波磁場(chǎng)的電磁力超過旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)至少一個(gè)量級(jí)，否則雙渦流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)會(huì)一直存在；大連理工大學(xué)的趙倩、張楠、韓彥博等人[7-10]則研究了螺旋磁場(chǎng)對(duì)低熔點(diǎn)的Sn-Pb合金凝固組織和成分偏析的影響，發(fā)現(xiàn)螺旋磁場(chǎng)較旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)能更好地消除成分偏析、破碎枝晶和細(xì)化晶粒。

本文以Al-7%Si合金為研究對(duì)象，在其凝固過程中施加了不同形式的螺旋磁場(chǎng)，并與無磁場(chǎng)的情形進(jìn)行了對(duì)比，研究探討了螺旋磁場(chǎng)對(duì)合金凝固和成分偏析的影響，進(jìn)一步擴(kuò)展了螺旋磁場(chǎng)在改善合金性能方面的應(yīng)用。

1. 實(shí)驗(yàn)裝置及方案

本研究所采用的磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置為線圈型磁場(chǎng)，它由兩組采用星形連接的線圈繞制而成，兩組線圈在空間中分別可產(chǎn)生周向的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和軸向的行波磁場(chǎng)，兩者疊加即可形成空間螺旋磁場(chǎng)。線圈型磁場(chǎng)裝置由電磁攪拌器本體(型號(hào)DJGL-170，湖南科美達(dá)電氣股份有限公司)及變頻控制器(型號(hào)DJKX-260 kVA，湖南科美達(dá)電氣股份有限公司)組成?？赏ㄟ^頻率及電流等參數(shù)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，當(dāng)所產(chǎn)生的螺旋磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)方向呈現(xiàn)周期性變化時(shí)，稱之為模式螺旋磁場(chǎng)。螺旋磁場(chǎng)的部分運(yùn)行參數(shù)見表1。

表1 螺旋磁場(chǎng)運(yùn)行參數(shù)

實(shí)驗(yàn)材料選用商業(yè)純鋁(純度≥99.9%)和3205硅(純度≥99.3%)經(jīng)高溫電爐(型號(hào)BLMT-1800，洛陽博萊曼特試驗(yàn)電爐有限公司)熔煉后配制Al-7%Si合金，其相線溫度約為617 ℃，共晶溫度約為577 ℃，這種合金也被國外學(xué)者用于研究合金凝固過程成分偏析問題，Al-7%Si合金的熱物性參數(shù)見表2。

表2 Al-7%Si合金熱物性參數(shù)

圖1為凝固裝置示意圖，剛玉弧形坩堝置于線圈磁場(chǎng)中心位置，將K型熱電偶插在坩堝中心記錄凝固過程中的溫度變化。熱電偶分布如圖2所示，熱電偶的軸線與坩堝的中心線重合，合金液面高為55 mm，A、B、C三個(gè)測(cè)溫點(diǎn)均相距25 mm，其中A點(diǎn)位于坩堝底部。

圖1 凝固裝置示意圖

圖2 測(cè)溫?zé)犭娕疾贾檬疽鈭D

熔煉時(shí)將純鋁與硅粒按一定質(zhì)量比放入剛玉坩堝，其中硅粒鋪在底層，鋁塊壓在硅粒上面，將二者加熱至950 ℃，保溫15 min后用石墨攪拌棒充分?jǐn)嚢? min，再保溫20 min后取出澆注。

表3 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)中考察了未加磁場(chǎng)、施加單向螺旋磁場(chǎng)以及模式螺旋磁場(chǎng)三種實(shí)驗(yàn)條件下Al-7%Si合金的凝固劑偏析情況。實(shí)驗(yàn)方案如表3所示。待合金凝固過程完成后，取出坩堝并進(jìn)行合金錠脫模，之后將合金錠沿中心由線切割進(jìn)行縱剖并用銑床將剖面削平，用砂紙濕磨至800目。一半取樣進(jìn)行成分分析，用于研究成分偏析情況，圖3為取樣點(diǎn)的位置分布，其中4、5、6點(diǎn)為合金錠中心軸線。另一半進(jìn)行腐蝕，用于觀察宏觀組織分布，腐蝕液采用王水(體積比HCl：HNO3=3∶1)。

圖3 取樣位置示意圖

2. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 磁場(chǎng)形式對(duì)凝固過程導(dǎo)熱條件的影響

圖4為不同磁場(chǎng)條件下Al-7%Si合金凝固過程A#、B#、C#熱電偶溫度變化曲線。對(duì)比三種溫度曲線圖可知，三種實(shí)驗(yàn)條件下凝固初始條件差異甚微，凝固過程中，由于凝固潛熱的釋放，A#、B#、C#熱電偶分別在不同時(shí)間段溫度曲線出現(xiàn)平臺(tái)，凝固結(jié)束時(shí)，三條溫度曲線斜率均出現(xiàn)突變。

圖4 不同磁場(chǎng)條件下Al-7%Si合金凝固過程溫度變化曲線

從三次實(shí)驗(yàn)冷卻曲線來看，位于合金液中心附近的B#熱電偶溫度最高，A#次之，C#最低，說明凝固過程中合金液內(nèi)部軸向溫度梯度由中心分別指向合金底部及合金液面，且B#與A#之間溫度差明顯小于B#與C#，說明合金液內(nèi)部溫度梯度并不均勻，上部溫度梯度明顯大于下部溫度梯度，合金凝固過程中熱量在軸向方向上主要通過上部傳導(dǎo)。施加單向螺旋磁場(chǎng)及模式螺旋磁場(chǎng)后，上部溫度梯度略有增加，這是由于施加螺旋磁場(chǎng)攪拌后合金液面產(chǎn)生凹陷，使得C#熱電偶距合金液面更近的緣故。由三次實(shí)驗(yàn)溫度變化的數(shù)據(jù)可得三次實(shí)驗(yàn)的凝固時(shí)間分別為220 s、215 s、205 s，施加螺旋磁場(chǎng)后凝固時(shí)間略有減小。這說明在本文實(shí)驗(yàn)條件下，螺旋磁場(chǎng)帶來的強(qiáng)迫對(duì)流并未明顯改變合金液整體的熱傳導(dǎo)條件，其對(duì)凝固過程的影響主要集中在合金液的流動(dòng)上。

2.2 磁場(chǎng)形式對(duì)凝固宏觀組織的影響

圖5為不同磁場(chǎng)條件下Al-7%Si合金宏觀組織照片，圖5(a)中未施加磁場(chǎng)，鑄錠宏觀組織以粗大的柱狀晶為主，只在邊緣部分出現(xiàn)少量的等軸晶，且中心部位有明顯的疏松及縮孔等缺陷；圖5(b)施加單向螺旋磁場(chǎng)后，鑄錠內(nèi)部發(fā)生了柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變(CET)，但鑄錠斷面上疏松及縮孔等缺陷更為嚴(yán)重。圖5(c)中施加模式螺旋磁場(chǎng)后，等軸晶的區(qū)域明顯擴(kuò)大并成為主要的宏觀組織，且晶粒分布更為均勻細(xì)密，疏松及縮孔等缺陷也得到明細(xì)的改善。

圖5 不同磁場(chǎng)條件下Al-7%Si合金宏觀組織照片

2.3 磁場(chǎng)形式對(duì)凝固成分偏析的影響

圖6為Al-7%Si合金鑄錠在中心(r=0 mm)和邊緣(r=19.5 mm)兩個(gè)位置處不同高度位置上的濃度分布情況。從圖6中Si元素的含量看來，由于熔煉過程中Al的大量燒損導(dǎo)致了最終合金中Si含量超出了7%的設(shè)定水平。從四條曲線的變化趨勢(shì)分析，兩種磁場(chǎng)的施加對(duì)合金元素在高度上濃度的影響并無明顯規(guī)律。但是對(duì)比兩種磁場(chǎng)施加后鑄錠在相同高度處中心和邊緣的濃度差異，可以得到，模式磁場(chǎng)的施加在一定程度上減輕了徑向上濃度的偏析。從圖6中相同高度位置上徑向的成分差異分析，模式螺旋磁場(chǎng)施加后，鑄錠的下部和上部徑向濃度差異不大，中間位置處徑向濃度出現(xiàn)一定的差異；而單向螺旋磁場(chǎng)施加后，在三個(gè)高度位置上，徑向濃度均存較大差異。所以從Al-7%Si合金的成分分布情況看來，模式螺旋磁場(chǎng)仍然在消除徑向成分偏析這點(diǎn)上，比單向螺旋磁場(chǎng)起到了更好的效果。

圖6 螺旋磁場(chǎng)對(duì)Al-7%Si合金成分偏析的影響

從上述結(jié)果可以看出，螺旋磁場(chǎng)的施加均能整體上改善Al-7%Si合金的成分偏析程度，這與螺旋磁場(chǎng)作用下合金初生相的受力情況相關(guān)，螺旋磁場(chǎng)下合金初生相受力分析[8,11]如圖7所示。初生相晶粒不僅受浮力f和自身重力G，還受到螺旋磁場(chǎng)的洛倫茲力F的作用，而F垂直分量Fz使金屬熔液在軸向方向形成大環(huán)流運(yùn)動(dòng)[8]，這個(gè)作用力可以很大程度上影響析出晶粒的上浮運(yùn)動(dòng)。另外，模式螺旋磁場(chǎng)作用下合金液對(duì)流也更加劇烈，部分可能發(fā)生偏析的初生相也會(huì)因強(qiáng)烈的對(duì)流被卷入液芯中[11]，從而減輕成分偏析。

圖7 螺旋磁場(chǎng)下合金初生相受力示意圖[8,11]

3. 結(jié)論

(1)本實(shí)驗(yàn)條件下，磁場(chǎng)的施加并未顯著影響Al-7%Si合金凝固過程的導(dǎo)熱條件，只是在保溫至凝固開始的過程中均勻了熔體軸向上的溫度分布，縮短了此過程的時(shí)間，但并未顯著影響合金的凝固時(shí)間，并且磁場(chǎng)也未對(duì)熔體內(nèi)溫度梯度產(chǎn)生顯著影響。

(2)螺旋磁場(chǎng)的施加可以顯著促進(jìn)Al-7%Si合金凝固過程中柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變，基本消除了粗大的柱狀晶組織，模式螺旋磁場(chǎng)的施加顯著改善了合金凝固的組織結(jié)構(gòu)，形成了較為細(xì)密的等軸晶，并且擴(kuò)大了等軸晶組織的范圍。但單向螺旋磁場(chǎng)并未能完全消除鑄錠的宏觀缺陷，反而由于強(qiáng)迫對(duì)流效應(yīng)增強(qiáng)使得通道偏析更為嚴(yán)重，而模式螺旋磁場(chǎng)較單向螺旋磁場(chǎng)在擴(kuò)大等軸晶區(qū)域和細(xì)化晶粒方面的作用更為顯著。

(3)模式螺旋磁場(chǎng)較單向螺旋磁場(chǎng)具有顯著改善鑄錠凝固后徑向上濃度差異的效果，從本研究中Al-7%Si合金鑄錠截面上的溶質(zhì)濃度分布情況，模式螺旋磁場(chǎng)較單向螺旋磁場(chǎng)更有利于減輕鑄錠整體的偏析問題。

(4)模式磁場(chǎng)具有改善通道偏析發(fā)生的作用，能夠更好地減輕宏觀偏析程度。只有控制合理的模式參數(shù)，使得磁場(chǎng)強(qiáng)度、模式頻率等參數(shù)與熔體流動(dòng)特征、金屬凝固速度匹配，才能有效抑制通道偏析的產(chǎn)生。這些參數(shù)之間的具體匹配關(guān)系還尚待進(jìn)一步的研究。