（钢铁冶金专业论文）纯金属在脉冲物理场下的凝固细化.pdf

上海大学硕士学位论文 金属在脉冲物理场下的凝固细化 摘要 本文应用白行研制的中频低压脉冲电源、低频高压脉冲电源及与之配套的强 磁场实验台，以纯铝和纯铜为研究对象，对脉冲物理场下纯金属的凝固组织进行 了实验研究。 以纯铝为重点，考察了中频低压脉冲电流的主要参数( 电流峰值和脉冲频率) 对凝固组织的影响，并且将脉冲电流施加于不同凝固阶段进行了脉冲电流作用机 制的探讨，随后对电流处理得到的样品的力学性能和导电性能进行了测量和分 析。实验结果表明，随着电流参数的提高，纯铝宏观凝固组织由柱状晶转变为等 轴晶，且晶粒不断细化，细晶区面积不断增加。随着晶粒的细化，其力学性能不 断提高，导电能力下降，但只有当晶粒减小到一定尺寸时，电阻率才大于未处理 试样值。当脉冲电流作用在不同凝固阶段时，具有不同处理效果，在凝固大量形 核的位置处理可以得到明显的细化，优于晶体长大阶段处理。在此实验基础上， 从电磁学作用、脉冲磁压力和电磁振荡的角度对脉冲电流影响纯铝凝固组织的机 理提出了初步分析。 在脉冲电流作用下纯铝的凝固细化取得良好效果的前提下，尝试了脉冲电流 对纯铜凝固组织的细化，但未能取得理想的细化效果。然而脉冲磁场作用于纯铜 的凝固阶段则可以观察到明显的组织细化，柱状品转化为等轴晶。基于阻上实验 结果，对纯铝、纯铜在脉冲电流下的不同作用效果，以及脉冲电流和脉冲磁场对 纯铜凝固组织的不同影响效果做了初步的探讨。 关键词：脉冲电流 脉冲磁场凝固细化 纯铝 纯铜 ：! 塑查堂堡_ 上堂垡堡兰 一 g r a i nr e f i n e m e n to fp u r ea ia n dc uw i t hp u l s e d c u r r e n ta n dp u l s e dm a g n e t i cf i e l d a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，b yu s eo fap u l s e dc u r r e n te q u i p m e n to fl o w e rv o l t a g ea n dh i g h e r f r e q u e n c y , ap u l s e dc u r r e n te q u i p m e n to fh i g h e rv o l t a g ea n dl o w e r 行e q u e n c ya n d a d e v i c eo fp u l s e dm a g n e t i cf i e l dm a t c h e df o rt h ep o w e rs o u r c e ，t h ee f f e c t so fp u l s e d c u r r e n ta n dp u l s e dm a g n e t i cf i e l do nt h es o l i d i f i c a t i o np r o c e s sa n ds o l i d i f i c a t i o n m a c r o s t r u c t u r eo f p u r ea l u m i n u ma n dp u r ec o p p e rw e r er e s e a r c h e de x p e r i m e n t a l l y f o c u s i n go np u r ea l u m i n u m ，t h ee f f e c t so fp u l s e dc u r r e n tp e a ki n t e n s i t ya n d f r e q u e n c yo nt h es o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r ew e r ei n v e s t i g a t e d t h ep u l s e dc u r r e n tw a s a p p l i e da td i f f e r e n ts t a g e sd u r i n gt h ec o o l i n go fa l u m i n u mm e l tt o r e v e a lt h e m e c h a n i s mo fg r a i nr e f i n e m e n t ，a n dt h em e c h a n i cp r o p e r t ya n dt h ec o n d u c t i v i t y w e r em e a s u r e da n da n a l y z e dw i t ht h es o l i d i f i c a t i o nt e s t e rg a i n e db yp u l s e d c u i t e n tt r e a t m e n t t h er e s u l t ss h o w e dt h a tw i t ht h ei n c r e a s eo fp e a ki n t e n s i t ya n d f r e q u e n c yo fp u l s e d c u r r e n t ，t h es o l i d i f i c a t i o n s t r u c t u r eo fp u r ea l u m i n u m c h a n g e df r o mc o a r s ec o l u m n a rc r y s t a l st o f i n ee q u i a x e do n e s ，a n dt h eg a i n e d e q u i a x e dg r a i nw a sr e m a r k a b l yr e f i n e d ，a n di t sa r e aw a si n c r e a s e ds i m u l t a n e o u s l y w i t ht h er e s u l to fg r a i nr e f i n e m e n t ，i m p r o v e dm e c h a n i cp r o p e r t ya n di m p a i r e d c o n d u c t i v i t yw e r ei n d u c e d ，b u tt h er e s i s t i v i t yo ft r e a t e ds p e c i m e n sw e r eg r e a t e r t h a nt h a to fu n t r e a t e do n e so n l yw h e ng r a i ns i z ed e c r e a s e dt oac e r t a i nl e v e l r e f i n e dm a c r o s t r u c t u r e sw e r ea c h i e v e db yp u l s e dc u r r e n tt r e a t m e n ta td i f f e r e n t s t a g e so fs o l i d i f i c a t i o n ，y e to p t i m u mr e f i n e m e n tc o u l db eg a i n e db yt r e a t m e n t o n l ya tt h em o m e n t o fh i 曲n u c l e a t i o nr a t e a tt h es a m et i m e ，t h ee f f e c t so fp u l s e d c u r r e n to np u r ea l u m i n u ms o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r ew e r ed i s c u s s e dp r e l i m i n a r y 上海大学硕士学位论文 b a s e do nt h ee l e c t r o m a g n e t i s m ，m a g n e t i cs t r e s sa n de l e c t r o m a g n e t i ca g i t a t i o n b a s e do nt h e s ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so fp u r ea l u m i n u m ，t h ee f f e c to fp u l s e d c u r r e n to ns o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r eo fp u r ec o p p e rw a sc o n d u c t e ds u b s e q u e n t l y i t s p r o v e dt h a tt h es o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r eo fp u r ec o p p e rc o u l d n tb ec h a n g e dw i t h t h ea v a i l a b l ep u l s e dc u r r e n tp a r a m e t e r s t h u s ，p u l s e dm a g n e t i cf i e l dw a sa p p l i e d a n dt h es o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r eo fp u r ec o p p e rt r a n s f o r m e df r o mc o l u m n a rg r a i n s t of i n ee q u i a x e do n e s t h ed i f f e r e n tr e s u l t so fa l u m i n u ma n dc o o p e rw i t hp u l s e d c u r r e n ta n dc o p p e rw i t hp u l s e dc u r r e n ta n dp u l s e dm a g n e t i cf i e l dw e r ed i s c u s s e d p r e l i m i n a r i l y k e y w o r d s ：p u l s e de l e c t r i cc u r r e n lp u l s em a g n e t i cf i e l d ，g r a i nr e f m e m e n t , p u r e a l u m i n u m ，p u r ec o p p e r 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：弛日 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：张 导师签名： 海人学硕l 学位论文 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 2 0 世纪7 0 年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的i 大支柱。8 0 年代 以高技术群为代表的新技术革命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技 术革命的蕈要标志。这主要是因为材料与国民经济建设、国防建设和人民生活密 切相关。先进材料被视为社会现代化的先导，然而传统材料由于应用研究相对成 熟，应用范围极为j “泛，加之价格相对低廉，仍然占据着材料使用的基础地位。 通过t 艺的不断改进、降低能耗和提高劳动生产率，对现有材料进行改进和开发 新材料具有同样重要的意义。 人们对材料的要求j 下朝着高比强度、高强高韧等综合性能方向发展i “。控制 金属材料的凝固过程足提高传统工程材料以及，r 发新型材料的重要途径。凝固组 织巾晶粒尺寸减小或枝晶变成等轴晶都可以提高和改善机械加i 性能，消除表而 缺陷和热裂缺陷，克服热裂倾向等，因此通过组织改良获得细小均匀的等轴晶一 直是材料研究领域的热点之一。要想获得这样的组织，可以通过很多手段来细化 晶粒，包括如下几方面：( 1 ) 化学细化法【2 】，如加入各种孕育剂、变质剂或微合 会化，促进形核或抑制品核长大，到目前为止，这是控制晶粒尺寸最有效和最常 用的方法。( 2 ) 提高金属液凝固冷却速度，由此提高过冷度使形核速率大于长 大速率。( 3 ) 机械物理细化法：包括机械振动，机械搅拌等。但由于操作不易 控制，人为冈素和偶然性较大，不适合用来生产高纯金属 3 1 。( 4 1 物理场细化法， 如电场、磁场、超声波处理 4 。6 ，特别是脉冲物理场逐渐发展成为物理场细化晶 粒的新热点。 近年来的研究表明，液态金属的结构对凝吲过程和组织有重要影响，要获得 理想的组织就小仅仅取决于后续热处理与压力加i 过程巾的组织控制，史重要的 是决定于凝固过程中的组织控制i ”。利用物理场对液态金属结构进行控制以改变 凝固进程，与传统的添加剂细晶技术相比，可以避免由于微合金元素和形核剂的 加入对环境和会属材料本身造成的污染；同时随竹对材料功能性、环境性和经济 性= 三者平衡的要求h 益提高，电流、磁场和超声波等物理场凝固细品技术将会受 上海大学硕：l 学位论文 到广泛的关注。其中，脉冲物理场可以通过功率较低的设备实施间歇式大能量输 出，具有更加广阔的应用前景和十分重要的学术价值。 物理、电子等领域在二十世纪的快速发展，使得大功率物理场的产生已经变 成现实，而且可以得到的场强和功率越来越高，为物理场细化研究提供了设备保 障。但关于物理场凝固细晶的规律和机理还缺乏深入系统的认识，这一技术对不 同材料的作用效果的研究还只是刚刚起步，正是因为有着巨大的研究潜力，物理 场凝固细化才成为了材料研究领域的新亮点。 1 2 国内外研究现状 电流作用下的凝固技术是指在液态金属凝固过程中通以电流的方法。近几十 年来的研究表明，在合金的凝固过程中施加交、直流电流，可以改变金属材料的 凝固组织和性能，因此受到了极大的关注。 1 2 1 连续电场作用下金属凝固组织的改善 上世纪6 0 年代w gp f a n n1 8 1 首先将电场引入金属凝固过程中，进行了电场 下液态金属传输行为的研究。随后v e r h o e v e n 等【9 】也发现在电场作用下液态金属 内部产生明显混合现象，电阻热改变了溶质的有效分配系数。 b a i i i e h k o f l 0 1 在铸铁凝固过程中通电实验表明，电流可使石墨尺寸平均减 小2 0 - 4 0 ，片状石墨呈卷曲状，电场可使铸铁的抗拉强度提高3 0 左右。热分 析表明，电流增加铸铁结晶过冷度，减小结晶温度区间，并能减弱有害杂质的影 响。 8 0 年代中期，印度学者m i s r a “1 采用直流电流对p b 1 5 s b 7 s n 合金凝固组织 影响的进行了研究，他所采用的实验方法是：将合金封在5 m m 1 0 0 m m 的玻璃 管中，电极从两侧进入玻璃管与合金材料连接，实验时将合金加热到熔点以上 5 0 。c 后炉冷，施加3 0 - - 4 0 m a c m 2 直流电流。研究结果表明，电流使共晶组织细 化，共品片间距减小约4 倍，但m i s r a 没有指明电流造成这种结果的原因。随后， m i s r a 1 2 1 研究了n i m g 耐磨铸铁在电流下的凝固。试样长1 0 0 m m ，b 2 0 m m ，将 试样加热到熔点以上5 0 保温1 5 分钟后再通电炉冷，冷速为每秒几度，在凝固 。海犬掌嫒圭学整论文 终了立即断电。研究表明，电流改变铸铁一次结晶的组织，在原来的铁素体+ 石 墨的组织中出现了珠光体，并使原来柱状的紧密型石墨变得细小。这说明电流对 形捩釉生长两个阶段都会产生作用。 1 9 8 7 年，m 。c ，f l e m i n g s 【1 3 1 对开始凝潮豹鑫| i 嚣进行高毫基大魄流放毫，结采 发现凝固组织明显细化，晶粒形状为表面光滑的球状或准球状。 与此同时，我国学者顾根大等【1 4 】石开究了崽流电流作用下s n 5 b i 合金的胞 晶生长。实验结果表明，电流可提高胞晶生长的稳定性，改变胞黯生长形态，并 显著酸小貔磊囊距。 a h m e 鄙发现在5 4 0 0 m a c m 2 直流电流俸用下，镰基超箍于热台金组织细纯， 且强化相y 在y 相中的析出更加均匀细小，形态圊整，组织中的疏松也明显减少。 1 9 9 6 年，李辉等人研究了铝硅亚共晶合金电流处理后的组织。结果发现， 经瞧滚处理豁亚共晶镪含金英抗拉强度、延静率稳大幅度的提斑，积生戆a - a 1 建藕大褥棱晶逐灏交缡，最终几乎变为鬏粒敬，量力学经麓大糕度滤商。 窜万锋等人【”1 的研究表明，直流电流的通入使k 4 1 7 g 镍基商温合金的凝固 组织由枝状晶向近胞状晶转变，并引起了凝脚组织择优生长取向的变化。 王韵等人【馆l 开展了巍流电流作用下z a 2 7 台盒凝固组织变化的研究，结果 表唆，夔藩电渡密凄的壤麓，技曩凌距藏小，较获磊藏零获曩转燮，共鑫疆数量 增加。 黄立国等 1 9 】在a 1 c u 共晶合金凝固过程中施加直流电流，结果表明，电流 作用改变了共晶晶粒尺寸和层片间距，随着电流密度的增加共晶黼粒尺寸和层片 闼雅郯经历了一次先缨讫屡耀纯戆过程。 1 2 2 脉冲电场作用下金属凝固组织的改善 晕期研究电脉冲对愈属凝固组织的影响大多用的是低电流密度脉冲电流，且 集申在甄熔点渤1 8 3 黪p b s n 类台金。鼓避开震了毫密度黪冲滚滤对焙点较 高的镪台金和铸钢静凝潮缀织的研究。 l 海大学硕士学位论文 1 2 2 1 脉冲电流对低熔点合金的作用 m n a k a d a 等人2 0 1 首先在冷却速率为6 k m i n 时研究了高密度脉冲电流对过 共晶s n 1 5 w t p b 合金的凝固过程的影响，所用电容器的充电电压为3 k v ，他们 发现，凝固组织不再出现枝状晶而成球状晶。 李建明等2 1 1 研究了大容量脉冲放电( 充电电容4 6 0 9 f , 充电电压2 6 0 0 v ，每 隔6 0 s 放电一次) 和连续高压小电容脉冲放电( 充电电容o 0 0 4 4 1 n f , 峰值电压 3 0 k v ，放电频率3 7 5 h z ) 两种放电方式下p b 5 0 w t s n 合金的凝固组织，如图 1 一l ，得到了同样的结果。发现在大容量脉冲放电处理的条件下，富p b 初生相枝 晶“破碎”，变成粒状晶；而在小容量高压连续脉冲放电处理的条件下，共品晶 粒沿电极方向拉长，共晶片沿电极方向生长，且间距减小，且观察到共晶生长方 向与电流方向一致。 f ( t ， 图1 - 1 共晶晶粒在束缚力作用一f 被拉长示意图 h c o n r a d 等研究了高密度电脉冲对s n 一4 0 p b 和s n 一3 7 p b 合金凝固组织 的影响，结果证实，脉冲电流可以增加过冷度并使共晶的晶粒度降低一个数量级， 晶粒度随脉冲电流密度的增加而减小。 鄢红春和周本濂等人2 3 1 对s n 一1 0 p b 亚共晶合金的凝固过程进行了脉冲电 流( 1 2 0 0 1 tf ，1 5 0 0 v ) 处理，从凝固开始到结束共放电3 0 次，粗大的富s n 树 枝状初品细化成近球状结构，如图1 2 所示。 。l 。海灾学矮学挝论文 翻1 - 2 豫箨毫流对s n - l o p b 台金凝强组缎静影确 他们从凝固动力学角度讨论了脉冲电流的影响并对相关实毅缩果作出解释， 认为脉冲电流所产生的大小不同的脉冲压力对晶核的形成和长大产生不同程度 的影响是导致不同观测结果的基本原因。 1 2 ，2 。2 黪；枣毫滚对较高熔点台金豹佟蠲 东北大学訾炳涛【2 4 1 等应用强脉冲电流对2 0 2 4 铝合金进行凝围细化的研究。 结果寝明：强脉冲电流可屐著细化其凝固组织，脉冲电流的强度愈强，细化效果 愈嚣萋，平垮晶粒尺寸隧酶谴瞧流强度增大豹变倪靓律如图1 - 3 联示。 m a xp e a ko fp u i s e dc u r r e r t t a c m - 2 潮1 - 3 峰值电流强度对平均晶粒尺寸的影响 班眷燕等研究脉冲电流作用下纯a 1 及a 1 5 3 z n 合金的宏观凝固组织变 化得到结论，脉冲电流能够对纯a l 及a 1 5 3 z n 合金中晶粒的形状和尺寸产生 魄较鼹薯鲍影响。与未熬嬲脉冲电流相比，鹣粒得到细化、等轴化，如图1 - 4 所 量奄拦ui霪o u 髓霉d 上海大学硕士学位论文 示。脉冲电流作用下剧烈的强迫对流促进晶粒从型壁上游离，增加金属熔体的形 核率，使晶粒得到细化。 【a ) c o ) 图l - 4 脉冲电流对纯铝宏观组织的影响 ( a ) 未施加脉冲电流( b ) 施加脉冲电流 他们又进一步研究了脉冲电流对l y l 2 铝合金微观结构和合金元素分布的影 响 2 6 1 ，发现施加脉冲电流使共晶合金在晶界和枝晶网的偏聚大大减少，成为近 似球状的共晶质点弥散在晶内和晶界附近。另外，脉冲电流能有效地改善合金中 c u 和m g 的成分偏析。 王建中等1 2 7 1 对a 1 5 0 c u 合金进行电脉冲孕育处理后，铸锭的凝固组织得 到了改善，柱状晶区缩小、等轴晶区扩大，晶粒得到很大程度的细化。孕育处理 时间对合金凝固组织的影响较小，其中1 0 s 和6 0 s 效果比3 0 s 好，而且经脉冲孕 育处理后的a 1 5 0 c u 台金液，具有良好的抗孕育衰退能力。 上海交大何树先等【2 82 9 1 对比了不同脉冲放电开始时间和脉冲电压对a 3 5 6 铝 合金凝固组织的影响。实验结果表明：经过电脉冲处理后，a 3 5 6 的合金凝固组 织得到明显细化；在同样的电脉冲条件下，凝固过程中放电开始时间越早，凝固 组织细化效果越明显；脉冲充电电压越高，凝固组织细化程度越大。他们还对过 共晶a 1 _ 1 9 s i 合金凝固过程施加高密度脉冲电流，采用电容器充电电压为 1 5 0 0 v ，放电频率为l h z ，瞬间脉冲电流密度达1 0 “a m 2 ，放电次数4 0 次，直至 凝固结束。结果表明，初生s i f l 由长的杆条状转变为块状，且晶粒氏宽比减小。 肖蕴华等人 3 0 , 3 1 1 在砂型铸造z a l 2 合金的凝固过程中施加强脉冲电流，发现 枝品尺寸减小，近球状组织增多，试样的抗拉强度也有提高。仅在合金凝固的前 半段进行处理，合金凝固组织细化和力学性能改善效果不如对整个凝固过程处理 上海= ；= 学硕士学位论文 时好。他们认为在合金凝固后半段施加的脉冲电流处理促进了枝晶之间液体的流 动，增强了枝晶问液体的补缩能力，并且导致部分小的枝晶熔断，抑制了枝晶的 生长，得到更均匀细小的凝固组织，从而对合金力学性能的改善效果也更为显著。 仅在前半期处理的试样由于没有后期的作用，作用效果就没有这么明显。 上海大学范金辉等阢3 3 】采用大能量脉冲电流对纯a 1 凝固过程进行了处理， 并观察了纯a l 的宏观凝固组织，发现大能量脉冲电流能够显著细化金属的凝固 组织，使粗大柱状晶变成细小等轴晶。当脉冲能量达到闽值能量后，脉冲频率越 高，细化效果越明显。 傅明喜等利用脉冲电流解决a 1 s i 合金缩孔问题时发现块状初晶硅和细条 板状共晶体都随脉冲电流有效值增大而逐渐细化。此后，在将脉冲电流施加于 z a 一2 7 锌合金凝固过程的实验中发现 3 5 】，一次枝晶最大长度、二次枝晶间距和二 次枝晶宽度随充电电容增加而减小，合金的凝固组织得到改善。 王志华等 3 6 】研究了三角波脉冲电流对亚共晶和近共晶a 1 s i 合金凝固组织的 影响，粗大的a a l 枝晶明显细化，共晶硅层片间距显著减小，尺寸减小。且在电 流作用下进行凝固对a a l 相有取向作用。 西北工大的唐波等”1 研究了不同参数的脉冲电流对a 1 4 c u 合金铸造组织 的细化作用，结果表明：脉冲电流对该合金有明显的细化作用，电容的冲击频率 和电路的自振荡频率对细化效果起着关键性的作用。 1 2 2 3 脉冲电流对高熔点合金的作用 王建中、唐勇等采用频率为l h z 的电脉冲在连铸结晶器内对q 2 3 5 钢1 2 0 小 方坯进行电脉冲孕育处理【3 8 1 ，连续处理5 分钟，连铸坯凝固组织细化了3 倍以 上，并使柱状晶由粗而长的形态变为细而短的短杆状组织。他们还研究了电脉冲 对t 8 钢铁凝同组织的作用1 3 9 1 ，在凝固线以上采用高、中、低三种脉冲电压处理 6 0 s ，结果发现脉冲电流减小了柱状晶的尺寸，改善珠光体的形貌，使枝晶发达 程度减少，随脉冲电压上升晶粒数呈指数形式增加。 王静松等人h o 发现在未加任何孕育剂的情况下，铸铁铁液经过脉冲电流处 理后，在凝固过程中发生了石墨化转变，在相同参数脉冲电流作用下，处理时问 长有利于石墨化转变的进行，原铁液中的硅有利于缩短处理时间。 上海大学顾士学位论文 李庆福等【4 1 1 在多晶c u a i n i 合金熔化温度8 0 。c 以上进行电脉冲孕育处理效果 明显，铸锭几乎由完全的等轴晶区构成，集中缩孔大大减小，合金的晶粒尺寸显 著细化，脉冲电压、频率、孕育时间和铸锭种类是影响孕育效果的因素。 赵昱祥等人删将电脉冲处理( 频率为2 h z ，脉冲电压为2 0 0 v 、3 0 0 v 、5 0 0 v 和7 0 0 v ，处理时间3 0 s ) 运用于g c r l 9 5 自承钢凝固组织的研究，处理过程在炉内 进行，发现枝晶得到显著细化，一定程度上使珠光体发生粗化变化，在选用的参 数中5 0 0 v 为最佳处理电压。 范金辉等人的研究表明【4 ”，合适的脉冲电流参数下，奥氏体不锈钢 1 c r l 8 n i 9 t i 的凝固组织也能得到细化，经电脉冲处理后，其奥氏体一次枝晶长度 缩短，二次枝晶间距减小。脉冲电流强度和脉冲频率对脉冲处理效果的影响都很 显著，在一定范围内，脉冲电流强度越高、脉冲处理次数越多越有利于奥氏体不 锈钢凝固组织的细化和改善。利用脉冲电流处理过共晶灰口铸铁h 4 1 也得到了相 似的变化规律，如图1 5 所示，脉冲电压的升高和频率增大都有利于凝固组织的 改善和细化，石墨变得细小且分布均匀。 温宏权等4 5 1 通过碳钢凝固期间在钢水中直接施加脉冲电流，进行了脉冲电 流对低碳钢和高碳钢凝固组织影响的实验。低碳钢中铁素体含量增加且分布趋于 均匀，高碳钢珠光体细化，片层间距减小为原来的1 3 1 5 。 上海大学硕士学位论文 图1 5 经不同参数的脉冲电流处理后灰e l 铸铁的凝固组织 ( a ) 未施加脉冲电流，( b ) 电流峰值8 0 0 a 、频率2 k h z ， r c l 电流峰值4 0 0 a 、频率1 0 k h z ，f d l 电流峰值4 0 0 a 、频率7 k h z 1 3 对脉冲电流细化金属凝固组织的机理分析 根据人们对电磁学和金属凝固理论的现有认识，可以推测脉冲电场作用于 凝固系统会产生如下一系列效应 4 6 , 4 7 】： 1 3 1j o u l e 效应 焦尔热效应是人们熟知的。电流通过金属熔体时 将导致熔体温度的变化，a t 为： a t = j 2 p e t p c 将产生焦耳热效应，从而 上海大学顾士学位论文 式中：见为材料的电阻率；p 为熔体的密度：c 为比热容：t 为通电时间。对于 凝固体系来说，焦尔热相当于内热源，它将使凝固系统整体冷速降低，过冷度减 小。对于固液共存的状态而言，由于液体金属的电导率比同材质的固体金属小数 倍，所以固相是电流优先选择的通道，因而固相内产生的热效应大于相邻的液相， 这可促进降低界面处的温度梯度，甚至导致固相重熔，所以最终的结晶组织比较 均匀。 1 3 2p e l t i e r 效应 电导率不同的两种材料接触时，接触面的接触电位差产生了附加的热量，称 为p e l t i e r 热，用q 。表示，其大小与通过界面的电流密度，成正比，其比例系数 称为p e l t i e r 系数，如下式： q = ， ( 1 - 2 ) 由于固液两相的电导率存在明显的差异， 所以，电场作用下，在固液界面 上会产生p e l t i e r 效应。由此产生的p e l t i e r 热使界面上的凸出部分熔化，从而使 界面趋于光滑圆整。可以较好地解释电场作用下促进球形或准球形晶粒的形成、 抑制树枝晶生长的实验现象。 1 3 3 起伏效应 处于熔点附近的凝固系统实质上是处于近程有序状态”】。( 电场和磁场作用 下的金属凝固) 电场作用于熔点附近的凝固系统时，金属液中近程有序原子团簇 的结构、尺寸和数量都会随着电场强度、方向而发生变化，加剧了结构起伏、能 量起伏及温度起伏，从而促进均质形核。这种现象称为起伏效应。可见电场的起 伏效应具有促进均质形核和细化晶粒的作用。 1 3 4 磁致收缩效应 当脉冲电流通过材料时，会产生一个压力挤压表面，从而减小表面的非均质 形核，这个收缩应力的值为： 1 0 上海大学硕：l 学位论文 盯= v a j 2 ( ，2 一a2 ) 4 】 ( 1 - 3 ) 式中，盯为伸缩应力，v 为泊松比，“为磁导率，为样品半径，口为是试样中 任意一点到试样中心的距离。 当有快速变化的强脉冲电流通过金属熔体时，在熔体内产生快速变化的强脉 冲磁场。强脉冲电流和强脉冲磁场之间的相互作用会在金属熔体内产生很强的沿 径收缩作用，使熔体反复地被压缩和得到松弛，致使熔体在垂直于电流方向作往 复运动【2 3 】。这种强迫对流一方面促进了型壁晶核的游离，进入金属熔体中，增 加了初始晶核的数量，还使熔体迅速失去过热使金属熔体中的温度场和溶质场均 匀化，抑制初生相枝状晶的择优生长【3 0 , 3 1 】。 对于冲击波效应2 0 1 ，由于电流强度和引起的磁感应强度随在金属熔体内的 不同位置而不同，因而在熔体中会形成收缩力梯度、各流团间的流速差，从而引 起剪切应力： f f 一玎丝 ( 1 4 ) f 2 一习= 2 l l qj 咧 r ：一玎堕 ( 1 5 ) 7 ，一叩i 。1 式中，f ，、f 。分别为衍吵方向上的剪切应力，叩为粘度，k 、巧分别为x 干吵 方向上的熔体流速。 当剪切应力足够大时，熔体中的树枝晶即可被碎断为小碎块，游离于液态熔 体中，可形成新的晶粒生长中心，使晶粒增殖从而使凝固后的晶粒得到细化和等 轴化。 何树先在a 3 5 6 铝合金电脉冲处理的实验中定量计算了脉冲电流产生的磁力 2 8 1 ，认为在电流强度较大，熔体温度较低，生成的固相强度较低的情况下，初 生固相就可能被破碎，成为形核质心。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。 l 。海大学顾士学位论文 1 3 5 场过冷效应 根据经典的热力学理论，当有外场作用时，体系的热力学势垒和温度等因素 将发生变化，从而影响相变过程的形核率。按照金属的凝固理论，熔体的形核必 须在一定的过冷度下进行，形核势垒与过冷度满足一定的关系。在有脉冲电流时 a t = ( a g + k j 2 善矿) 乙五，当电流密度满足，。l - a g ( k 孝矿) 1 j 2 ，( 善 。 电阻炉掰激熔 乏筑铝，该泡黻炉的翡枣凳5 k w ，鞭定凝度为1 0 0 0 “c ，飙室 温加热到设定的保温温度约需辫3 0 分钟的时间，炉腔温度由k s j d 6 3 - - 1 2 温控 搜控制。 中频感袋炉凳簦2 - 3 ，震敬髂能缝褥，它浆主要设餐鬻耩如下： 输入鞭定交流电压； 3 8 0 v 输入灏定交流邀流：8 6 a 输入电流频率和稆数：5 0 h z 、3 褶 输入中频功率：5 0 k w 羧a 串频惫蓬： 7 5 0 v 输入最大中频电流： 1 6 0 0 a 输入频率和相数：2 0 0 0 h z 、单相 蒗2 4 孛频感痘邀炉 2 。涤凄果熬菇缆 实验中使用计算祝温度蠢渤采集系统束测羹稻驻示温度数舔，它包括 a d v a n t e c h - - 6 1 0 工业控制计黪孝且、a d a 2 ，1 4 0 1 8 + 浆滠模块、各哥中型号的滤波 搂凌、k 器熬邀愿、b 壁蕊惑秘、热惠嚣饕磐翁璐及溺来实露翌示藤憨冷帮趣缓 ； 钉测温程序游。 其中，铝液的出炉温度和凝阉过程温度利用k 型热电偶测量，而铜液的则 翻煺3 型热魄爨进行熬量。实黢中，受蕊邈羁每金滠滚接魏荠在每次实验中 避孬受羧。转麓熬篷矮复复缓瘸，为避免蕊逡穗丝与衾蕊渡孛杂凌菝艇“皆毒”， 弓l 超温度漂移，用雕玉管对热电稻进行铯装。 在避行辨场处理过程中，在试撵横裁颡中心的点测量凝固冷却麴线，如 图2 - 5 ( a ) 所示，利用热分析技术研究脉冲电流对纯锻凝缝铜凝固过程的影响。 上海大学硕士学位论文 纯铝的凝固冷却曲线用k 型热电偶采集，如图2 - 5 c o ) ，为了得到准确的数据， 热电偶端部以镁砂封堵并将其顶部露出直接与金属液接触。纯铜的凝固冷却曲 线用b 型热电偶采集，如图2 - 5 ( c ) ，为了达到热电偶的重复使用，在热电偶外 封套石英管，并以石棉线紧实石英管与陶瓷管之间的缝隙，使热电偶端部贴紧 石英管内壁以确保测温时不发生移动。 ( a ) 金属凝固测温( b ) k 型热电偶( c ) b 型热电偶 1 金属液 陶瓷管 图2 - 5 冷却曲线测温热电偶示意图 2 热电偶 3 砂型4 k 型热电偶端部5 镁砂 7 k 型热电偶8 一石英管9 石棉线1 0 b 型热电偶 一f ：海大学硕：t 学位论文 第三章脉冲电流对纯铝凝固组织的影响 利用脉冲电流对纯铝凝固组织进行处理的研究已有报导 6 7 j ，实验结果显示 高电压、低频率的脉冲电流能够显著细化纯铝凝固组织，使凝固组织由柱状晶向 等轴晶转变，如图3 - 1 。同时，文献中采用待定系数多元函数插值方法给出了纯 铝凝固组织细化效果与三个电流参数即峰值、脉宽和频率的关系式。结果表明金 属凝固组织细化效果分别随着峰值、脉宽和频率的增大而增大。在三个脉冲电流 参数中，电流峰值对金属凝固组织细化的影响最大，脉冲频率次之，电流脉宽影 响最小，并且三个参数之间有较明显的交互作用。 ( a )【b ) 霉3 - 1 赫冲电流处理簸缝铝凝圃缀缎的纲化 ( a ) 来麓翻敬淬魄滚，国) 莲热融狰电流 然而，在上千伏的高电压脉冲电流条件下虽然获得了较细的凝固组织，但如 此高的脉冲电流参数若应用于实际生产，随之而来的问题是高能糕和高危险性。 嚣诧，搽讨奁麓耗趸羝、王整应建委为安全豹熬淬彀瀛参鼗下取缀潺撵甚至更好 细化效果是非常必要的。如上述文献中采用的电流参数具有极高的电压，而频率 极低，而本麓实验中采用的峰值电流电压比前者下降了一个数量级，而频率则提 高了两令鼗爨缀隧土，褥鞠是电流电压稻频率可戳猿立变强，恣零章静实验磅突 开拓了更广阔的思路：( 1 ) 探讨脉冲电流参数变化对凝固组织的影响规律；( 2 ) 分 析不同参数脉冲电流对凝固组织的作用机理的差异；( 3 ) 提供了在本实验条件下 分鬟讨论电流蜂篷强度粒频率这悉令蘸簧参数对搽鞠绣缓影稳熬实瑷条 孛。 一t 海+ 天学镬士学笾逾文 3 1 实验过程 3 。i 。1 实验方法 将锡块在电阻炉内煳热熔化，金属液瀛溲遮到8 6 0 。c 君保温0 5 小时出炉， 柱8 4 0 “c 时浇人内腔尺寸为0 4 0 1 4 0 m m 的砂型中并通入脉冲电流进行处理。工 艺流糕如图3 - 2 所示，脉冲电流处理装置见圈3 - 3 。为了保证实验结果的可比性， 每次安验书采餍凄悫金羼分漾法霹簿浇注嚣个试榉，一个为熬弹电流楚理试撵， 个为滗躲摔电流楚理试榉。 3 。1 + 2 谶襻裁备 翻3 - 2 实验流穰鞠 图3 - 3 实验装鬣永= 螽图 把经上述工艺制备的试样在褶同的位鬻横向和纵向割开，磨抛掰用混合酸试 剂( h n 0 3 ：h f ：h c i ：h 2 0 = 3 ：3 ：9 ：5 ) 腐蚀，观察熟宏观组织。 上海大学顾士学位论文 3 2 不同电流参数作用下纯铝凝固组织 3 2 1 峰值电流强度对纯铝凝固组织的影响 图3 - 4 为实验中所用的脉冲电源放电过程图，从图中可以看出，放电丌始后， 电流在短时内达到最大值，随后电流波形快速衰减回零。第一次反向峰值比第一 正向峰值的作用时间稍短，而电流的反向峰值强度不足正向峰值的1 2 。 由于焦耳热引起的温升 7 1 = j 2 p t p c ( 3 - 1 ) 式中，- ，电流密度， 成材料的电阻率， t 通电时间， p 材料密度， c 材料比热 单位面积上产生的最大电磁压力 f ：t 0 1 2 r 2 ( 3 2 ) 8 石2 d 2 。一 式中，真空磁导率， ，- 一流过熔体的总电流， ，体内任意一点到轴线的距离， r _ 璐体半径。 脉冲电流引起的热效应和磁压力均与电流平方成正比，因此取脉冲放电电流 的第一个正向峰值及其作用时间来标志电流强度和脉宽。 上海大学硕士学位论文 差 量。 笔 品 刀i 一 v o p u l s ed u r a t i o n p s 图3 - 4 实验中施加的脉冲电流波形 固定频率为某一特定值( 出于实验数据保密的需要，表中给出的参 数进行了一定处理，均在原参数基础上叠加了某一保密系数，下文同 此) ，考察了脉冲电流峰值强度对纯a l 凝固组织的影响，选用的电流参 数如表3 1 所示。 表3 - 1 实验处理参数 图3 5 是不同峰值电流强度作用下纯a 1 的宏观凝固组织。将试样的横截面 进行比较可以看到，未处理的试样具有典型的铸模铝锭凝固组织，表层为激冷区， 随后晶粒沿径向笔直向内生长形成粗大的柱状晶，柱状品包围的铸锭中心存在少 量等轴晶。随脉冲电流作用效果的产生，试样横截面外沿首先出现了部分等轴晶， 这些局部的等轴晶区紧挨着外层激冷区( 图3 - 5 ( e ) 、( f ) ) ，当脉冲电流峰值逐渐 增大，其晶粒形貌与凝固组织随之发生变化，由笔直向内生长的柱状晶向晶粒呈 上海大学硕：匕学位论文 现弧形偏转的某种方向性生长且晶粒逐渐变得“细短”，直至形成等轴晶；凝固 组织中随脉冲电流峰值增加其柱状晶晶区面积依次减少。等轴晶区不断增大。当 电流峰值达到6 0 0 0 k ia ，整个横断面上几乎都是均匀细小的等轴晶，晶粒显著细 化。 在圆柱形试样中，铝液在无脉冲电流作用时，沿径向向外散热，形成了径 向笔直向内的柱状晶。电流通过试样时，电流与自身产生的磁场相互作用，使得 铝液向中心收缩 6 7 1 。由于电流和磁场的大小和方向随时间变化速度较快，使得 电磁力也呈现快速振荡，引起了金属流体的运动，使柱状晶生长方向受到一定干 扰。另外，从图3 3 中可以看出，在本实验条件下，由于需要利用铜排线固定下 电极( 铜排线紧贴砂型一侧外表面) ，铜排线上的电流与流经金属液的电流方向 相反，反向电流通过平行导体时产生径向斥力。靠近铜排线- n 的铝液在受到径 向箍缩力的同时，受到同向的斥力，向内收缩的趋势增大，将金属液向对面边壁 推挤。局部的受力不均匀造成了图3 - 5 ( e ) 、( f ) 中试样横截面- n 柱状晶比较短， 另一侧柱状晶弯曲程度较大的现象。 从试样纵截面进行观察，可以知道，随着峰值电流的提高，下电极附近的 等轴晶不断细化，同时晶区面积不断扩大。在等轴晶晶区上方，试样形貌接近未 处理试样，呈现典型的铸造三晶区组织。 主辩夫攀鲠士学位论文 上海大学 囊圭学位论文 f ) 6 0 0 k f l - - i z 时，等轴晶晶区面积的变 化较平缓。从宏观形貌上看，在所取试样高度上( 5 0 r a m ) ，图3 - 9 中试样4 7 除了激冷层外几乎都是等轴晶，等轴晶晶区面积所占比例只是随着激冷层的厚度 变化略有浮动。 与峰值电流强度对纯铝凝固组织的影响规律不同的是，当频率提高到一定数 值继续增大频率值，无论是等轴晶尺寸还是品区面积的改变都不再明显，即频率 到达一定值后细化效果趋于稳定。 ( a ) 圭海犬掌 蓼 士学鲢论文 ( g )( h ) 图3 - 9 频率对纯a 1 宏观凝i 倒组织的影响 翻渤一( h ) 接敬为衷3 - 2 中试搀孙。 主海犬学磺圭学链论文 ( a ) ( b ) 图3 1 0 试榉4 和试样6 的纵截厩全图 试群4 ，( b ) 斌样6 图3 - 1 1 脉冲电流频率对等轴晶晶粒尺寸的影响 3 3 墨蹲、燕薅羡心翟雄墨帮蚰奄n州僻t王羹0 上海大学硕十学位论文 f r e q u e n c yo f p u l s e dc u r r e n t h z 图3 1 2 脉冲电流频率对纵截面上等轴晶晶区面积的影响 3 2 3 分析和讨论 在课题研究进展中，除了电流和频率独立变化的参数实验外，还进行了多次 实验，探索脉冲电流开始作用的参数范围和该实验设备允许的最大参数下的细化 情况，将所用参数和细化情况归纳在图3 1 3 中。将试样底部开始有部分等轴晶 沉积的现象定义为脉冲电流开始作用，更低的参数处理基本无作用；将等轴晶尺 寸和晶区面积都有明显变化的现象定义为细化作用明显；由于实验处理时所用上 下电极的电阻率与纯铝相比大得多，当处理参数增大到一定值时，电极发热发红， 电极的热量传导至处理试样上，使得金属液无法凝固，得到的组织为外部己凝固 区域为等轴晶，下电极发热影响的区域为柱状晶的形貌。 随着电流峰值和频率的增大，纯铝宏观晶粒迅速细化，电流峰值的增大意味 着电流产生的电磁效应也迅速增大，频率的增加则反应出电流作用时间的延长和 弛豫时间的减少，可以说，这两个参数的增加使电流引发的热电效应、力的作用 加剧，细化效果显著。 主海太掌磺尘掌艇论文 3