電磁攪拌和數(shù)值模擬在SiC/C19400復(fù)合材料制備中的研究

廖鈺敏，楊成海，馮曉杰，胡蓉

（廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512126）

0 引言

銅因其優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，廣泛應(yīng)用于導(dǎo)電領(lǐng)域。隨著5G時(shí)代的來(lái)臨，電子產(chǎn)品對(duì)導(dǎo)電材料的綜合性能要求進(jìn)一步提升，材料的原始組織與后續(xù)加工性能的優(yōu)劣密切相關(guān)。良好的鑄態(tài)組織是獲得高性能銅合金的關(guān)鍵步驟。純銅雖然導(dǎo)電性能非常出色，但是因其強(qiáng)度、耐磨性能較差而不能夠適應(yīng)需要接觸受力的一些導(dǎo)電設(shè)備的應(yīng)用。C19400是廣泛應(yīng)用的引線框架材料，在前期研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)?shù)靥砑覵iC顆粒制備得到的C19400-SIC復(fù)合材料，能夠有效提高其力學(xué)性能，對(duì)其導(dǎo)熱導(dǎo)電性能影響甚少。為使引線框架材料進(jìn)一步向更高強(qiáng)高導(dǎo)方向發(fā)展，研究探討進(jìn)一步提高其性能的方法，在復(fù)雜多變的全球經(jīng)濟(jì)形勢(shì)下，支持我國(guó)的芯線事業(yè)發(fā)展，促進(jìn)芯線事業(yè)基礎(chǔ)研究的進(jìn)步[1]。

電磁攪拌因其具有無(wú)接觸、參數(shù)可控、能有效細(xì)化鑄態(tài)晶粒等特點(diǎn)[2]，成為近年來(lái)備受矚目的鑄造輔助方法。Seong-Mook Cho[3]認(rèn)為金屬的缺陷源自于金屬凝固前在模具內(nèi)的流動(dòng)狀況，優(yōu)化澆鑄條件是獲得質(zhì)量更優(yōu)的鑄態(tài)組織的前提，通過電磁效應(yīng)的可調(diào)控性來(lái)減少鑄造缺陷，從而優(yōu)化鑄造效果。李新濤等[4]發(fā)現(xiàn)電磁場(chǎng)對(duì)水平連鑄紫銅管表面質(zhì)量有積極影響，能夠顯著降低表面粗糙度值。數(shù)值模擬也是近年來(lái)用于指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的有效輔助手段[5]。

本研究以復(fù)合材料SiC/C19400為基礎(chǔ)，采用數(shù)值模擬的手段對(duì)電磁攪拌過程進(jìn)行仿真模擬，同時(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行參數(shù)化探討研究，以期獲得組織性能優(yōu)良的鑄態(tài)SIC/C19400復(fù)合材料。

1 實(shí)驗(yàn)原理

電磁攪拌原理為：當(dāng)磁場(chǎng)發(fā)生器（環(huán)形線圈）通入三相交流電后，在線圈內(nèi)部產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，電流隨時(shí)間發(fā)生大小和方向的變化，磁場(chǎng)的磁極間產(chǎn)生電磁力，電流從驅(qū)動(dòng)到穩(wěn)定后，磁場(chǎng)具有了恒定的角速度在環(huán)形空間內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，此時(shí)內(nèi)部有熔融的金屬時(shí)，磁力線旋轉(zhuǎn)的同時(shí)切割熔融金屬，在熔融金屬內(nèi)部產(chǎn)生同頻率的感應(yīng)電流，在磁場(chǎng)作用下，載有電流的熔體能夠產(chǎn)生較大的電磁力，開始做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)電磁攪拌效應(yīng)。其實(shí)質(zhì)就是電磁力迫使金屬產(chǎn)生穩(wěn)定位移的過程。在實(shí)現(xiàn)電磁攪拌的基礎(chǔ)上，熔體的溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)得以更加均勻化，其形核功及臨界晶核半徑下降，從而促進(jìn)晶粒細(xì)化，提高了鑄態(tài)組織結(jié)構(gòu)[6]。

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

實(shí)驗(yàn)以凝固末端電磁攪拌為研究對(duì)象，為了更加清晰地了解電磁攪拌過程，通過ANSYS軟件對(duì)凝固末端進(jìn)行電磁感應(yīng)數(shù)值模擬。末端電磁攪拌裝置如圖1所示，主要包括線圈、鐵心、熔體鑄坯，熔體鑄坯的容器為石墨坩堝，因其對(duì)磁場(chǎng)影響較小，未在模型中呈現(xiàn)。圖1中心區(qū)域?yàn)槿垠w鑄坯。攪拌器內(nèi)徑為100 mm,熔體鑄坯直徑為60 mm,高度為60 mm；并設(shè)置參數(shù)，模擬條件為330 V工頻交流電，電流為30 A，攪拌時(shí)間為15 s。實(shí)驗(yàn)?zāi)M了熔體在不 同 電 流 頻 率（10、20、30 Hz）下，攪拌過程中內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度及洛倫茲力的分布情況[7]。

圖1 電磁攪拌器模型

為了簡(jiǎn)化計(jì)算模擬，對(duì)模型的模擬條件做了以下假設(shè)：1）視熔融金屬為不可壓縮的牛頓流體；2）磁雷諾數(shù)Rem遠(yuǎn)小于1，流體的動(dòng)態(tài)變化不影響磁場(chǎng)分布；3）不考慮位移電流，?D/?t。

2.2 模擬結(jié)果

圖2為10 Hz和20 Hz時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況，可以根據(jù)磁力線分布來(lái)觀察強(qiáng)度的大小。由于線圈通入的是交變電流，每個(gè)位置的電流方向和強(qiáng)弱都會(huì)隨著時(shí)間不斷地進(jìn)行周期性的變化，從模擬的動(dòng)態(tài)圖中可以看到每個(gè)點(diǎn)位的感應(yīng)強(qiáng)度變化，從線圈圍繞的內(nèi)部空間來(lái)看就體現(xiàn)為磁力線繞軸心的定角速度旋轉(zhuǎn)。從磁力線密集程度來(lái)看，低頻率比高頻率的磁力線密度要高，如圖2所示，在10 Hz時(shí)，整個(gè)磁場(chǎng)內(nèi)部的磁力線密度會(huì)比20 Hz 密一些，在熔體區(qū)域磁力線的密度也要比20 Hz時(shí)密，也就是說(shuō)10 Hz作用下，磁感應(yīng)強(qiáng)度大于20 Hz時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

圖2 磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖

為了更加準(zhǔn)確地了解磁場(chǎng)強(qiáng)度在熔體截面的分布情況，我們對(duì)熔體鑄坯橫截面直徑方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示。從圖2中可以看出，沿著直徑方向，中心處的磁場(chǎng)強(qiáng)度為0，越往邊緣磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，在最外緣處（距離中心30 mm處）磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到最大值71.7 mT。在電流（30 A）不變的前提下，強(qiáng)度隨電流頻率的增加而下降，就模擬的頻率值來(lái)看，10 Hz能獲得最大的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

圖3 不同頻率下磁場(chǎng)強(qiáng)度隨直徑分布圖

圖4為電流頻率為10 Hz及20 Hz時(shí)熔體內(nèi)部洛倫茲力矢量分布圖。洛倫茲力的產(chǎn)生必須以具有電流的導(dǎo)體為前提。從圖中也可以看出，具備磁場(chǎng)強(qiáng)度及感應(yīng)電流的位置為能產(chǎn)生感應(yīng)電流的熔體區(qū)域，所以洛倫茲力僅在熔體區(qū)域出現(xiàn)。很顯著地呈現(xiàn)出洛倫茲力從外圍向中心逐漸減小的趨勢(shì)，從模擬過程中的動(dòng)態(tài)模型看，洛倫茲力的分布呈現(xiàn)與磁場(chǎng)強(qiáng)度角速度一致的旋轉(zhuǎn)效果。從圖中可以看出，10 Hz時(shí)，洛倫茲力強(qiáng)度密度要比20 Hz時(shí)大，從而可以推斷，熔體受到的電磁攪拌強(qiáng)度也將會(huì)比20 Hz時(shí)大。而且從圖中也可以觀察到，洛倫茲力的方向并不僅僅是切向（可實(shí)現(xiàn)繞軸心旋轉(zhuǎn)），根據(jù)右手定則，可以先做一個(gè)假設(shè)把熔體鑄坯看作導(dǎo)體，則其感應(yīng)電流為平行于軸線，并不會(huì)因?yàn)榇帕€的旋轉(zhuǎn)而變化，這個(gè)平行軸線的電流在旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)下產(chǎn)生的洛倫茲力會(huì)不停變化，根據(jù)電磁場(chǎng)理論[4]，安培定律和洛倫茲力可以表示為：

圖4 洛倫茲力分布圖

式中：B為磁感應(yīng)強(qiáng)度; μ為金屬液的磁導(dǎo)率; Je為感應(yīng)電流; F為電磁體積力。

將式（1）代入式（2）可得

式中：f1為回旋驅(qū)動(dòng)力，在電磁攪拌的過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)攪拌熔體的作用；f2為垂直于金屬表面的法向力，垂直指向軸心。

從圖4中可以看到有不同方向的洛倫茲力，一部分用于產(chǎn)生熔體的切向運(yùn)動(dòng)和徑向運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)多方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)紊流；有一部分因?yàn)榇笮『头较蚨嗷サ窒?，但是也有利于?shí)現(xiàn)熔體的溫度場(chǎng)及溶質(zhì)的均勻化，同時(shí)有利于減小凝固熔體鑄坯對(duì)容器壁的壓力，從而減小了熔體鑄坯與模具之間的摩擦力，有利于提高鑄錠表面質(zhì)量[8-9]。

3 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)采用C19400銅合金圓棒料及SiC顆粒（粒度2000目）為原料。采用工頻感應(yīng)爐，將C19400及SiC放入石墨坩堝中進(jìn)行熔煉，金屬融化后保溫5 min，為減少電磁屏蔽效應(yīng)，采用內(nèi)徑為φ60 mm的石墨坩堝進(jìn)行澆鑄，隨后將澆鑄后的石墨坩堝及熔體轉(zhuǎn)移至自主設(shè)計(jì)改裝的電磁攪拌器（如圖1）內(nèi)進(jìn)行電磁攪拌，攪拌器加載電壓330 V三相交變電流，采用變頻器對(duì)電流頻率進(jìn)行參數(shù)控制，使熔體分別在10、20、30 Hz進(jìn)行電磁攪拌，時(shí)長(zhǎng)為15 s。電磁攪拌過程中，能夠觀察到熔體產(chǎn)生明顯的振動(dòng)。

對(duì)鑄態(tài)復(fù)合材料進(jìn)行金相組織觀察、SEM能譜掃描檢測(cè)成分，并對(duì)硬度進(jìn)行測(cè)試。

4 結(jié)果與分析

4.1 電磁攪拌對(duì)金相組織的影響

圖5為復(fù)合材料在頻率為10 Hz電流下攪拌后鑄態(tài)組織掃描電鏡結(jié)果圖。對(duì)A區(qū)域進(jìn)行能譜掃描，結(jié)果如圖5（b）所示，在該區(qū)域主要存在C和Cu元素。說(shuō)明在熔煉過程中能夠順利添加SiC，但是從其成分來(lái)看，鑄態(tài)元素的均勻性不高，存在一定的偏析。

圖5 鑄態(tài)復(fù)合材料SEM圖及掃描結(jié)果

圖6為鑄態(tài)復(fù)合材料的組織金相圖，從圖6中可以觀察到，當(dāng)電流頻率較低時(shí)，材料的鑄態(tài)組織較細(xì)，而當(dāng)電流頻率較高時(shí)，鑄態(tài)組織略有增粗。為更加清晰地了解電磁攪拌頻率對(duì)復(fù)合材料鑄態(tài)組織的影響，對(duì)其晶粒尺寸采用Image pro plus進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到圖7所示晶粒尺寸變化曲線。圖7是不同頻率下同部位的復(fù)合材料晶粒尺寸圖，從圖中可以看出，在攪拌頻率為10 Hz時(shí)，晶粒平均直徑為42.9 μm，隨著頻率的增加，晶粒直徑也隨之增加，當(dāng)攪拌頻率為30 Hz時(shí)，晶粒直徑達(dá)到66.4 μm。

圖6 復(fù)合材料鑄態(tài)組織

圖7 晶粒尺寸隨頻率變化曲線圖

電磁攪拌細(xì)化晶粒的原因在于洛倫茲力使熔體內(nèi)產(chǎn)生劇烈的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，能夠極大地提高熔體鑄坯溫度場(chǎng)的均勻性，剛剛形成的新晶核被不斷沖入熔體內(nèi)部，形核區(qū)從熔體表面擴(kuò)展到熔體內(nèi)，形核區(qū)間變大，晶核在熔體內(nèi)部同時(shí)產(chǎn)生，晶粒數(shù)目快速增多且分布更加均勻，晶粒得到細(xì)化。此外，晶粒因攪拌運(yùn)動(dòng)發(fā)生碰撞，從而引起晶粒破碎，形核數(shù)量進(jìn)一步增加。熔體因攪拌而產(chǎn)生相互沖刷，晶粒外形不斷圓整化，晶粒形態(tài)得到優(yōu)化。同時(shí)材料中添加了SiC顆粒，SiC顆粒起到的非均勻形核粒子的作用，協(xié)同促進(jìn)晶粒數(shù)量增加，晶粒更為細(xì)小且圓整。在攪拌過程中溶質(zhì)場(chǎng)和溫度場(chǎng)都更為均勻化[10]。

4.2 電磁攪拌對(duì)力學(xué)性能的影響

復(fù)合材料鑄坯的力學(xué)性能對(duì)引線框架最終性能有重要影響。分別選取了不同頻率下的鑄坯進(jìn)行硬度測(cè)試，結(jié)果如圖8所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著電流頻率的變化，材料的硬度呈現(xiàn)隨頻率增加而下降的趨勢(shì)，當(dāng)頻率為10 Hz時(shí)，其硬度為75.1 HB，隨著頻率增加硬度下降,頻率為30 Hz時(shí)，硬度為72.8 HB，與晶粒隨頻率變化基本一致。

圖8 復(fù)合材料硬度隨攪拌頻率變化圖

在10 Hz硬度更高一些的原因在于：1）晶粒更細(xì)；2）熔體的沖刷使晶粒外形不斷圓整化，晶粒形態(tài)進(jìn)一步優(yōu)化，抑制了晶粒各向異性生長(zhǎng)，內(nèi)部性能均勻。此外，SIC粒子在復(fù)合材料的力學(xué)性能上也起到一定的強(qiáng)化作用。

5 結(jié)語(yǔ)

1）通過ANSYS模擬發(fā)現(xiàn)，磁場(chǎng)強(qiáng)度隨電流頻率增加而下降，磁場(chǎng)強(qiáng)度從中心為0往直徑方向增加，當(dāng)電流為30 A、頻率為10 Hz時(shí)，邊緣磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到70 mT。2）根據(jù)模擬觀察到，洛倫茲力的分布同樣是從中心往熔體直徑增大方向增加，并且在最外緣處達(dá)到最大值，且有各個(gè)方向的洛倫茲力來(lái)增加熔體的攪拌效果。3）通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在10 Hz時(shí)晶粒最細(xì)小，為42.9 μm平均粒徑，且鑄態(tài)硬度最高，達(dá)到75.1 HB。除了在低頻下攪拌更為強(qiáng)烈以外，因?yàn)镾iC顆粒的協(xié)同作用，使得材料在10 Hz時(shí)形成組織及性能更佳的狀態(tài)。