电脉冲细化铸件金相组织的试验毕业论文.doc

第 1 页 西安建筑科技大学西安建筑科技大学 本本科科毕毕业业设设计计（论论文文） 题 目 电脉冲细化铸件 金相组织的试验 学生姓名 宁启鹏 学 号 080840217 院（系） 冶金工程 专 业 冶金工程 指导教师 袁守谦 时 间2012 年 6 月 1 日 第 i 页 摘要摘要 金属凝固前进行电脉冲处理技术就是利用电脉冲改变液体结构， 增加液 态金属中大尺寸团簇数量，以加大凝固形核所需大尺寸晶胚的数量。该技术能 显著改善铸坯质量，减少柱状晶，增加等轴晶，减轻成分偏析，减少铸坯内裂 纹、缩孔和疏松。 本实验分别以不同的脉冲电压、脉冲频率、处理时间以及脉冲电容对 35crmo 15mnv、20# 和45钢（在钢锭凝固过程中） ，进行电脉冲处理。实验研 究发现，施加电脉冲处理能使铸钢件中zg35crmo 15mnv、20# 和45钢凝固组织 得到改善，减少 c、s元素偏析，同时减少铸坯内裂纹、缩孔和疏松。 关键词：电脉冲，晶粒细化，c、s 偏析，缩孔 第 ii 页 abstract the electric pulse processing technology before metal solidification is use the electrical pulse to change the liquid structure, increasing the number of clusters in the liquid metal， and increasing the number of the large size required solidification nucleation embryos .this technology can significantly improve slab quality and reduce the equiaxed grains of the columnar crystals, increase crystal axis, reduce the segregation of ingredients to reduce the slab cracks, shrinkage cavity and porosity. in this study，different pulse voltage, pulse frequency, the processing time and the pulse capacitors the 35crmo 15mnv, 20 # and 45 steel (ingot solidification process), the electrical pulse treatment. the experimental study found that applying electric pulse processing to make cast steel 35crmo、 15mnv、 20 # and 45 steel solidification structure to be improved to reduce the c、 s segregation，while reducing the slab cracks、shrinkage cavity and porosity. key words: electrical pulse ， grain refinement , c、s segregation ，shrinkage cavity 第 1 页 目录 1.文献综述 .1 1.1 前言1 1.2 电脉冲细化金属凝固组织概述1 1.2.1 电脉冲细化金属凝固组织的定义1 1.2.2 电脉冲细化金属凝固组织的早期国外的探索1 1.2.3 电脉冲细化金属凝固组织近年来国内的研究2 1.3 电脉冲技术主要应用范围4 1.3.1 电脉冲细化金属凝固组织5 1.3.2 电脉冲处理加速金属回复与再结晶5 1.3.3 电脉冲制备纳米材料6 1.3.4 电脉冲提高材料的疲劳寿命6 1.3.5 电脉冲用于材料的自修复7 1.3.6 电脉冲用于非晶合金的防脆处理7 1.4 电脉冲细化金属凝固组织机理探讨8 1.4.1 脉冲电流对形核率的影响8 1.4.2 脉冲电流对电磁作用力的影响9 1.4.3 电脉冲能量对团簇理论的影响9 1.4.4 电脉冲对过冷度的影响9 1.4.5 脉冲电流对 jouler 热效应和 peltier 热效应的影响10 1.5 影响细化效果的因素.10 1.5.1 波形及电路.10 1.5.2 电流参数.10 1.5.3 处理时机.11 1.5.4 电极插入方式.11 第 2 页 1.5.5 材料物性.12 1.5.6 外界条件影响.12 2.实验13 2.1 实验方案.13 2.1.1 实验目的.13 2.1.2 实验方法.13 2.1.3 实验设计.13 2.1.4 实验结果检测.14 2.2 实验设备.14 2.3 陕西压延设备厂电炉相关参数.18 2.4 实验原料.20 2.5 实验内容.21 2.6 实验结果.23 2.6.1 试样的低倍组织.23 2.6.2 试样的取样.28 2.6.3 试样成分检测.30 2.7 实验结果分析.34 2.7.1 电脉冲对 35crmo 钢凝固组织和成分偏析的影响34 2.7.2 电脉冲对 45 钢凝固组织和成分偏析的影响35 2.7.3 电脉冲对 15mnv 凝固组织和成分偏析的影响.35 2.7.4 电脉冲对 20#钢凝固组织和成分偏析的影响 .36 3.实验结论 37 参考文献 38 致谢 42 第 1 页 1.1.文献综述文献综述 1.1 前言 对金属组织细化新技术的研究和探讨是金属材料研究中十分重要的研究领 域之一。金属组织细化的主要方法有两类: 一是化学细化法, 如向液态金属中 添加变质剂来促进形核或抑制长大; 二是物理细化法, 如采用振动、搅拌、摆 动等方法细化凝固组织。而在液态金属凝固期间通一强脉冲电流细化凝固组织, 是该领域的最新技术之一。近20年来, 电脉冲作为一种新型的改善金属材料组 织性能的方法, 其应用领域非常广泛。目前, 各国学者分别在合金凝固的液相、 凝固过程中 、固相区、金属的退火加工过程中、纳米晶化、材料仿生及对钢 材损伤的恢复作用等1-13。虽然它用于材料加工已有很长的时间,但是其作用 机理仍不是很清楚。因为金属材料的性能与它的微观结构息息相关。因此,了 解和掌握电脉冲作用下材料微观结构的演变是非常重要的。本文将对铸件凝固 前施加电脉冲处理进行实验研究，考察对其对其宏观凝固组织、微观凝固组织 的影响。 1.2 电脉冲细化金属凝固组织概述 1.2.1 电脉冲细化金属凝固组织的定义 电脉冲是由电容或者是间歇 电源产生的非稳态电流场，我们通常用的 交流电就可以看成是一种脉冲电流，而其中的一个周期过程就可以看成一个 电脉冲。现代的电脉冲技术越来越向高频，高能量峰的趋势发展。其在材 料检测、生物、医学、核能、军事等领域都有广泛的应用。 电脉冲细化金属凝固组织是指在金属熔体凝固过程中施加电脉冲，使金属 凝固组织中的柱状晶比例下降，等轴晶区扩大，晶粒得到很大程度上的细化， 并改善成分偏析，减少裂纹、缩孔和疏松，使其综合机械性能都相应的得到改 善。 1.2.2 电脉冲细化金属凝固组织的早期国外的探索 电脉冲细化凝固组织技术是misra于1985年在低熔点过共晶pb-sbl5- sn73元合金凝固组织的研究中发现的14。1990年nakada借助电容器放电研 究了高密度电脉冲对90sn10pb过共晶合金铸造组织的影响。试验发现，合金中 柱状的铸态组织大部分转变为球状，而且球状组态所占比例随电容器充电电压 的增加而增大如图1所示。 第 2 页 （a）未处理 （b）处理后 图1 脉冲电流对sn-pb合金凝固组织影响 li在60sn40pb合金凝固过程中分别施加两种形式的电脉冲，一是电容电压2.6 kv，时间间隔60s15。另一是充电电压30 kv，充放电间隔2.7ms。实验结果表 明在高电压放电作用下，枝晶状富pb初生相破碎成球状；使用低电压放电时, 枝晶组织没有变化，但共晶团沿两电极方向被拉长,并且共晶片间距减小 conrad等研究了电脉冲对pb-sn共晶凝固组织的影响，发现电脉冲对合金凝固 行为产生两种效应：一是电流密度的增加，过冷度增大。二是电流增加一个数 量级，共晶晶团尺寸将会减小一个数量级。晶粒的细化主要是由于电脉冲对形 核有着积极的作用。 1.2.3 电脉冲细化金属凝固组织近年来国内的研究 鄢红春等人对在电脉冲作用下sn-%10pb合金凝固组织进行研究，发现粗大 的富sn树枝状初晶细化成近球状结构，并提出了一个脉冲电流对凝固组织影响 的唯象机制。他们借助经典的均匀形核理论和电动力学理论导出了脉冲压力与 脉冲电流之间及形核率与脉冲压力之间的关系，其结果示于图2（式中的物理 参数见文献）。 第 3 页 图2 形核率与脉冲压力的关系 可见，形核率存在一个极大值。这是由于脉冲压力很大时，原子的扩散受到抑 制，不利于成核所致。訾炳涛等则对熔点较高（大于650）的ly12铝合金在 脉冲电流作用下的凝固组织进行了研究，结果也发现电脉冲能较好的细化晶粒。 电脉冲除直接用于合金凝固过程以细化凝固组织外，还可以通过对熔点以上的 金属进行孕育处理，从而改善凝固组织。王建中等人用电脉冲分别对al- 5.0%cu合金、t8钢和高碳钢进行孕育处理，试验发现经电脉冲孕育处理后的合 金熔体，在随后凝固时，铸锭中柱状晶区缩小，等轴晶区扩大，晶粒得到了细 化16。对于这种奇特的孕育效果唐勇等认为，施加一定强度的电脉冲实际是 引入了电场，这种电场会对因静电相吸的原子团簇的聚散产生影响17。电脉 冲能使金属液中具有一定尺寸的原子团簇数目大大增加，只要金属液稍微降温， 就会以这些原子团簇为中心形核，并伴随进一步降温而长大（从热力学角度看 是降低了凝固所需的过冷度），形核率的增加必然会使晶粒细化。宋军涛等研 究了电脉冲对hrb335螺纹钢凝固组织的影响，得出经电脉冲处理的hrb335金属 宏观组织发生了显著改善组织致密细化，等轴晶比例增加。柱状晶尺寸缩短 并明显细化；其微观组织中。粗大树枝状铁素体组织逐渐消失，珠光体明显增 加，珠光体片层间距变小，铁素体和珠光体组织分布更加均匀。张西峰等对45 钢研究发现，凝同前和凝固过程这两种不同电脉冲处理方式均能使45号钢凝固 组织得到改善，等轴晶增加，树枝晶减少18。且显微组织也发生了显著改变， 魏氏组织减少，珠光体增加，珠光体片层间距变薄；同时，这两种不同的处理 方式对45钢的c、s、p元素成分偏析均有一定程度的改善。陈庆福等人用电脉 冲对cualni形状记忆合金进行孕育处理，发现电脉冲除了能细化晶粒，改善铸 锭的宏观组织外，还可以使其铸态的形状记忆效应得到明显提高。肖蕴华在研 第 4 页 究脉冲电流处理对za12 合金凝固组织和力学性能的影响时发现在za12 合金的 凝固过程中进行的脉冲电流处理, 明显细化了合金的凝固组织, 使初生相由发 达、粗大的枝状晶转变为较小的枝晶和近球状组织。曹丽云等人研究了电脉冲 孕育处理对zl101 合金凝固组织和力学性能的影响, 研究发现在液相线以上温 度对zl101 合金进行电脉冲孕育处理可以得到类似钠、锶变质的凝固组织。上 海大学翟启杰教授课题组通过大量的实验，研究脉冲电流（电压12.5- 3000.0v、频率100-1000hz）对纯铝凝固组织的影响，通过实验验证了脉冲电 流作用产生的脉冲磁力导致型壁晶核的不断脱落与增值是凝固组织细化的根源。 从图3可以明显看出，经过电脉冲处理后，纯铝的组织由粗大的柱状晶（图 3a）转变为细小的等轴晶（图3b）。 a：未处理 b：处理后 图3 脉冲电流对纯铝凝固组织影响 何树先等人研究了高密度脉冲电流( hdpec)对工业常用铝合金a356 的凝固组 织的影响。在亚共晶a356 铝合金凝固过程中施加电脉冲能够达到细化或改善 凝固组织的目的。但在凝固过程中不同时刻施加电脉冲对凝固组织影响作用不 同, 电脉冲施加时间越早, 组织细化效果越明显； 反之， 则越差。 1.3 电脉冲技术主要应用范围 随着科学技术的提高，人们对材料的性能有了越来越多、越来越高的要求。 而开发新的材料、提高材料的性能就需要新的工艺方法。近年来，国内外许多 学者把电脉冲作为一种新的技术手段引入材料制备与材料研究中，如采用电脉 第 5 页 冲细化金属凝固组织、加速金属回复与再结晶、制备纳米材料、实现非晶合金 的防脆处理以及金属缺陷的自修复、改善材料的疲劳性能等。 1.3.1 电脉冲细化金属凝固组织 金属凝固过程是金属由液态转变为固态的过程，该过程经历两个阶段： 结晶形核；晶体长大。结晶形核是在过饱和金属液中生成一定数量的晶核， 而在晶核的基础上生长为晶体，则为晶体生长。影响液态金属结晶过程的因素 很多， 如金属液的过饱和度、杂质的存在、过热度、搅拌速度以及各种物理 场的作用等。金属凝固前进行电脉冲处理技术就是通过电脉冲改变液体结构， 增加液态金属中大尺寸团簇数量， 以加大凝固形核所需大尺寸晶胚的数量。 该技术能显著改善铸坯质量，减少柱状晶，增加等轴晶，减轻成分偏析，减少 铸坯内裂纹、缩孔和疏松，且该技术具有易于控制、设备简单、操作方便、投 资少、效果显著、无污染等特点，得到国内外研究者的关注。 1.3.2 电脉冲处理加速金属回复与再结晶 美国的conrad等人自1983年起就对脉冲电流作用下金属的再结晶进行了一 系列的研究对不同冷变形的工业纯铜进行退火，并在退火时加电流密度为 8104/cm2.脉冲宽度为90us的强脉冲电流，研究电脉冲的加入对铜的再结晶温 度及晶粒尺寸的影响规律#其试验结果如表1所示19-24。 表1 电脉冲对冷变形铜的再结晶温度和晶粒度的影响 热处理变形量/%再结晶温度/k退火温度/k晶粒尺寸/m 退火 24 53 76 548 516 493 548 523 493 16 8 6 退火 + 电脉冲 24 53 76 523 497 480 548 523 493 11 7 5 可看出，退火过程中加入电脉冲，不但可以降低再结晶的起始温度、加速其回 复与再结晶，而且明显细化再结晶晶粒。conrad认为脉冲电流可推动位错的滑 移和攀升，促进亚晶的聚合而加速再结晶的形核过程，细化再结晶晶粒。近年 来国内也开始了该领域的研究。刘志义等2091铝锂合金为试验材料，深入研究 了电脉,冲对位错组态和再结晶动力学的影响25。试验结果表明，脉冲电流加 快晶内位错的消失，加速位错进入亚晶界的攀移过程，使晶界角度长大速度加 快而缩短再结晶形核所需要的时间，即提高再结晶形核率；同时由于晶内位错 第 6 页 的快速消失又降低晶粒界面两边的能量差而降低再结晶晶粒的长大速度。 1.3.3 电脉冲制备纳米材料 20世纪60年代初德国科学家h.gleiter成功地采用惰性气体凝聚原位加压 法制得纯物质的块状纳米材料，纳米材料独特的结构特征以及由此而产生的量 子尺寸效应、表面效应、体积效应等,使纳米材料具有与普通晶体和非晶态固 体完全不同的力学、电、磁、光、声和化学等性能，使得对纳米材料的制备、 结构、性能及应用研究成为近年来国内外材料科学研究的热点26。 秦荣山等人从理论上研究了脉冲电流对无序金属介质（溶体或非晶态金属） 的作用，发现脉冲电流可以显著地改变形核率；而冲电流的快速弛豫的特点可 限制晶体生长27。因此认为，适宜的脉冲电流可以满足形成纳米晶的高形核 和低生长速度的要求，有可能发展成制备大块纳米材料的直接晶化法。由熔体 直接冷凝成纳米晶尚未见报道，但对非晶合金进行电脉冲退火制备纳米晶已被 许多研究证实。滕功清等人对电脉冲作用下fe78b13si9非晶合金的晶化进行了一 系列研究，试验结果发现，在所用电脉冲参数（j =1360a/mm2，=40s，f =18hz）下fe78b13si9非晶试样在脉冲处理时间8min，温度420条件下，实现低 温快速纳米晶化，晶化相为-fe（si）和fe2b，平均晶粒尺寸约为30nm28、29。 黄金亮等亦对fe73cu1mo2nb1b13si9非晶合金进行电脉冲晶化处理，发现电脉冲处 理不但可得到较常规等温退火更细小的纳米晶，而且合金韧性也得到改善30。 目前，电脉冲直接晶化法已制备出ni、fe、co、zr基多种合金系列的纳米材料， 尤其在纳米软磁材料的制备上的应用最为广泛。这种方法的优点是成本低，材 料致密，晶粒易控制，有利于研究纳米晶的形成机理,不足是处理的对象是非 晶体合金，只适用于非晶体形成能力较强的合金系。 1.3.4 电脉冲提高材料的疲劳寿命 大量研究表明，在一些有色金属如zn、p b、in、c d、s n等的拉伸过程 中，加上高电流密度的电脉冲，可以大大降低其流变应力“增大其塑性变形能 力，这就是所谓的“电致塑性”效应受此启发，conard等人研究了电脉冲对多 晶铜疲劳性能的影响。他们发现，虽然电脉冲的作用时间只占疲劳试验时间的 10-4，但材料的疲劳寿命却提高了2-3倍，认为这主要是由于脉冲电流提高了材 料中滑移的均匀性，且对材料表面的氧化有一定的拟制作用之故31、32。近年 来，沈阳金属研究所也在这方面开展了系统工作。他们研究了经大电流脉冲处 理后低碳钢的疲劳性能。结果发现，在循环载荷作用一定周次后，施加大电流 脉冲，可明显改善低碳钢的疲劳性能，其疲劳寿命提高了一个数量级33。他 们从仿生学的角度对此现象分析，认为当材料经过一段疲劳试验后，内部将产 生一定数量的微观缺陷而使其微观结构处于紊乱的非稳状态。如果此时输入适 当的能量，可使其恢复到完整的稳定状态。而大电流脉冲作为瞬间输入能量的 一种方式，可调整其微观结构，实现材料疲劳性能的改善34。 第 7 页 1.3.5 电脉冲用于材料的自修复 将电脉冲用于材料损伤的自修复国内外鲜有文献报道。自修复中包括裂纹 止裂与裂纹愈合等35。文献对有淬火裂纹的45号钢试样进行脉冲电流处理， 试验发现裂纹能够在无熔化的情况下出现愈合，且愈合是在极短时间内发生的 36。尽管对脉冲电流作用下淬火裂纹愈合的机制尚不明了，但一般认为，电 脉冲作用时，裂纹周围由于局部电阻率的增大会快速升温，这种快速升温引起 了瞬时热压应力：（t）=emax(t)-l(t)(式中的物理参数见文献 37。在这种热压应力的作用下，裂纹两侧面相互靠近，当其面间距减小到一 定程度时，加之局域高温的作用，裂纹就可能愈合,进一步的研究表明，要实 现裂纹的愈合需要三种填充机制同时起作用，即（1）位错填充，刃型位错向 裂纹处滑移；（2）扩散填充，碳原子在脉冲电流作用下向裂纹处富集；（3） 压合填充，由于温升产生的热压应力远大于冷却产生的拉应力，使冷却时裂纹 不易被拉裂38。 使用脉冲电流对金属材料的损伤进行修复有两大优点：（1）不需要检测 损伤部位、大小、形状等因素；（2）对未损伤部位的影响足够小。所以，脉 冲电流在金属修复方面有着广阔的应用前景。 1.3.6 电脉冲用于非晶合金的防脆处理 由液态急冷技术生产的铁基及铁镍基非晶态合金，必须在晶化温度以下某 一温度进行去应力退火才能达到实用化产品所要求的软磁性能。然而，去应力 退火过程中，这些合金往往出现退火脆化使合金的延性大大降低，工艺性能变 差，使产品的制造与维修十分困难。所以，非晶合金的脆化一直被关注。人们 曾采用改变合金成分，添加微量稀土及中子辐射等方法。但未能消除退火脆化。 20世纪80年代初，taub在对应力驰豫与结构变化模型分析的基础上，最早预测 快速加热退火可以减轻非晶合金的脆化程度39。1983年jagielinski及yavari 等将电脉冲用于非晶合金的退火处理，尽管对于不同的合金取得的防脆效果相 同，但的确证实了taub的预测40、41。根据文献，最彻底消除fe基非晶合金退 火脆化的报道得自于zaluska和hang。前者将fe50ni30si10b10合金置于油浴中进 行脉冲加热，可使其脆化温度提高到晶化温度以上42；后者则开发出一种既 可明显改善fe78b13si9合金软磁性能又能完全消除其退火脆化的新的脉冲加热退 火方法，并据此申报了专利43。 对于电脉冲的防脆机制，黄金亮等人进行了深入探讨。研究认为，铁基非 晶合金的脆化是由于退火时结构弛豫所致。结构弛豫时非晶内部原子排列的中、 长程有序化形成的脆性类fe3b原子排列有序区#是合金脆化的根本原因44。电 脉冲加热可有效地拟制类fe3b原子团的形成，将其推至晶化以后，从而消除退 火脆化45。 第 8 页 1.4 电脉冲细化金属凝固组织机理探讨 对于电脉冲细化金属凝固组织的作用机理，一般认为是在电脉冲过程中， 产生的电磁力使金属熔体压缩、振荡，金属熔体的振荡又促使新形成的枝晶晶 核从型壁游离，进入金属熔体中，而型壁处又会形成新的晶核，如此反复，就 会提高金属熔体的形核率，使金属的凝固组织得以细化。但人们对电脉冲处理 技术在金属凝固组织的作用机理方面仍处于初步研究阶段，尚无清晰、系统的 认识。甚至其对具体材料的作用机制看法也颇为不一。下面介绍几种电脉冲处 理细化金属凝固组织的作用机理。 1.4.1 脉冲电流对形核率的影响 鄢红春等通过对电脉冲作用下sn-10pb合金凝固组织的研究得出了脉 冲电流对凝同组织影响的唯象机制46。借助经典的均匀形核理论和连续介质 电动力学理论导出了脉冲压力与脉冲电流之间及形核率n n与脉冲压力之间的 关系： ln = ln 1 3 （ 4 ） 2 3 2 （1 1） 式中：a a1 1、 、a a2 2、a a3 3、a a4 4为参数常量。由(1)式可见，形核率n n 存在一个极大值。这 是由于脉冲压力很大时，原子的扩散受到了抑制。不利于成核所致。 秦荣山给出了金属凝固形核率i i 和电流密度j j 的关系式47： (2)(2) = ( 0+ 12)(0) 1 式中：aa是与温度无关的常数，dd是载流介质的扩散系数，0 0是未加电脉 冲时金属液形核势垒，k k1 1是与金属材料相关的常数，v v是所形成的晶核体积， ，0 0、 、 n n分别是无序介质(金属液或凝固 = (_0 _ )(_ 2_0) 1 两相区)和所形成的晶核的电导率，后为boltzmannboltzmann常数，t t0 0为未加电脉冲时的 形核温度。可知，电流密度越高，凝固形核率越大。 唐勇根据rc充放电电路中电流和电压的关系，推导出了形核率和脉冲电压 的关系48、49： （3 3） = 1 （ 2 22） 式中：c c1 1、c c2 2、是和脉冲电路、金属物性、金属液中晶核大小以及分布相关 的比例常数，且c c1 1和c c2 2均为正数。可以看出，在其他凝固条件不变的情况下。 金属凝同的形核率与脉冲电流密度和脉冲电压的平方呈指数增长关系，可以通 过增加脉冲电流的电流密度或脉冲电压来提高金属在凝固时的形核率。实现凝 固组织的细化。 第 9 页 1.4.2 脉冲电流对电磁作用力的影响 何树先等进行了高密度脉冲电流对工业常用铝合金a356凝固组织的影响研 究50。发现高密度脉冲电流细化凝固组织的主要原因在于电脉冲在金属熔体 中所产生的电磁力。研究认为在电脉冲过程中产生电磁力使金属熔体压缩、振 荡，金属熔体振荡又促使新形成的枝晶晶核从型壁游离进入金属熔体中，而 型壁处又会形成新的晶核，如此反复，就会提高金属熔体的形核率，使金属的 凝固组织得以细化。单位面积上所产生的最大电磁力为51： （4 4） = 02 822 式中：0 0为真空磁导率(47l0-7hm)，i i为通过熔体试样的最大电流(a)， a a为试样半径(m)。 另外，当电脉冲在熔体中所产生的电磁力不足以粉碎已有的树枝晶组织时， 电脉冲可以起到干扰金属原子的正常迁移规律、减慢枝晶生长速度的作用。从 而达到细化凝固组织的目的，但不能改变已有凝固组织的形貌。 1.4.3 电脉冲能量对团簇理论的影响 王建中等人在对熔点以上的液态金属进行电脉冲处理实验发现凝固前施 加电脉冲同样能得到在凝固过程中施加电脉冲的效果，使凝固组织得到一定的 细化和改善52。并根据经典液态金属结构观点。提出了团簇理论的细化机理。 所谓团簇就是在液态金属中存在着相对稳定的近程原子集团或分子集团(团簇)， 处于一定尺寸范嗣内的团簇在液态金属的结晶过程中可以成为晶体形核的晶胚。 在液态金属体系的胶体模型中，晶胚被假设为球形，其内部为均匀的正电荷， 外层为电荷密度均匀分布的外电层这些小尺度的晶胚要成为稳定存在的晶核,就 必须与其周围的原子结合而长大53。但在液态金属中，晶胚周围的原子要与 晶胚结合必须克服其结合的位垒。脉冲电场作为一种外来的能量。可使晶胚 的外电层发生畸变，降低原子与晶胚结合的位垒。促进周围原子与晶胚的结合， 通过外电场的反复施加和撤消。使晶胚不断地重组和长大。当外电场完全撤消 时。大尺度的晶胚就可以成为结晶的核心从而起到细化凝固组织的作用。 1.4.4 电脉冲对过冷度的影响 訾炳涛等通过对高密度脉冲电流影响2024铝合金凝固组织的研究得出，在 高密度脉冲电流作用下的形核率为54： ( (5 5) ) = c o n s t( 2 ) 1 6 0f （） 3 2 2 第 10 页 式中：d dl l 为液体扩散系数， 为跃迁距离，ls ls 为液固界面能。 为 f （） 不同种类晶核的形状因子，hh 为凝固焓变，tt 为过冷度。 t=tt=t0 0+t+tp p，tt0 0 为不存在脉冲电场时正常冷却的过冷度，ttp p 为由高密 度脉冲电流作用下产生的磁场压力使熔体被反复地压缩而带来的附加过冷度。 从形核率的公式可以看出，tt 增加了ttp p，形核率n n 由于高密度脉冲电流产 生的附加过冷度作用而增大。 barnak等测定了合金凝同过程中的过冷度，结果表明，电脉冲处理可使 合金的过冷度增大913。由此认为电脉冲处理有利于形核速率的提高，从 而实现铸态组织的细化55。 1.4.5 脉冲电流对 jouler 热效应和 peltier 热效应的影响 电流通过金属熔体时，会导致电流通过区域熔体的温度发生变化(tt )。 因为液体金属的电导率比同材质的同体金属小很多，所以脉冲电流优先选择通 过同相，使同相内产生的热效应大于相邻的液相，这能促进降低固-液界面处 的温度梯度，甚至导致固-液界面上粗大的枝晶固相重熔为游离晶核，从而细 化凝固组织。而且电流通过金属熔体时会增加液相的对流，使金属熔体中的温 度场和溶质场均匀化，抑制枝状晶的择优生长，促进金属初生相的均匀生长， 使凝固组织细化。 但对于脉冲电流电流是瞬间产生，并瞬间消失。因而 joulerjouler 热效应和 peltierpeltier 热效应在进行脉冲电流细化金属凝固组织中不可能起到主导作用，仅 仅起到一定的影响。 1.5 影响细化效果的因素 1.5.1 波形及电路 目前主要的设备都是采用 rlc 电路产生脉冲电流，但徐广济等认为， 方波脉冲电流频域较宽，且高次谐波的能量衰减较慢，因而是孕育和变质作 用较为显著 56；并且在合金熔体中所诱发的电磁振荡的振幅、频率响应显 著，形成临界晶核所含的原子数减少。 1.5.2 电流参数 决定电流及处理效果的主要参数包括脉冲电流的电压、放电频率、脉宽。 从研究现状可以看出，电流参数变化范围很大，电流的峰值从几十安道几万 安，放电频率最小不到 1hz，而最大达到几千甚至几万赫兹。但普遍认为， 随着峰值和频率的增加，细化效果加强，但当电流或频率增加到一定程度后 第 11 页 细化效果趋于稳定或变差。脉宽范围一般在几十微秒到几十毫秒之间，文献 研究发现，随着脉宽的减小，细化效果越明显 57。 电流参数中那方面起主导作用，至今没有得到统一的结论，文献认为处 理时间影响最大，频率和电流峰值次之 58。文献对脉冲电流对轴承钢 gcr15凝固组织影响的研究发现，低电压、高频率脉冲电流可显著提高等轴 晶比例，减小一次枝晶的长度，而高电压低频率脉冲电流只能略微提高等轴 晶比例，并且提高频率比峰值电流更利于中心疏松的改善 59。 1.5.3 处理时机 大量的实验表明，高温液态下进行电脉冲处理（孕育）或凝固过程中施 加脉冲电流对材料都可以细化凝固组织，但上海大学对纯铝进行电脉冲孕育， 没有出现明显的细化效果，而在凝固过程中处理却得到了90%以上的等轴 晶组织，认为高温下使核心重熔从而没有孕育作用；张西峰等对45 钢研 究发现，无论是高温液态或凝固过程中处理，都可以起到明显的细化作用， 且经过孕育处理的组织细化效果更好。廖喜亮等在不同的凝固阶段中施加脉 冲电流，发现主要在凝固形核阶段起作用，进一步证实了之前凝固早起比末 期细化效果显著地结论 60。 1.5.4 电极插入方式 图 4 示出了几种不同的电极插入方式。文献在相同参数下用不同通电模 型对纯铝进行处理，发现在方式 1 下等轴晶比例提高最高达到了 82%，且 此模式易于安装，方便用于生产和实验过程中；而电极插入深度对细化效果 没太大影响 61。 a：方式 1 b：方式 2 c：方式 3 d：方式 4 图 4 不同电极插入模式 第 12 页 1.5.5 材料物性 大量实验证明脉冲电流对各种材料都有细化作用，但是细化效果与材料 物性之间的关系还未进行较为系统的分析，文献用相同的参数处理纯铝与纯 铜，发现纯铝细化效果要比纯铜明显很多 62；相同的电流可使纯铝等轴晶 明显的上升，却只能使奥氏体不锈钢树枝晶间距减小而不出现等轴晶。 1.5.6 外界条件影响 不论是在高温液态下进行孕育及凝固过程中处理，都得到熔体过热度降 低，则细化效果增强的规律；在页面添加保温剂、降低模型冷却能力或提高 预热温度，减缓了初始凝固壳的形成，进而使细化效果明显；模型断面尺寸 的增加，相应电流密度降低，因此细化效果减弱。 第 13 页 2 2. .实实验验 2.1 实验方案 2.1.1 实验目的 本次实验在中冶陕压重工设备有限公司完成，主要目的是通过在钢锭凝固 过程中，输入脉冲电流以达到改善钢锭凝固组织，减少钢锭中元素偏析的效果； 考察和研究合理的脉冲电流参数，在现有脉冲设备的条件下，能处理钢锭的最 大体积；为电脉冲在铸造方面的应用，奠定基础。 2.1.2 实验方法 用每炉注余钢水浇注成两支同规格的钢锭，在其凝固过程中，其中一支进 行电脉冲处理，另一支不作任何处理。待钢锭冷却之后，分别用火焰切割机在 钢锭的同一高度沿横断面切开，侵蚀抛光后观察对比金相低倍组织，最后打点 取样化验成分。此项实验中的脉冲波形具有相同的频率和周期，电流密度为选 择性变量，组电容器充电后只放出单脉冲，试样通过具有相同周期不同峰值的 电压单脉冲处理。 2.1.3 实验设计 用西安建筑科技大学现有的脉冲发射器，考察脉冲电流的不同参数，如 电压 v1 、v2 、v3，频率 f1 、f2 、f3，电容 c1 、c2 、c3 ，处理时间 t1、t2、t3等，对细化铸件金相组织的影响。本次实验采用正交实验法，也称 多因素优选实验法。该法的要点是用正交表做工具，实验前合理的选择正交表、 科学地、有计划、有目的地安排实验方案，实验后经过简单的表格运算，正确 地分析实验结果，从而经较少的实验次数，找出各因素对指标的影响和最佳的 实验条件。现已上面的不同参数为例，其正交实验设计，如下表 2： 第 14 页 表 2 正交实验设计 影响因子 试样号电压频率电容处理时间 1111 1222 1333 2123 2231 2312 3132 3213 3321 2.1.4 实验结果检测 在钢锭的相同部位进行打点取样（每个钢锭至少打七个点） ，化验c、s含 量，并对比处理和未处理的试样; 然后将所有试样抛光,观察并对比同一对照组 试样的金相低倍组织，酌情做金相高倍检查。 2.2 实验设备 本次试验主要的设备如图所示为 md2 型脉冲电源控制柜，较 md1 型增加了 200f 的电容。 第 15 页 图图 5 5 md2md2 型脉冲电源控制柜型脉冲电源控制柜 图 6 面板布置图 其面板布置如图 6 所示。在试验中其操作过程为，把电压转换开关 zh1 放 在适当位置（500v/1000v/1500v） ，接好负载。合总电源开关 k1，此时“电源 指示” ， “停止指示”灯亮，一次电压表指示为 380v。如果出现“相序错误指示” 灯亮，则把进线电源线任意两个头调换。把“运行/封锁”开关置“0” ，此时 “封锁”指示灯亮。再按“启动”按钮，二次电压表显示电容电压， （如果不 先“封锁” ，而先按“启动”按钮会使设备损坏）调整“频率设定”到所需频 率，此时“充电” 、 “释放”指示灯分别闪亮，表示系统工作正常。 拨盘数与频率对应关系见表 3： 表 3 拨盘数与频率对应关系表 拨盘数0987654321 频率/hz00.0150.030.060.1250.250.5124 第 16 页 把“运行/封锁”开关置“1” ，此时工作开始工作过程中，如果出现“封 锁”指示灯亮，则系统不再向钢水供电，但是“充电” 、 “释放”指示灯仍然闪 烁。说明电流过大。按下“复位”按钮，即可继续工作，如果再次“封锁” ， 说明系统出现故障。应当停止运行，进行维修。工作过程结束，则应当首先按 “停止”按钮，然后按“放电”按钮，把电容器存储的能量放掉。最后断开电 源开关。 md2 型脉冲电源发生器主电路电气原理图如图 7 所示。 图 7 md2 型脉冲电源发生器主电路电器原理图 主电路电器原理图简化图如图 8 所示。 第 17 页 图 8 主电路原理简化图 主电路原理图所示各元件名称和作用如表 4 所述。 表 4 各元件名称和作用说明 符号名称作用 k1总电源开关 k2合闸接触器1和k3配合，合闸时冲击电流最小 k3合闸接触器2 xj相序继电器相序错误时，保证k2，k3 不能合闸 bt升压变压器3档电压：500v，1000v，1500v r1-3 限流电阻限制合闸时变压器的冲击电流 zh转换开关分为3档 rd11-13 熔断器保护kp yh电压互感器二次电压显示 v电压表 lh电流互感器电流显示、过流保护 r7-9 电阻防止lh开路保护 a电流表显示变压器二次电流 kp整流模块整流 rl1-8 充电限流电阻电容器充电时限流 m1-8 隔离开关投入/切除工作电容 c1-8 工作电容器 d1-8 续流二极管防止电容反向充电 k4 放电接触器为了安全，释放工作电容器能量 rl9 放电电阻 kpp放电晶闸管释放工作电容器能量 第 18 页 dp二极管 其中接触器为 md2 型脉冲电源发生器的重要组成部件，其控制原理图如图 9 所示。 图 9 接触器控制原理图 其工作原理为，通过变压器升压（由转换开关 zh 控制电压） ，经过 kp 可控硅 整流，向电容器充电。投入工作电容器的多少由隔离开关 m1-8 决定，经由控 制板控制 kpp 向钢水放电。 2.3 陕西压延设备厂电炉相关参数 表 5 电炉工艺技术参数 技术参数名称技术规格技术参数名称技术规格 电炉工程容量50t炉壳直径5200mm 最大出钢量65t电极直径450mm(uhp) 变压器容量32000ka电极升降行程3700mm 一次电压35kv极心圆直径115010mm 一次额定电流527.86a倾炉角度45/15 二次电压680608356v冷却水耗量650m/h 二次额定电流30.39ka冶炼周期120-180min 第 19 页 二次最大电流36.46ka 表 6 电炉主要技术参数 a.炉体主要技术参数 炉壳内径5200mm钢液重量60t 炉壳高度4050mm炉内容积44m 炉底耐材厚度950mm水冷壁面积 24 熔池直径4200mm炉门尺寸1100800mm 熔池深度1000mm出钢形式槽式出钢 熔池容积11m上炉壳重18t 钢液容积8.7m下炉壳重95t b.炉体倾动技术参数 出钢最大倾角 45 出渣最大倾角 15 倾炉速度 0-1/s 控制方式plc-电液比例阀调节 c.炉盖及其提升旋转装置技术参数 炉盖提升高度450mm旋开速度 1.5/s 炉盖旋开角度 70 旋开时间45s 炉盖升降时间升20s,降 20s 炉盖旋开控制方式plc-电液比例阀调节 d.电极及升降装置技术参数 石墨电极直径 450mm(uhp) 极心圆直径 115010mm 电极升降行程3700mm电极上升速度9/6 m/min 电极下降速度6/4 m/min电极夹紧力260kn 电极臂形式铜钢复合导电横臂控制方式plc-电液比例阀调 节 e.出钢车 承载能力150t电机功率50kw 行走速度10-20 m/min f.出渣车 承载能力40t电机功率22kw 行走速度15 m/min g.碳 4 氧枪 结构型式吹氧管自耗式系统最大用氧量 1600nm/h 氧气压力0.81.2mpa系统平均用氧量 1600nm/h 氧气喷吹速度1.51.6 马赫氧枪最大吹氧能力 2500nm/h 第 20 页 h.电炉变压器技术参数 额定容量32000kva一次电压35kv 3 相 50hz 二次电压680608356 v二次额定电流30.39 kv 进出线方式顶进侧出阻抗压降值 6%-7% i.电阻器技术参数 额定容量7000kvar冷却方式ofwf 各级容量100%80%60%40%20%0% 抽头方式采用无励磁电动开关调节，六级 j.断网技术参数 阻抗值 2.66m 水冷电缆根数6 根 水冷电缆长度10.5 m导电铜管尺寸 13012.5mm 三相阻抗不平衡度 5% 水冷电缆截面积 4400m 2.4 实验原料 至今为止共做出五组实验，各试样的原料介绍如下： 试样 1 炉号为 5-385，钢种为 35crmo，其主要成分见表 7： 表 7 35crmo 主要成分 csim npscrmocuni 0.350.430.670.0160.0210.890.220.150.16 试样 2 炉号为 5-388，钢种为 45 钢，其主要成分见表 8： 表 8 45 钢主要成分 csim npscrmocuni 0.480.370.650.0120.0180.140.100.170.18 试样 3 炉号为 5-440，钢种为 15mnv，其成分见表 9： 表 9 15mnv 主要成分 csim npscrmocuni 0.160.361.340.0210.0220.100.080.180.12 试样 4 炉号为 5-443，钢种为 20#钢，其主要成分见表 10： 表 10 20#钢主要成分 csim npscrmocuni 第 21 页 0.190.500.370.0230.0200.300.120.240.24 试样 5 炉号为 5-444，钢种为 35cr24ni7sinre，其主要成分见表 11： 表 11 35cr24ni7sinre（不锈钢）主要成分 csim npscrmocunin 0.39 1.451.130.0240.01523.050.190.147.060.23 2.5 实验内容 用每炉注余钢水浇注成两支同规格的钢锭，在其凝固过程中，其中一支进 行电脉冲处理，另一支不作任何处理。经过处理的标记（+） ，未处理的标记 （-） 。 处理试样处理试样 1 1 参数如下：参数如下： 试样 1：5t 炉生产 炉号：5-385 钢种： 35crmo（熔点：1508-1540，过热度30） 出钢温度：1620 出钢-浇注时间：16：29-16.48 模型尺寸：637kg 电压：1500v 2 电容：1200f 频率：2 档（2hz） 处理时间：16:49-17:04（15min） 钢锭尺寸：上横断面（2424mm）下横断面 2929mm 高度（77mm（+1） 79mm（-1） ） 处理试样处理试样 2 2 参数如下：参数如下： 试样 2：5t 炉生产 炉号：5-388 钢种：45 钢 出钢温度：1613 出钢-浇注时间：9:40-9:59 模型尺寸：1.1t 电压：1500v 2 电容：1200f 频率：2 档（2hz） 处理时间：10:01-10:07（6min） 钢锭尺寸： 第 22 页 处理试样处理试样 3 3 参数如下：参数如下： 试样 3：3t 炉生产 炉号：5-440 钢种：15mnv 出钢温度：1620 出钢-浇注时间：17：41-17:52 模型尺寸：1.1t 电压：1500v 2 电容：1200f 频率：3 档（1hz） 处理时间：17:52-18:08（15min） 钢锭尺寸：上横断面（3232mm） 下横断面 3535mm 高度（49mm（+3 ） 52mm（-3） ） 处理试样处理试样 4 4 参数如下：参数如下： 试样 4：5t 炉生产（由于实验时电极堵住浇道，无法完成浇注，故+4 试样采用 上注，-4 试样采用下注） 炉号：5-443 钢种：20#钢 出钢温度：1620 出钢-浇注时间：9：54-10:09 模型尺寸：637kg 电压：1500v 2 电容：1200f 频率：2 档（2hz） 处理时间：10:14-10:24（10min） 钢锭尺寸：上横断面（24.524.5mm）下横断面 3030mm（+4） 上横断面（24.524.5mm）下横断面 2828mm（-4） 高度（58mm（+4） 103mm（-4） ） 处理试样处理试样 5 5 参数如下：参数如下： 试样 5：5t 炉生产（由于为能完成切锯，所以未能完成实验） 炉号：5-444 钢种： 35cr24ni7sinre（不锈钢） 出钢温度：1628 第 23 页 出钢-浇注时间：16：54-17:19 模型尺寸：八寸锭 电压：1500 2 电容：1200f 频率：2 档（2hz） 处理时间：17:20-17:24（4min） 钢锭尺寸： 2.6 实验结果 2.6.1 试样的低倍组织 电脉冲处理钢锭后，待其凝固冷却，沿轴向切开得到试样，取其一面在 预磨机上用水砂纸磨光，用体积比 1:1 的 hcl 和 h2o 溶液侵蚀，再用质量分数 3%-5%碳酸钠水溶液中和试样表面的残酸，然后用清水冲刷试样表面上的腐蚀 产物，晾干后直接观察其低倍组织。见