電磁能對Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金鑄錠組織的影響

郭有軍，閆春雷，鮑鑫宇，麻永林

(1.包頭鋁業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010； 2.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

隨著航天、汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，對于材料的要求不斷提高。Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金由于其具備高強(qiáng)度、耐腐蝕，高耐磨、高耐熱及密度低等優(yōu)點(diǎn)，是航空、汽車工業(yè)等領(lǐng)域不可缺少的材料之一[1-3]。晶粒細(xì)化可以有效提高材料的性能，對于Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金，添加變質(zhì)劑可以減小合金微觀組織中初晶硅的尺寸，磷鹽是應(yīng)用最廣泛的變質(zhì)劑，但是添加磷鹽到熔體中，不能控制共晶硅的尺寸[4]。隨著材料專家對鋁合金物理場晶粒細(xì)化技術(shù)的研究，電磁振蕩技術(shù)[5]、高強(qiáng)超聲波[6]及脈沖電磁場[7]等技術(shù)不斷發(fā)展，這些技術(shù)克服了傳統(tǒng)細(xì)化技術(shù)存在的問題。

脈沖電磁場作為一種適用于多種金屬的新型晶粒細(xì)化方法，具備操作方便、可以滿足金屬潔凈度要求、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，是金屬晶粒細(xì)化方法的研究熱點(diǎn)之一[8]。目前，關(guān)于脈沖電磁場的細(xì)化機(jī)制有幾種理論，Gao等[9]認(rèn)為，脈沖電磁場細(xì)化凝固組織是由于脈沖電磁場將晶核從模壁上脫落，成為游離晶核進(jìn)入熔體；Wang等人[10]認(rèn)為樹枝狀晶體臂在脈沖電磁場的作用下斷裂，斷裂的樹枝狀晶體成為熔體中的形核核心。關(guān)于脈沖電磁場細(xì)化機(jī)制的研究很少涉及電磁能對成核過程的影響，而系統(tǒng)中的能量波動是形成晶核的必要條件。

本研究基于脈沖電磁場攜帶能量的特性，對Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金熔體施加脈沖電磁場，并分別對常規(guī)鑄造和施加脈沖電磁場鑄造生產(chǎn)的Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金鑄錠進(jìn)行微觀組織觀察，分析電磁能對合金微觀組織的影響，為電磁能晶粒細(xì)化理論提供試驗(yàn)支持。

1 試驗(yàn)材料及方法

本試驗(yàn)所用設(shè)備由脈沖電磁場晶粒細(xì)化裝置(感應(yīng)線圈與硅鋼鐵芯，專用電源)、半連續(xù)鑄造系統(tǒng)、澆鑄盤、引錠裝置、結(jié)晶器組成，試驗(yàn)裝置如圖1所示。試驗(yàn)材料為Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金。在整個(gè)試驗(yàn)過程中保證鑄造工藝參數(shù)不發(fā)生改變。在開始澆鑄前進(jìn)行合金成分檢測，成分合格后澆鑄。脈沖電磁場晶粒細(xì)化裝置安置于流槽正上方，脈沖電磁場發(fā)生器與鋁合金熔體表面間距小于10 mm。鑄造過程穩(wěn)定后，在不接觸金屬熔體的條件下，對熔體施加脈沖電磁場，隨后熔體流過流槽進(jìn)入澆鑄盤，最終熔體凝固成Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金鑄錠。鑄造工藝參數(shù)如表1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

表1 Al-Si-Cu-Mg-Ni合金鑄造工藝參數(shù)

本試驗(yàn)選取電磁能處理熔體溫度為660 ℃，占空比20%，電流40 A，頻率分別為20 Hz和40 Hz。合金鑄造完成后對鑄錠取樣。對未施加電磁場與施加不同頻率電磁場的鑄錠進(jìn)行徑向切割、取樣，微觀組織觀察試樣取自鑄錠中心部位及邊部。腐蝕劑采用Keller試劑，腐蝕時(shí)間約20 s。采用光學(xué)顯微鏡(OM)觀察合金鑄態(tài)組織。使用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)觀察合金鑄態(tài)微觀組織。利用Image-Pro Plus 6.0軟件測量晶粒尺寸。利用截線法測量初生相α-Al一次、二次枝晶臂間距。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 電磁能對Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金凝固組織的影響

圖2為不同頻率脈沖電磁場處理的Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金凝固組織。

圖2 脈沖電磁場頻率對Al-Si-Cu-Mg-Ni合金凝固組織的影響

圖3為不同頻率脈沖電磁場處理的凝固組織中α-Al平均尺寸、一次枝晶臂、二次枝晶臂間距。如圖3a所示，未施加脈沖電磁場，鑄錠中心位置凝固組織中初生相α-Al平均尺寸為31 μm，邊部組織中初生相α-Al平均尺寸為20 μm。施加20 Hz脈沖電磁場，初生相α-Al平均尺寸減小，心部位置初生相α-Al平均尺寸減小19.35%，邊部α-Al平均尺寸減小15%。當(dāng)施加40 Hz脈沖電磁場時(shí)，發(fā)現(xiàn)比施加20 Hz脈沖電磁場的初生相α-Al平均尺寸大。試驗(yàn)結(jié)果表明，脈沖電磁場參數(shù)的變化，會影響晶粒尺寸。

如圖3b、c所示，未施加脈沖電磁場，心部組織中初生相α-Al一次枝晶臂間距為75.99 μm，二次枝晶臂間距為15.28 μm。施加20 Hz脈沖電磁場，心部組織中初生相α-Al一次枝晶臂間距為60.4 μm，二次枝晶臂間距尺寸為13.67 μm。施加40 Hz脈沖電磁場，心部組織中初生相α-Al一次枝晶臂間距為60.51 μm，二次枝晶臂間距尺寸為15.17 μm。 未施加脈沖電磁場，邊部組織中初生相α-Al二次枝晶臂間距為9.06 μm，一次枝晶臂間距為32.91 μm，施加20 Hz脈沖電磁場，邊部組織中初生相α-Al二次枝晶臂間距尺寸減小到7.8 μm，初生相α-Al一次枝晶臂間距為22.63 μm。當(dāng)施加40 Hz脈沖電磁場，邊部組織中初生相α-Al二次枝晶臂間距為8.24 μm，邊部組織中初生相α-Al一次枝晶臂間距尺寸為26.09 μm。

圖3 脈沖電磁場頻率對α-Al平均尺寸、一次枝晶臂、二次枝晶臂間距的影響

綜上所述，脈沖電磁場作用下，初生相α-Al平均尺寸減小，初生相α-Al的一次枝晶臂間距與二次枝晶臂間距均減小。從初生相α-Al形態(tài)上看，20 Hz脈沖電磁場，初生相α-Al的枝晶臂間距脫落最明顯，導(dǎo)致初生相α-Al平均尺寸降低。從數(shù)據(jù)可知，脈沖電磁場頻率會對Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金凝固組織產(chǎn)生影響。

2.2 電磁能對Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金耐熱相的影響

圖4為利用場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)觀察的Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金組織中耐熱相形態(tài)、尺寸及分布狀態(tài)。圖4顯示，微觀組織主要包括三種耐熱相，其中δ-Al3CuNi為亮色，Q-Al5Cu2Mg8Si6為黑色，ε-Al3Ni為塊狀。耐熱相會影響合金的力學(xué)性能[11-12]。未施加脈沖電磁場的鑄錠中，耐熱相ε-Al3Ni為塊狀且尺寸較大， 呈團(tuán)聚狀態(tài)。當(dāng)施加20 Hz脈沖電磁場時(shí)，耐熱相 ε-Al3Ni發(fā)生形態(tài)、尺寸改變，耐熱相δ-Al3CuNi尺寸減小且分布均勻，同時(shí)耐熱相Q-Al5Cu2Mg8Si6的數(shù)目增多。當(dāng)施加40 Hz脈沖電磁場時(shí)，耐熱相尺寸較未施加電磁場的減小，白色的Q-Al5Cu2Mg8Si6數(shù)目增多。20 Hz脈沖電磁場作用下，耐熱相尺寸最細(xì)小，δ-Al3CuNi數(shù)目最多，同時(shí)Q-Al5Cu2Mg8Si6相數(shù)目增多。

圖4 脈沖電磁場頻率對Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金微觀組織中耐熱相的影響

脈沖電磁場不僅可以細(xì)化初生相、也可以細(xì)化耐熱相，同時(shí)耐熱相的形態(tài)、分布也發(fā)生改變，有利于提高鑄件的力學(xué)性能。

2.3 電磁能作用下的形核過程

液相線以上一定溫度范圍內(nèi)，原子集團(tuán)的尺寸較大，原子集團(tuán)的數(shù)量、大小與分布比較均勻[13-14]。脈沖電磁場攜帶的能量作用下，金屬熔體中的原子集團(tuán)大量聚集，在鋁合金熔體表面形成電磁能處理區(qū)域[15]。合金熔體原子集團(tuán)進(jìn)行相互碰撞與結(jié)合, 原子集團(tuán)分布更加均勻。施加的磁能進(jìn)入體系內(nèi)，產(chǎn)生能量起伏。

施加脈沖電磁場后，磁能進(jìn)入體系內(nèi)，電磁能作用下，總自由能變化為

ΔGtot=VΔGm+Sσ

(1)

式中：

V—晶核體積；

S—表面積；

ΔGm—磁場中固液相吉布斯自由能增量；

σ—固、液界面能[16]。

電磁能作用于合金熔體，磁場中固液相吉布斯自由能增量計(jì)算公式為

(2)

激活能計(jì)算公式表示為[17]

(3)

將式(3)代入式(2)可得

(4)

電磁能計(jì)算公式為

(5)

磁感應(yīng)強(qiáng)度

B=Hμ0μr

20世紀(jì)初以來，中國學(xué)者翻譯的外國人名多有漢化的傾向，如李德、康德、孔德、王爾德、“白瑞德”“高老頭”之類，若不知語境，則幾乎混同中國人名（當(dāng)然像賽珍珠、南懷仁、費(fèi)正清、彭定康等外國人自取的中文名字除外）。對此，魯迅先生批評到：“以擺脫傳統(tǒng)思想的束縛而來介紹世界文學(xué)的文人，卻偏喜歡使外國人姓中國姓……我真萬料不到一本《百家姓》，到現(xiàn)在還有這般偉力。”[8]

(6)

得到

(7)

式中：

H—磁場強(qiáng)度；

B—磁感應(yīng)強(qiáng)度；

μr—相對磁導(dǎo)率；

μ0—真空磁導(dǎo)率；

w—電磁能密度；

ΔχS-L—固液相體積磁化率的變化；

ΔGv—單位體積吉布斯自由能差。

電磁能作用下，激活能降低。

液相線以上一定溫度區(qū)間原子集團(tuán)的演變規(guī)律[18]：

T0≤T≤TC

(8)

式中：

R(T)—T溫度下原子集團(tuán)的平均半徑；

α—幾何形狀因子，0<α≤1；

Z1—金屬熔化前的配位數(shù)；

r—原子集團(tuán)中原子之間的距離；

k—玻爾茲曼常數(shù)；

C0—熔點(diǎn)處被激活原子的相對濃度；

Tm—熔點(diǎn)；

T0—過冷熔體中臨界形核溫度；

TC—熔體從液態(tài)到氣態(tài)轉(zhuǎn)變過程中發(fā)生第一次原子集團(tuán)失穩(wěn)的溫度。

從公式(8)可知，電磁場攜帶的能量可以降低激活能，激活能的變化，會影響原子集團(tuán)的平均半徑，激活能減小，原子集團(tuán)尺寸減小，熔體中原子集團(tuán)數(shù)目增加，使形核過程中形核率提高。同時(shí)電磁能可以降低體系中的形核壁壘，克服臨界形核功，影響形核過程[19]，最終初生相α-Al平均尺寸減小，α-Al一次枝晶臂、二次枝晶臂間距縮短，耐熱相的尺寸減小。

3 結(jié) 論

1)施加脈沖電磁場，Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金凝固組織中初生相α-Al平均尺寸、一次枝晶臂間距、二次枝晶臂間距減小。耐熱相尺寸減小，數(shù)目增多，分布狀態(tài)發(fā)生改變。

2)頻率參數(shù)為20 Hz時(shí)，組織細(xì)化效果最好，鑄錠心部組織中初生相α-Al一次枝晶臂間距、二次枝晶臂間距較未施加脈沖電磁場的分別減小20.5%、10.54%，鑄錠邊部的分別減小31.2%、13.9%。鑄錠心部組織中初生相α-Al平均尺寸減小22.5%，鑄錠邊部的減小15%。