（钢铁冶金专业论文）磁致振荡对金属凝固行为的影响.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 本文提出一种新型的外场处理技术磁致振荡，即利用高频脉冲强磁场 在金属熔体的表层产生电磁振荡，该技术可实现对金属熔体的无接触有效处理。 本文分别以纯铝、s n 一1 0 4 s b 合金为实验材料，对磁致振荡下金属凝固组织 和凝固过程的变化规律进行了研究，并对磁致振荡下金属凝固组织细化的机制 进行了探讨。 本文首先研究了磁致振荡下工艺参数对于纯铝凝固组织和凝固过程的影响 规律。结果表明，试样晶粒尺寸随着处理电压、处理频率、趋肤深度的增加而 减小，随着浇注温度的增加而略有增大；试样的凝固时间随着处理电压、处理 频率、浇注温度的增加而增长，趋肤深度的增加也可以增长试样的凝固时间。 在本文研究条件下，处理电压的变化对于试样凝固组织和凝固时间的影响最为 显著，而浇注温度的变化对凝固组织影响最小；对于试样凝固时间，处理频率 的变化对其影响最小。 对于s n 一1 0 4 s b 合金的磁致振荡处理发现，振荡可以明显的细化合金凝 固组织，并且极大的减小铸件内部比重偏析，使铸件上下部的1 3 相的比例趋于 一致。 对于纯铝不同凝固阶段的振荡处理实验，发现在熔体形核阶段进行处理效 果最明显，且晶粒尺寸随处理时间的增加而减小；在高温孕育区和凝固平台后 期进行振荡处理时，效果不明显。 最后通过在纯铝熔体不同位置处放置不同形状的不锈钢网对纯铝熔体固液 两相进行分隔，以研究磁致振荡下纯铝凝固组织细化的增殖核心的来源。结果 发现，磁致振荡细化纯铝凝固组织的原因是振荡的处理使得晶核从型壁上不断 地脱落，从而使熔体内部晶核数增殖而细化，也就是磁致振荡处理引起的熔体 内部的结晶雨现象。 关键词：磁致振荡凝固组织凝固过程宏观偏析晶核增殖 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , an o v e lt e c h n i q u en a m e da sm a g n e t oo s c i l l a t i o n ( m o ) w a s i n t r o d u c e d t h ee l e c t r o m a g n e t i co s c i l l a t i o nc a u s e db yh i g hf r e q u e n c yp u l s e m a g n e t i cf i e l dc o u l de f f e c t i v e l ya f f e c t s o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r eo fm e l t a n dt h e e f f e c t so ft h ee l e c t r o m a g n e t i co s c i n a t i o no nt 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 ea l a n ds n - l o 4 s b a l l o y w e l e d e t a i l e d l yi n v e s t i g a t e d a tl a s t , i t s r e f i n e m e n t m e c h a n i s mw a sa n a l y s e d w h e nh i g hf r e q u e n c yp u l s em a g n e t i cf i e l di sa p p l i e dd u r i n gt h es o l i d i f i c a t i o no f p u r ea 1 ，t h ec r y s t a ls i z eg r a d u a l l yr e d u c e sw i l l li n c r e a s i n go f t h eo s c i l l a t i o nv o l t a g e ， o s c i l l a t i o nf f e q u e n c y ，a n ds k i nd e p t h m o r e o v e r , t h ec r y s t a ls i z er e d u c e sa st h e p o u t i n gt e m p e r a t u r ed e c r e a s i n g t h ef r e e z i n g t i m ea l li n c r e a s e sa st h ef o u r p a r a m e t e r si n c r e a s i n g i nt h ee x p e r i m e n tp a r a m e t e r s ，e f f e c to ft h eo s c i l l a t i o nv o l t a g e o nt h es o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r ea n ds o l i d i f i c a t i o nt i m ei st h em o s t ，t h ee f f e c to ft h e p o u r i n gt a m p c r a t u r eo nt h es o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r ei s t h es m a l l e s t ，a n de f f e c to f o s c i l l a t i o nf r e q u e n c y0 1 1t h es o l i d i f i c a t i o nt i m ei st h es m a l l e s t m a g n e t o o s c i l l a t i o nc o u l dr e f i n e t h es o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r e o f s n 一1 0 4 s b a l l o yo b v i o u s l y , a n di tc o u l d a l s oa l l e v i a t eo re l i m i n a t et h eg r a v i t ys e g r e g a t i o no f c a s t i n g s r e s u l t ss h o wt h a tt h et r e a t m e n ta tt h es o l i d i f i c a t i o nb e g i n n i n gi e n u c l e a t i o n s t a g ei st h eb e s tf o rs t r u c t u r er e f i n e m e n t ，a n d t h et r e a t m e n ta tt h eh i g ht e m p e r a t u r e m e l to rl a t es t a g eo f s o l i d i f i c a t i o nh a v ea l m o s tn oa c t i o no ns t r u c t u r e p u t t i n gas t e e lm e s hi nt h em e l tt os t u d yt h er e f i n e m e n tm e c h a n i s mo f m a g n e t o o s c i l l a t i o n , i ti sf o u n dt h a ts t r u c t u r er e f i n e m e n tr e s u r sf r o mc r y s t a ln u c l e u sf a l l i n g o f f t h em o u l dw a l l i tc o u l db ed e p i c t e da st h ec r y s t a lr a i nc a u s e db ym a g n e t o 0 s c i l l a t i o n k e y w o r d s ：m a g n e t oo s c i l l a t i o n , s o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r e ，s o l i d i f i c a t i o np r o c e s s m a c r o s e g r e g a t i o n ，c r y s t a ln u c l e u si n c r e m e n t v i 上海大学硕士学位论文 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。 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。 帐导师签名： i i 上海大学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 凝固是一种极为普遍的物理现象。物质从液态到固态的转变一般都经历凝 固过程，它广泛存在于自然界和工程技术领域。在人类社会中，人们利用凝固 技术推进社会文明的不断发展，并且随着科学技术的进步，凝固技术逐渐发展 成为- f 7 独立的学科凝固科学【l 】。 最早的关于凝固问题的研究文献可以追溯到2 9 0 多年前，但一直到2 0 世纪 4 0 年代以前，可以认为国内外尚无公认的凝固理论。而从2 0 世纪4 0 年代到现 在的半个多世纪，随着工业和科学技术的发展，通过以科学为轴线的实践、认 识、再实践、再认识的发展、积累与总结，逐渐形成了以现代科学理论为根基 的凝固过程研究的科学框架，与此同时，凝固技术也在此基础上取得了长足的 进步。主要表现在以下几个方面： 铸冶工艺一常规可控凝固一定向凝固一快速凝固一空间凝固一超常凝 固： 结构材料一功能材料一结构功能材料； 金属( 合金) 一金属问化合物一金属基复合材料一金属非金属基复合材 料； 多晶一单晶一微晶一非晶，形成了一个比较完整的凝固体系。 研究凝固科学技术，其目的主要是控制组织结构，包括晶粒度和取向、织 构的形成，减小合金元素的偏析，减小夹杂物和气体，提高生产率和降低成本 等。近年来的研究表明，液态金属的结构对凝固过程和组织有重要影响，要获 得理想的组织不仅仅取决于后续热处理与压力加工过程中的组织控制，更重要 的是决定于凝固过程中的组织控制，控制金属材料的凝固过程是控制组织结构 来提高传统工程材料以及开发新型材料的重要途径。目前该领域的研究热点之 一就是通过控制凝固过程从而改良凝固组织以获得细小均匀的等轴晶材料。其 主要的控制手段为【卅：( 1 ) 化学细化法，如j n , x 各种孕育剂、变质剂或微合金 上海大学硕士学位论文 化，促进形核或抑制晶核长大。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，人为因素和偶然性较大，不适合用来生产高纯金属。( 4 ) 物理场细化法， 如电场、磁场、超声波处理，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。 利用脉冲磁场等脉冲物理场对液态金属结构进行控制以改变其凝固进程， 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 境和金属材料本身造成的污染；同时随着对材料功能性、环境性和经济性三者 平衡的要求日益提高，电流、磁场和超声波等物理场凝固细晶技术将会受到广 泛的关注。 随着物理、电子等领域在二十一世纪的快速发展，大功率、可控制物理场 的获得已经变成现实，这为物理场凝固细晶技术进一步的研究和发展提供了设 备保障，而且随着人们对于物理场凝固细晶领域的更加重视，更多的新技术等 成果也将走进人们的实际生产。但是目前制约该技术向更广大领域应用的主要 原因就是人们对于物理场凝固细晶的规律和机理还缺乏明确统一的认识。但也 正是因为有着巨大的研究前景，物理场凝固细晶新技术以及细晶机理才成为了 当前材料研究领域的亮点。 1 2 材料电磁加工技术的发展7 j 材料电磁加工技术( e l e c t r o m a g n e t i c p r o c e s s i n g o f m a t e r i a l s ) 是指将电、磁 场引入到材料制备和加工过程中，通过对制备和加工过程的影响、控制，以实 现对材料质量控制和材料组织及性能改善的现代材料加工技术。 2 0 世纪初，有人尝试利用磁场对液态金属进行搅拌以改善冶金组织，到5 0 年代末和6 0 年代初，随着连续铸钢技术的发展，人们开始将电磁搅拌应用于连 铸过程之中，以利用强制流体流动来控制凝固过程，从而将电磁场控制技术与 冶金技术相结合，形成电磁冶金技术。此后经过十多年的探索、研究以及经验 积累，8 0 年代初，在电磁场理论、流体力学理论及冶金学等交叉学科的基础上， 2 上海大学硕士学位论文 创立了“磁流体动力学”学科，并于1 9 8 2 年9 月在剑桥大学召开了主题为“磁 流体动力学在冶金中的应用”的国际学术会议。随后，日本钢铁冶金协会率先 于1 9 8 5 年成立了材料电磁加工委员会，美国、前苏联等欧美国家也相继开展了 该方面的研究工作，从此在电磁冶金领域展开了国际性学术研究，先后在日本、 法国和中国等国家召开了四次国际研讨会。 我国从6 0 年代开始就进行了该领域的研究，特别是在2 0 世纪8 0 年代以后， 我国的高等院校和科研院所也相继开展了这方面的研究，把电磁场引入到实际 铸造生产过程中，同时对电磁场作用下的凝固、电磁铸造、电磁搅拌和电磁离 心铸造等新技术开展了研究。 经过多年的发展，金属电磁凝固控制技术己形成了多学科交叉、工艺手 段繁多、应用领域广泛的体系。如图1 - 1 材料电磁工艺树所示： 图1 - 1 材料电磁工艺树 7 】 1 3 金属在电磁场中的凝固 金属在外加电磁场中凝固时，其凝固过程和凝固行为将发生较大变化。 根据金属凝固的具体条件不同，电磁场对金属材料的作用也有区别。根据电 磁场作用于熔体的形式，本文将从电场、磁场、电磁复合场三个方向进行介 绍。 上海大学硕士学位论文 1 3 1 金属在电场中的凝固 金属电场中的凝固的研究起步较晚，并且不同研究者的成果之间尚存在 诸多争议。目前，金属凝固过程的电场控制技术主要有两种：一是连续电场， 利用这种方法可以在金属熔体中产生连续不断的电流作用；二是脉冲电场， 这种方法是指在金属凝固过程中施加不同频率的电脉冲。近几十年的研究表 明，金属凝固过程施加电场可以明显的改变金属的凝固组织和性能。 ( 1 ) 金属在连续电场中的凝固 2 0 世纪6 0 年代，w g p f a n n t 8 】首先在金属凝固的过程中导入电场，进 行了液态下金属传输行为的研究。随后，v a s h c h e n k o i 9 1 在铸模和铸件上分别 置一电极，在金属凝固过程中通以直流电，结果发现：电流可以增加溶质原 子的迁移性，从而导致凝固的形核率提高、过冷度增加，最终影响铸件的凝 固组织。 8 0 年代中期，印度学者m i s r a 1 0 】对p b 1 5 s b 7 s n 合金及铸铁通以直 流电流，通过对凝固过程和凝固组织的研究发现，在电场作用下，凝固的显 微组织被明显细化，相分布比较均匀，形成一种近似变质组织，如图1 - 2 所 示，但m i s r a 没有解释这种现象的原因。随后，m i s r a t 1 又研究了n i m g 耐 磨铸铁在电流下的凝固，发现电流作用致使石墨数量减少而珠光体组织的数 量增加。 ab 图1 - 2 直流电场对p b s b s n 合金凝固组织的影响【1 0 1 a 无电场处理；b 施加电场处理 1 9 8 7 年，m c f l e m i n g s 挖】对开始凝固的金属进行高电压大电流过电，结 果发现凝固组织显著被细化。a h m e d 等d 3 】人在镍基高温合金的定向凝固过 4 上海大学硕士学位论文 程也施加直流电流，发现镍基超耐热合金组织被细化，强化相y 在y 相基 体上均匀弥散分布，且形态呈细小的球状颗粒。 国内的部分学者也对金属在电场中的胞枝晶生长展开了较多的研究。 李辉等【1 4 1 人研究了铝硅亚共晶合金在电场中的凝固，发现初生的c i a i 组织 由粗大逐渐变细，最后几乎为颗粒状，其抗拉强度和延伸率均大幅提高。李 万锋、王劲等【”以6 1 都曾做直流电对合金凝固组织的影响的研究，发现直流 电流的加入都一定程度上减小了枝晶间距，促进了树枝晶向球状晶的转变。 常国威、黄立国等 1 7 - 1 8 1 人在a 1 c u 共晶合金凝固过程中施加直流电流， 发现电流作用改变了共晶晶粒尺寸和层片间距，并随着电流密度的增加，柱 状晶间距近似线性下降，而且与理论计算值的变化趋势相同。 ( 2 ) 金属在脉冲电场中的凝固 1 9 9 0 年，n a k a d a 等人首先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，并提出了p e d ( p u l s ee l e c t r i cd i s c h a r g i n g ) 法，即在液态金属凝固初期施加足够高的脉冲电压或者电流，会引起凝固组 织的变化，这种影响金属凝固组织的方法被称为p e d 法。通过研究发现， 适宜的电脉冲引起宏观组织从粗大的树枝晶向细小的等轴晶转变，促使显微 组织中先共晶相从枝晶状向颗粒状转化，并且颗粒状组织的数量随着脉冲电 压的提高而增加。 李建明等【2 0 】利用脉冲电场研究了p b 6 0 s n 合金的凝固过程，他们分 别利用了大容量脉冲放电和连续高压小电容脉冲放电两种电脉冲条件，通过 电流对凝固过程中固、液两相化学位的影响得知：电场引起化学位的降低， 相变所需要的驱动力减小，因而导致凝固需要的过冷度也减小，这相当于增 加了形核率，最终形成细小的共晶组织。 h c o n r a d 等【2 1 1 人对s n 4 0 p b 和s n 3 7 p b 合金在电脉冲下的凝固进 行了研究。电脉冲被施加于凝固的全过程中，结果发现，由于电脉冲的作用， 液态金属的过冷度绝对值增大，共晶团尺寸显著减小，凝固组织的晶粒度随 脉冲电流密度的增加而减小。 上海大学硕士学位论文 东北大学訾炳涛、班春燕等 2 2 之4 】研究了脉冲电流作用下铝合金凝固组 织演变规律，并进一步给出了关于脉冲电流细化金属凝固组织的解释。 他们通过对纯铝和几种铝合金( 2 0 2 4 铝、l y l 2 、a 1 5 3 z n ) 的研究， 发现强脉冲电流的加入可以明显地细化金属的凝固组织，并随着脉冲电流电 流强度的增加，试样平均晶粒尺寸逐渐减小，如图1 3 所示。他们认为造成 凝固组织细化的原因是：脉冲电流作用造成熔体的剧烈强迫对流，对流促进 了晶粒从型壁上的游离，从而增加了熔体内部的形核率，进而细化液态金属 的凝固组织。同时，他们也发现，脉冲电流的加入一定程度上改善了合金内 部的成分偏析现象。 釜 专 芴 ，曼 芒 o 芒 缸 主 m a xp e a ko fp u l s e dc u r r e n t a c f f l 。2 图1 - 3 峰值电流强度对平均晶粒尺寸的影响【2 2 】 王建中等【2 5 1 人采用脉冲电流对不同金属凝固过程进行孕育处理，即在 液态金属开始形核之前施加脉冲电流处理，结果发现，脉冲电流的引入一定 程度上增加了等轴晶区的面积，细化了金属的凝固组织，并发现孕育时间对 凝固组织的影响不大。 范金辉、廖希亮、方燕等【2 6 珊1 对纯铝、纯铜、不锈钢等在大能量脉冲 电场下的凝固迸行了系统的研究。 通过不同凝固特性的金属材料在脉冲电流处理后凝固组织和凝固过程 的对比，他们发现脉冲电流改变了金属的凝固方式，使金属趋于体积凝固； 纯铝凝固组织由粗大的柱状晶转变为细小的等轴晶，并随电流峰值的增加， 6 上海大学硕士学位论文 细化效果越趋明显，而且在纯铝凝固过程的不同阶段施加脉冲电流处理，得 到完全不同的效果，其中在高温液相区处理效果最好；对纯铜的凝固过程的 研究发现，由于金属自身性质的影响，脉冲电流的细化效果不明显；对于高 温合金的不锈钢的研究中，发现脉冲电流处理可以缩短奥氏体一次枝晶长 度，减小二次枝晶间距，从而细化和改善不锈钢凝固组织。 依据实验结果，他们给出了脉冲电流细化金属凝固组织的机制：脉冲电 流引起的电磁振动和焦耳热效应造成的晶粒熔断、破碎、游离和增殖是金属 凝固组织细化的重要原因。 ab 图1 - 4 脉冲电流对纯铝凝固组织的影响【2 8 】 a 未处n ；b 脉冲电流处理 1 3 2 金属在磁场中的凝固 ( 1 ) 金属在连续磁场中的凝固 大量的研究发现，稳恒磁场下，金属的流动会受到磁场的抑制作用，进 而可以影响金属的凝固组织。u h l m a n n 等2 9 0 0 】人研究了直流磁场对a i c u 合金凝固组织的影响，发现无磁场作用时凝固组织为等轴晶，而施加直流磁 场( 0 2 t ) 时，凝固组织反而成为较大的柱状晶。a s a is 和u m e d at 等【3 2 】 人的研究也同样认为，在金属凝固过程中，单一施加直流磁场无助于细小等 轴晶的获得。 7 上海大学硕士学位论文 王艳掣3 3 l 研究了在直流磁场下，a 1 1 8 s i 合金在定向凝固时形成富s i 特 殊表面的现象。结果如图卜5 所示。 罨 耋 i 坤_ k 蝴酾妇幛毗t 图1 - 5 不同磁感应强度下基体中心部位s i 含量的分布平均值口3 1 班春燕等【3 4 】研究了a i c u 合金在直流磁场下的凝固现象，发现合金液 相线温度和固相线温度均有所降低，结晶温度间隔变大，而且随磁场强度的 增强，其变化幅度也增大，纯铝的熔点随直流磁场强度的增加而降低。 c h a r l e s v i v e s 【3 5 1 做了稳恒磁场对a 3 5 7 铝合金的凝固过程的影响的研究。 结果发现：经磁场处理后，铸件顶部的组织球状颗粒，是破碎的树枝晶和团簇， 而铸件的底部则仍是由a 1 s i 共晶体组成。 旋转或者交变磁场也是金属材料加工制备的重要手段之一【3 6 1 。早在1 9 6 5 年，w c j o h n s o n 等就对磁场作用下的金属凝固进行了试验研究。结果发现， 对正在凝固的金属施加一个交变磁场后，可以减小等轴晶区内的晶粒尺寸，同 时还可以减小柱状晶区的相对体积。1 9 8 3 年，e 1 b a s s y o u n it a 用实验证明， 单一的交变磁场可以明显的细化晶粒。 王红霞【3 7 】用旋转磁场研究了磁场对p b s n s b 三元合金的凝固过程的影响。 研究发现旋转磁场不仅可以改善甚至可以消除p b s n - s b 三元合金的比重偏析， 还能细化合金晶粒，且随着激磁电压的增大，试样上下截面的s n s b 块分布越 均匀，晶粒越小。 徐林等人对旋转磁场下s n s b 合金的凝固行为进行了研究，他们通过测 量的冷却曲线得到了旋转磁场对合金的三个方面的应用：( 1 ) 搅拌对合金液起到 了散热的作用；( 2 ) 产生涡流，对枝晶生长有加热作用；( 3 ) 使液态合金冲刷型 上海大学硕士学位论文 壁，靠近型壁的枝晶被冲击、熔断、脱落，生长有一定的缓解作用，但是促进 了形核。 ( 2 ) 金属在脉冲磁场中的凝固 脉冲磁场技术是在最近几十年才成为现代科学研究的热门课题，但是已经 在冶金、医学、化工、航天等领域开拓了其独特的天地。 1 9 8 9 年，葛丰德掣3 9 1 以a 1 s i 合金为例，研究了脉冲磁场的作用，证实了 单一的脉动磁场也能明显细化晶粒。 訾炳涛等 4 0 - 4 2 1 也作过该方面的研究。他们首次提出用强脉冲磁场细化金属 凝固组织的技术。他们利用高电压脉冲发生器，在线圈内产生强脉冲磁场，然 后将铝合金( l y l 2 ) 装入圆柱形陶瓷管中，加热至熔化，在高于熔点8 0 0 的温度 保温1 0 分钟，当金属熔体冷至液相线以下时，开始脉冲磁场处理，约半分钟一 次，直至试样冷至固相线以下完全凝固成铸锭为止。 图卜6 试样微观组织 a 未处理：b 一脉冲磁场处理 结果发现经强脉冲磁场处理，凝固后的组织明显细化，树枝晶被折断，如 图1 6 所示。而且随着脉冲磁场的增加，晶粒的平均尺寸逐渐减小，树枝晶逐 步消失，组织也变得更加均匀。 李秋书等叫系统研究了强脉冲磁场下纯铝、不锈钢的凝固行为和组织变化 机理。通过大量实验得出，脉冲磁场可以明显的细化纯铝凝固组织，并大幅缩 短纯铝的凝固时间，提高凝固温度，并得到了纯铝平均晶粒尺寸和脉冲磁场强 9 上海大学硕士学位论文 度间的关系，建立了脉冲磁场凝固处理和脉冲磁场全程处理工艺条件的磁场强 度与凝固时问的关系式。 通过对脉冲磁场下奥氏体不锈钢普通凝固和定向凝固的研究发现，脉冲磁 场在一定强度范围内对奥氏体不锈钢凝固组织细化具有显著效果，磁场强度过 小或者过大都不利于组织细化；脉冲磁场可以改变不锈钢定向凝固过程中晶粒 的数量和晶体形貌，可以加速固液界面由平面一胞晶一胞状枝晶的转化，并提 出了脉冲磁场细化凝固组织的“磁致增殖”、“磁致成分过冷”等理论模型， 对脉冲磁场下金属凝固组织变化机理给出了解释。 a b 图1 7 脉冲磁场作用下不锈钢凝固组织4 3 】 a - 未处理；b 脉冲磁场处理 ( 3 ) 金属在强磁场中的凝固 随着超低温技术和超导技术的发展，强磁场的获得日趋便利，强磁场技术 的发展和强磁场下金属凝固理论和应用的研究也逐渐受到世界范围内的关注。 o h t s u k a 等【删研究了1 0 t 强磁场下f o - 0 4 c 钢、f e - i 5m n 0 1c 0 0 5 n b 钢的铁素体转变以及f e - i 3 m n 1 0 c 钢、f e - 0 8 c 钢的珠光体转变。强磁场作 用使得奥氏体、铁素体的转变温度被提高，并显著提高了中碳钢中铁素体的分 数，而抑制了共熔体钢中的渗碳体的析出。 1 0 上海大学硕士学位论文 王强等【4 5 研究了强磁场作用下铝合金的凝固过程，发现强磁场对析出的初 晶硅的运动行为有显著影响，改变磁场强度和磁场梯度的大小和方向可以有效 控制初晶硅的分布情况，而且通过利用强磁场和磁化力可以细化共晶硅；如图 1 - 8 所示，铝合金中c u 元素和m g 元素在a o a i 基体晶粒内和晶界上的分布变 化规律相反，c u 元素和m g 元素在铝基体上含量和分布状态也随磁场梯度的不 同而变化。 图1 - 8 合金在b d b d 剐t 2 m ，1 3 = 8 8 t 时凝同显微组织” a - a l - c u 合金；b - a 1 - m g 合金 连峰等】研究了强磁场对铝硅合金中初晶硅分布的影响。发现不施加强磁 场条件下，凝固组织中的初晶s i 相集中在试样周边附近，试样中心处为共晶组 织，施加强磁场条件下，凝固组织中的初晶s i 相分布在整个试样中，试样中的 初晶s i 的尺寸比没有被旆加强磁场的试样中的初晶s i 尺寸大。 任忠鸣等 4 7 - 4 8 1 对强磁场的取向作用进行了较多的研究。通过对a 1 ( 8 1 2 ) n i 合金凝固过程施加1 0 t 的强磁场，发现加磁场后纤维状初生相舢3 n i 在 垂直于磁场方向的平面上定向排列聚集，形成层间距相同的分层组织；a 1 3 n i 晶体产生取向，其 晶向转向磁场方向，并且当磁感应强度和温度提高到一 定值时，初生相的取向显著增加。 上海大学硕士学位论文 图1 - 9 强磁场下a 1 3 n i 取向组织示意图一1 1 3 3 金属在复合场中的凝固 人们已经认识到直流磁场能够抑制液态金属的流动，因为磁场对运动的导 体可以产生反向力，而其它物理场，如电场、脉冲磁场等则会促进液态金属在 型腔内的流动，那么如果两种不同的物理场进行复合，其结果是促进还是抑制 液态金属的流动? 其内部的液态金属的凝固过程会有什么样的不同? 这些也是 当前研究的热点问题【4 9 1 。 c r o s s l e y 等【删对直流磁场与直流电流交互作用下的a 1 n i 合金凝固过程和凝 固组织进行了研究。结果发现，复合场作用可使合金的宏观凝固组织由原来的柱 状晶变成细小的等轴晶；c o l e 等【5 1 】人也在实验中发现，直流磁场与电流的交互作 用使熔体产生强制对流，该对流不仅细化了凝固组织，还使液态金属的降温速率 增加。 a s a i 等吲采用直流磁场+ 电流的复合场对s n 一1 0 p b 合金进行了研究，发现 如果使用电磁力强化熔体流动，则可获得等轴晶组织；反之，如果抑制金属熔体 的流动，则可显著强化宏观柱状晶组织。m o r a n d o 等5 3 3 则发现柱状晶向等轴晶转 化不仅受到熔体对流的影响，而且还受到铸件尺寸和过热度等因素的影响。 v i v c s 等 矧人研究了直流磁场和交变磁场共同作用对多种铝合金凝固过程的 影响，结果发现在连铸过程中，这种复合磁场能够细化晶粒，但其细化效果不如 单独使用交变磁场的细化效果好。 1 2 上海大学硕士学位论文 崔建忠等1 5 5 1 也是通过施加稳恒磁场+ 交变磁场的复合场对7 0 7 5 铝合金半连 铸过程进行研究。发现复合场中获得的铝合金晶粒尺寸较c r e m 法的小，且随着 复合场的强度增加和频率降低，铸锭整体尺寸变得更加细小和均匀。他们认为细 化的原因是由于复合场产生的电磁振荡所起的搅拌作用使得晶粒从结晶器壁游 离，客观上增加了形核数。 图1 1 0 铸锭的微观组织随复合场强度的变化规律 5 5 1 a - 5 1 ( a 。t ：b 7 5 k a t c - l o k a t ；d - l o k a 。tw i t h o u ts t a t i o n a r ym a g n e t i cf i e l d 张伟强、裴延玲等”6 1 研究了直流磁场+ 交变电场的复合场对a 1 s i 、a i c u 合 金凝固组织的影响规律。结果发现，在一定范围内，随着电流密度和磁场强度的 增加，铸件宏观组织得到明显细化，晶粒尺寸逐渐减小；共晶硅相间距减小。 上海大学硕士学位论文 a - 未处理 b 电磁压强2 6 2 4 p a ，电流密度0 a 2 7 a m m 2 ，磁感应强度0 2 0 t 图卜1 1 直流磁场和交变电场复合场作用下共晶硅组织形貌”1 1 4 本课题研究内容及研究意义 2 1 世纪是环保、节能的世纪，所以如何更有效的利用资源、减少污染和提 高材料制备、加工过程的技术水平是我们材料行业所必须要面对的重要课题， 也正是所有材料行业工作者所追求的目标。从以前的研究我们已经知道，电流、 磁场和超声波等物理场对金属的凝固组织有明显的细化作用，而且这些工艺与 传统的加工工艺相比，可以尽可能的减少环境的污染，同时提高金属材料加工 过程的生产效率，所以随着社会的发展、技术的进步，这些物理场下制备高性 能的金属材料的技术必将受到广泛的关注，并很快的应用于材料、冶金领域。 但是由于人们对这些物理场的认识、研究的时间相对还比较短，特别是对于 物理场处理下金属凝固组织细化的机制还没有统一、明确的认识，所以为了继续 探索外场处理影响金属凝固行为的机制，我们提出了一种简单、有效的外场处理 技术，并对该机制进行研究。 本课题组长期致力于外场下金属凝固行为的研究，对于超声波、脉冲磁场、 脉冲电流等外场处理技术有比较全面的认识。在实际的实验研究过程中我们发 现，在金属熔体凝固过程施加超声波、脉冲磁场、脉冲电流等外场处理，金属的 1 4 上海大学硕士学位论文 凝固组织都有不同程度的改善，其中以超声波处理效果最为显著，所以我们认为， 只要在金属熔体的表面施加一种较大强度的振荡，熔体的凝固组织就可以得到有 效的改善。同时为了避免由于超声处理时须在熔体中置入超声探头的不便，我们 提出了磁致振荡技术。 磁致振荡技术是通过对熔体施加高频脉冲强磁场，从而在金属熔体表层激发 趋肤电流，通过电流、磁场的复合作用而在熔体表面产生脉冲频率的电磁力，进 而由此电磁力在熔体表层激发振荡。由于该技术是采用高频的脉冲强磁场，利用 金属熔体的趋肤效应，使得熔体内的激发电流主要存在于熔体表层，从而使振荡 处理的作用区域减小并明确，而且该技术只需在熔体外放置一个磁致线圈既可实 现，不需要与熔体直接接触，所以其可以在较高熔点的合金上应用，这样就可以 实现对于多种金属熔体的有效处理。 本研究主要解决两方面的问题：( 1 ) 研究磁致振荡细化金属凝固组织的可 能性，并找出磁致振荡参数对于金属凝固组织的影响规律；( 2 ) 初步探索磁致 振荡影响金属凝固组织的机理。 我们相信，由于磁致振荡技术可以在简便的设备上实现脉冲强磁场，进而实 现在功率较低的设备上输出间歇式的大能量，所以比起其它外场，磁致振荡实现 起来更容易，而且更节能、高效，所以也必将有更为广阔的应用前景。 1 5 上海大学硕士学位论文 第二章实验方案及设备 本章首先介绍磁致振荡技术，分别对其产生原理、产生方法以及磁致振荡 影响金属凝固行为的主要方式进行介绍，然后对实验所要采用的主要设备和方 案进行说明。 2 1 磁致振荡 磁致振荡技术是根据法拉第电磁感应理论，利用脉冲电流的趋肤效应，通 过磁致振荡线圈在金属熔体表面上施加高频脉冲强磁场，在金属熔体的表层产 生高频的感应脉冲电流。此时施加在熔体上的脉冲磁场与由脉冲磁场变化引起 的熔体表面的感应脉冲电流之间自交互作用，从而在熔体表层产生脉冲电磁力， 这种脉冲电磁力引起熔体表层强烈的振荡，称之为磁致振荡。磁致振荡是通过 振荡产生的机械振动在熔体中的传播来对金属凝固过程产生影响。 2 1 1 趋肤效应【5 7 j 在直流电路里，均匀导线横截面上的电流密度是均匀的，但在交流和脉冲 电路里，随着频率的增加，在导线截面上的电流分布越来越向导线表面集中， 如图2 1 所示。 1 6 上海大学硕士学位论文 图2 - 1 趋肤效应现象 轫 图为一根半径r = 0 1 厘米的铜导线横截面上的电流密度分布随频率变化 的情况图示，从中可以看出，在频率为l k h z 的情况下，导线轴线和表面附近 电流密度的差别不算很大，但是，当频率增加到1 0 0 k h z 时，电流已经很明显 地集中到表面附近，导线轴线处与表面电流密度呈现明显差距，这种现象就叫 做趋肤效应。 本质上讲，趋肤效应是衰减电磁波向导体内传播引起的。为说明其产生过 程，可假设如图2 2 所示。 图2 - 2 趋肤效应原理图1 5 7 1 1 7 上海大学硕士学位论文 当一根导线中有电流i o 通过时，会在其周围产生环形磁场b ，当i o 变化时， b 也跟着变化，变化的磁场在导体内产生感应电动势8 和涡流i l ，此时分析涡 流i i 和原电流i o 的瞬时方向，可以看出，在一个周期的大部分时间里，轴线附 近i l 和1 0 的方向相反，表面附近i i 和b 方向相同，根据安培力计算规律，两同 向电流间的力为引力，两反向电流间的力为斥力，所以，电荷会逐渐的向表面 汇集，从而造成导线横截面上电流密度的分布是边缘大于中心，于是就产生了 趋肤效应。 定量描述趋肤效应的概念时，通常采用趋肤深度的概念。令d 代表从导体 表面算起的深度，计算表明，电流密度随深度d 的增加按指数规律衰减： j = j o e - 4 m ( 2 1 ) 其中j o 代表导体表面的电流密度，d ，是一个具有长度量纲的量，它代 表电流密度，减d , n y o 的3 7 时的深度，口q 做趋肤深度。理论计算表明，趋肤 深度可以由下式决定： 以2 岛2 嚣 协：， 其中t 是趋肤深度，是电流频率，是金属磁导率，仃是金属电导率。 2 1 2 磁致振荡方法 本文通过对金属熔体施加高频率的脉冲强磁场而产生熔体表层的振荡。如 图2 3 所示，对环置在金属熔体的磁致线圈通以高频脉冲电流，磁致线圈会在 金属熔体上产生一个高速变化的磁场b o ，高速变化的磁场进而在熔体内产生高 频的感应电流i 。，由于感应脉冲电流的趋肤效应，感应脉冲电流将主要存在于 熔体表层比较浅的一个区域，这时，在熔体表层区域将同时存在脉冲磁场和感 应脉冲电流，两者的复合作用会在熔体的表面产生电磁力，力的方向将垂直于 熔体表面。 上海大学硕士学位论文 图2 3 磁致振荡示意图 磁致振荡技术区别于其它技术的关键就是实验中熔体上感生电流主要存在 的厚度很小，即对于熔体的有效作用区域很小而且明确。对于我们实验用材料 工业纯铝( 9 9 7 a 1 ) ，其为非磁性物质，所以。l ，如果实验中电源输出脉冲 电流的振荡频率1 = 7 1 4x 1 0 3h z ，又知7 0 0 时金属铝的电导率盯= 4 x 1 0 6 ( q 所) - 1将参数代入式2 - 2 得d 29 8 x 1 0 。m ，即7 0 0 时脉冲磁场产生 ， 的电流主要集中于金属熔体表层3 m m 的区域。而且在其它参数确定的条件下， 趋肤深度的平方与金属电导率成反比，所以，当熔体温度低于7 0 0 c 时，金属 电导率更大，熔体的趋肤深度更小，由此可以得出，在对金属熔体处理的过程 中，非趋肤层熔体内部电流密度很小，因此可以认为此时对熔体的作用是另外 一种外场形式磁致振荡。 我们在实验中需要引入高频率的脉冲电流( 7 k h z ) ，但是为了便于实验研 究，以达到对实验参数的可控，实验中采用延时继电器进行可控放电，即有效 地控制并改变其作用于熔体上的处理频率，如图2 - 4 所示。 1 9 上海大学硕士学位论文 0 “s 图2 _ 4 振荡周期与处理周期示意图 t 为振荡对熔体的处理周期 t 2 为电源输出脉冲电流的振荡周期 图2 - 4 中t 2 为脉冲电源输出的脉冲电流的振荡周期，根据电磁感应理论， 之后的感应脉冲磁场以及感应脉冲趋肤电流的周期都为此周期，而t - 是为了方 便研究，由外加可控装置调整后电源装置对熔体进行振荡处理的周期。t l 在数 值上远大于t 2 。 2 1 3 磁致振荡电磁力 磁致振荡的电磁力是影响金属凝固组织的直接原因，所以为方便研究磁致 振荡技术对金属凝固组织的影响规律，先对磁致振荡电磁力进行讨论。 如图2 5 所示，脉冲电源放电时，会在熔体环置的磁致线圈内产生脉冲电 流，此脉冲电流会在线圈内感生脉冲磁场口，根据前面讨论过的趋肤效应的原 理，此时金属熔体内产生脉冲电流 ，磁场与脉冲电流相互作用，产生洛伦兹 力： l = b x j t ( 2 3 ) 上海大学硕士学位论文 zt i 图2 - f i 磁致振荡电磁力 根据麦克斯韦方程v x b 2 肌丘可得 z = ( v 否) 胁 将式2 - 4 代入式2 - 3 得 ( 2 - - 4 ) 7 = 秀了= = ( v 否) 玑 = ( 面v ) - 胁一v 曰2 2 肺 = v ( 否秀) 肚一v 2 崩o = v “ ( 2 5 ) 式2 5中于= ( 否否一曰2 ；2 ) 鳓是麦克斯韦应力张量的磁场部分，硒是真 空磁导率，。f f + ，+ 船为单位并失。考虑体积，对式2 - 5 进行积分可得 ! l a y 2 烀于) d 矿2 p 弧21 私 ( 2 6 ) 其中夏= p ( 否；) 一曰2 衫2 厶为作用在单位法向矢量为五的面元上的磁 应力，若假设平行于磁场方向的单位矢量为占，则2 - 6 式可以变成 2 1 上海大学硕士学位论文 膨矿= i b 2 2 风( 一矗净+ i b 2 胁占c o s 0 d s ， ( 2 - 7 ) 其中疗为b 与n 的夹角。从式2 7 可以看出，洛伦兹力作用效果可以等效的 看成是与磁场方向垂直的力b 2 2 9 0 和与磁场方向平行的力曰2 i o 之和。对于 本次实验中的圆柱型试样，单位法向量n 始终垂至于磁场方向，所以2 7 式中 等式右面的第二项取值为0 ，因此脉冲磁场产生的磁压力可以等效为一个与h 同 向的b 2 2 的作用，积分结果为： 容。 p ：旦s 2 a o 根据载流螺线管内磁场强度的定义，磁致线圈内磁感应强度为 b = h 相 所以，把式2 - 9 代入式2 8 ，可以得到电磁压力的表达式为 p ：业z s 根据欠阻尼情况下振荡回路电流表达式 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 - l o ) 。格居哪m 瓜) m 瓜矧 ， 口：墨、瓦 其中 2 。 ，l 为放电电路电感，u o 为放电电路电压，c 为放电电路电 上海大学硕士学位论文 把式2 1 1 代入式2 1 0 得 p ：竺竺笪竺坚( ! 壶l 肚1 乖丁上坐s ( 2 - 1 2 ) 考虑到线圈电阻较小，同时计算脉冲磁场最大时磁致振荡磁压力的表达式 可简化为： p ：苎! ：篮s 2 l ( 2 1 3 ) 该电磁压力可以用来描述磁致振荡的强度，可见磁致振荡强度与振荡电路 电压、电容有关，随振荡电压的增大而增大。 2 2 实验方案 2 2 1 实验材料选择 为了研究磁致振荡细化金属凝固组织的规律，本文选择工业纯铝( 9 9 7 a 1 ) 为实验材料。纯铝具有大的结晶潜热，有比较长的凝固时间，这样可以保证磁 致振荡的作用效果。同时，铝是顺磁性材料，在整个磁致振荡处理过程中，纯 铝都处于磁场中，并由脉冲磁场激发磁致振荡。而且纯铝熔点比较低，便于进 行实验。纯铝广泛应用于生产、生活中，特别是在电力行业有广泛的应用，因 此细化纯铝凝固组织有一定的实际意义。 本文采用s n - 0 4 s b 合金( 本文中后面出现的s n - s b 合金均为此成分) 来 研究磁致振荡对金属溶质宏观偏析的影响规律。s n 1 0 4 s b 合金具有非常明显 的宏观偏析现象，特别是比重偏析十分严重，同时s n - 1 0 4 s b 合金