電磁場對3003鋁合金鑄軋板材組織的影響

呂野楠，丁 韌，許光明，尤 濤

(1.遼寧省交通高等?？茖W校 機電系，遼寧 沈陽 110122; 2.東北大學 材料電磁過程研究教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819)

3×××系鋁合金是以Mn為主要合金元素熱處理不可強化鋁合金，其塑性好、焊接性能好、耐腐蝕性能良好，可加工成板材、管材、型材和線材[1]。該系鋁合金具有較大的過冷度，因此在快速冷卻時容易產(chǎn)生晶內(nèi)偏析。Fe元素是主要雜質(zhì)元素之一，加入適量的Fe元素能減少偏析，又能細化晶粒[2]。宏觀偏析是鑄軋板帶常見的缺陷之一，受鑄軋工藝參數(shù)、合金元素添加量、液穴深度等多因素影響，導致中心層出現(xiàn)偏析[3-4]。

材料電磁加工(EPM)已成為金屬材料基礎研究領域的重要研究方向之一，已形成多學科交叉、應用領域廣泛、工藝方法眾多的一門邊緣科學[5-13]。本試驗鑄軋 3003 鋁合金板材，通過常規(guī)鑄軋與施加電磁鑄軋的板材組織對比分析，研究電磁場對3003鋁合金板材微觀組織及偏析的影響。

1 試驗材料與方法

試驗用3003鋁合金的化學成分(質(zhì)量分數(shù))：1.2%Mn、0.7%Fe、0.6%Si、0.05% Cu、0.05%Zn，余量為Al。將熔煉爐加熱到730 ℃并保溫20 min后，加入合金元素，待合金元素完全熔化后攪拌均勻。爐溫降至700 ℃，靜置30 min。通過熔體供料流槽，在水平式雙輥鑄軋機上鑄軋。電磁鑄軋示意圖見圖 1。靜磁場勵磁電流為250 A，脈沖電源為SPMD系列脈沖電源，脈沖電流峰值為300 A，鑄軋板坯厚度為5 mm。試樣采用Leica光學顯微鏡進行顯微組織觀察，采用東北大學檢測中心的JEOL JXA-8530F電子探針儀進行觀察及能譜分析。

圖1 電磁場鑄軋示意圖

2 結果與討論

2.1 電磁鑄軋對板材微觀組織的影響

圖2a為常規(guī)鑄軋3003鋁合金板材組織。可以看出，微觀組織中枝晶臂發(fā)達，存在粗大不規(guī)則薔薇狀枝晶。這是因為常規(guī)鑄軋生產(chǎn)時，凝固界面前沿存在一定的成分過冷區(qū)，因此出現(xiàn)樹枝狀結晶，由于軋輥冷卻能力不均勻，造成不均勻結晶組織，部分枝晶快速生長，枝晶粗大。

圖2b為電磁場條件下鑄軋組織。施加電磁場后，枝晶出現(xiàn)不同程度的細化且枝晶形態(tài)發(fā)生一定的變化，粗大枝晶消失，一次枝晶被打碎，剪切變短，二次枝晶壁變得更加致密，富集于枝晶間的非平衡共晶相顯著減少。

圖2 3003鋁合金鑄軋板材微觀組織

根據(jù)法拉第電磁感應定律[14]:當導體在磁場中作切割磁力線運動時產(chǎn)生感應電流，感應電流與磁場相互作用產(chǎn)生電磁力。鑄軋時，由于結晶前沿熔體有一定的溫度梯度，并有一定的成分過冷，結晶前沿并不是水平推進的，而以樹枝狀結晶。電磁力對熔體產(chǎn)生電磁振蕩作用，凝固前沿的枝晶末端被剪切、打碎；這些碎塊繼續(xù)受到電磁力的振蕩作用，彌散分布到凝固前沿的亞穩(wěn)流體中，成為“異質(zhì)”形核點，提高了形核率，使枝晶得到細化。其次，電磁場可以促進凝固前沿亞穩(wěn)流體的均勻形核，外加脈沖電流和恒穩(wěn)磁場形成的復合場會以一定頻率波動，凝固前沿的亞穩(wěn)流體中會出現(xiàn)一定程度的能量起伏；同時電磁振蕩加速了凝固前沿原子的振動，提供了結構起伏并降低了原子越過固液界面的擴散激活能。因此施加電磁場可以提供均勻形核的條件，促使均勻形核的發(fā)生，細化枝晶。

2.2 電磁鑄軋對板材偏析的影響

圖3a、3b為常規(guī)鑄軋3003鋁合金板材中心與邊部偏析組織?？梢钥闯觯M織中存在大量光亮晶，光亮晶晶界處依附許多小黑點，這些小黑點對應于圖2a中晶界處的顯微偏析。對于3003鋁合金，合金元素Mn在鋁中擴散系數(shù)比較慢[2]，在共晶溫度時Mn在鋁中的溶解度僅為1.82%，室溫下固溶度小于0.3%。在鑄軋快速冷卻條件下非平衡凝固，固體中合金元素擴散不均勻，造成枝晶中心向邊部的合金元素濃度遞增分布，最終Mn元素偏聚于晶界處或枝晶末端，形成偏析，晶粒越粗大偏析越嚴重。

圖3c、3d為電磁鑄軋板材中心和邊部偏析組織。在電磁場作用下，組織中出現(xiàn)少量的枝晶偏析。如前所述，傳統(tǒng)鑄軋由于冷卻強度大，實際的凝固過程往往是存在一定成分過冷的非平衡凝固。在凝固界面前沿，枝晶向前生長時，溶質(zhì)元素被排擠到枝晶末端液相中產(chǎn)生非平衡共晶相，造成嚴重的枝晶偏析。外加電磁場使枝晶細化，抑制了這一過程，電磁振蕩促進熔體對流和溶質(zhì)傳輸。傳統(tǒng)鑄軋凝固界面前沿液相區(qū)自然對流很弱，外加電磁場使其流動不再是單一的自然對流，還有強制對流，加強溶質(zhì)擴散，減少共晶液相的存在，減少枝晶偏析。

圖3 3003鋁合金鑄軋板材微觀組織

2.3 電磁鑄軋板材偏析帶分析

3003鋁合金板材常規(guī)鑄軋組織沒有發(fā)現(xiàn)宏觀偏析缺陷，3003鋁合金結晶范圍窄，當冷卻強度大時鋁液在極短時間內(nèi)凝固，并沒有產(chǎn)生明顯的宏觀偏析。電磁鑄軋板材中心組織也沒有宏觀偏析，但邊部組織中出現(xiàn)了明顯的宏觀偏析帶，見圖3c、3d。

如圖4所示，對電磁鑄軋板邊部偏析位置(譜圖1)和非偏析位置(譜圖2)能譜分析，發(fā)現(xiàn)偏析位置合金元素富集嚴重程度為w(Si)>w(Fe)>w(Mn)，其中w(Si)=5.57%，w(Fe)=3.76%，w(Mn)=2.60%，而非偏析帶區(qū)域w(Mn)=1.12%，非偏析帶區(qū)域未檢測到Fe、Si等元素。

圖4 邊部偏析位置和非偏析位置成分分析

由文獻[15-18]可知，Mn會與合金中的Fe、Si、Al生成鋁硅錳鐵四元合金，640 ℃時，四元合金以固態(tài)形式存在，即在熔體中以懸浮小顆粒存在。當施加電磁場，電流J與磁場B交互作用產(chǎn)生電磁力f，f=J×B，因顆粒與熔體電阻率不同存在壓力梯度，由Leenov-Kolin理論可知:

式中:

dp—顆粒直徑；

σ—熔體的電導率；

σp—顆粒的電導率。

鐵相的電導率遠小于鋁熔體的，可認為鐵相電導率為零(σp=0)，上式簡化為

當粒子尺寸、電流及磁場強度達到一定值時，鐵相粒子聚集在鑄軋板材中形成宏觀偏析帶。

3 結 論

1)在3003鋁合金鑄軋板材鑄軋過程中施加電磁場可以有效地改善其顯微組織，剪碎枝晶、細化晶粒。

2)外加電磁場會抑制自然對流，加強溶質(zhì)擴散，減少了共晶液相的存在，減少偏析。

3)Mn的加入會與合金中的Fe、Si、Al生成鋁硅錳鐵四元合金，因鐵相的電導率非常小，電磁場在鐵相周圍產(chǎn)生的電磁斥力與重力共同作用，鐵相粒子聚集在一定區(qū)域的，在鑄軋板材中形成宏觀偏析帶。