（材料学专业论文）磁场对alcu合金凝固过程影响的研究.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 磁场对a i - c u 合金凝固过程影响的研究 摘要 本文采用电阻法测定了a 1 2 0 6 2 c u 、a i - 2 6 1 2 c u 、a 1 3 2 8 8 c u 三种铝合金在直 流或交流磁场作用下的液相线温度、固相线温度以及结晶温度间隔的变化规律。 直流磁场作用下这三种合金的液相线温度和固相线温度都降低，结晶温度间隔有 增大趋势；交流磁场作用下a 1 2 0 6 2 c u 和a 1 2 6 1 2 c u 合金的液相线和固相线温度 均有所升高，结晶温度间隔均变小，其中较低频的磁场作用效果明显。但交流磁 场对接近共晶成份的a i 一3 2 8 8 c u 合金的液相线、固相线温度和结晶温度间隔都没 有影响。实验分析认为：直流磁场作用下使结晶必须的过冷度增加；交流磁场作 用在金属熔体内产生磁压强提高了理论结晶温度并使金属熔体结晶必须的过冷度 降低。 本实验采取淬火方法来研究磁场对a 1 2 0 6 2 c u 和a 1 3 0 1 c u 凝固过程的影响。 实验方法是，在a 1 2 0 6 2 c u 和a 1 3 0 1 c u 合金的凝固过程中分别施加直流磁场和 交流磁场，并对各个试样分别在不同温度下淬火，利用金相显微镜来观察凝固组 织。实验结果表明，a l 一2 0 6 2 c u 和a l 一3 0 1 c u 合金在液相线温度以上淬火到室温， 磁场作用对合金显微组织的形貌未产生明显影响。对于a l 一2 0 6 2 c u 合金淬火所得 宏观组织，液相线温度以上的合金熔体无磁场作用时，随着淬火温度的逐渐下降， 晶粒尺寸变化不大，但在交流或直流磁场作用下，晶粒的尺寸会随着淬火湿度的 下降而变小。对a l 一2 0 6 2 c u 合金在5 2 0 淬火的凝固过程来讲，无磁场作用下凝 固得到的样品，其共晶组织为典型的层片状，在直流磁场作用下形成的共晶组织 的片层变细小，在交流磁场作用下形成的共晶组织呈球状。这说明，施加不同的 类型的磁场对共晶组织形貌是有影响的。从a 1 2 0 6 2 c u 和a l 一3 0 1 c u 合金凝固过 程中不同阶段淬火试样的显微组织来看，直流磁场使液相线温度、固相线温度降 低，交流磁场使液相线温度、固相线温度升高。这和用电阻法测量得到的结论是 相符的。 研究了磁场对a l 一2 0 6 2 c u 合金微观结构和成分分布的影响。通过对样品的x 射线衍射图的分析，发现和不加磁场情况下相比，磁场没有改变样品的物相组成， 仍为d a i 和c u a l 2 相。同时还计算了各样品中n a 1 的晶格常数，计算结果表明， 施加磁场的样品的晶格常数比无磁场的要小，说明磁场作用下被c u 取代的a 1 原 子数增多了，即c u 在a a i 中的溶解度增大了。此外，利用能谱分析对样品作微 区成分分析，结果表明，与未加磁场相比，磁场作用下的样品a a 1 中含c u 量较 i i 东北大学硕士学位论文摘要 高，这与分析晶格常数时所得的结果完全一致。所以，磁场作用促进了c u 在a a i 中的溶解。指出对于磁场作用下凝固得到的a a 1 来讲，磁场作用可能使溶质粒子 对基体铝产生了相对运动，这种运动增强了溶质粒子在基体铝中的扩散，从而导 致了溶质在n a 1 中溶解度的增加。 关键词：a l - c u 合金磁场液相线温度固相线温度凝固组织微观结构 溶解度 h i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t u d y o ns o l i d i f i c a t i o no fa l c u a l l o yu n d e r m a g n e t i c f i e l d s a b s t r a c t t h e l i q u i d u st e m p e r a t u r e ， s o l i d u s t e m p e r a t u r ea n ds o l i d i f i e a t i o n i n t e r v a lo f a l 一2 0 6 2 c u a 1 2 6 1 2 c ua n da 1 3 2 8 8 c ua l l o y sw e r ed e t e r m i n e db y t e s t i n gt h ec h a n g e o ft h er e s i s t a n c eo ft h e s ea l l o y ss o l i d i f i e du n d e ra na co rd cm a g n e t i cf i e l d s w h e n t h e s ea l l o y ss o l i d i f i e du n d e rad c m a g n e t i cf i e l d ，t h e i rl i q u i d u sa n d s o l i d u st e m p e r a t u r e d e c r e a s e d ，a n dt h es o l i d i f i c a t i o ni n t e r v a lh a sat e n d e n c yt ob e c a m eb i g g e r w h e nt h e a 1 2 0 6 2 c ua n da 1 - 2 6 1 2 c ua l l o y ss o l i d i f i e du n d e ra l la c m a g n e t i cf i e l d t h el i q u i d u s t e m p e r a t u r ea n ds o l i d u st e m p e r a t u r eo ft h et w oa l l o y si n c r e a s e d ，t h e s o l i d i f i c a t i o n i n t e r v a ld e c r e a s e d u n d e ra na c m a g n e t i cf i e l dw i 吐1d i f f e r e n tf r e q u e n c i e s i tw a s f o u n d t h a tt h el o w e rt h ef r e q u e n c y , t h el a r g e rt h ee f f e c to f a c m a g n e t i cf i e l d a c c o r d i n gt ot h e a l - 3 2 8 8 c ua l l o y , t h ec o m p o s i t i o no fw h i c hi sn e a rt h ee u t e c t i c c o m p o s i t i o n t h e m a g n e t i cf i e l d s h a sn oe f f e c to nt h e l i q u i d u st e m p e r a t u r e ，s o l i d u st e m p e r a t u r ea n d s o l i d i f i c a t i o ni n t e r v a l i tw a sp u tf o r w a r dt h a tt h ed e g r e eo fs u p e r c o o l i n gr e q u i r e df o r c r y s t a l l i z a t i o nd e c r e a s e su n d e r ad c m a g n e t i cf i e l db u ti n c r e a s e su n d e ra na cm a g n e t i c f i e l d s ，t h em a g n e t i cp r e s s u r et h a tp r o d u c e db ya l la cm a g n e t i cf i e l d m a k e st h e t h e o r e t i c a lc r y s t a l l i z i n gp o i n ti n c r e a s e d q u e n c h i n g m e t h o dh a sb e e n f i r s t l yu s e d t os t u d yt h ep r o c e s s i n go f s o l i d i f i c a t i o no f a l 一2 0 6 2 c ua n da 1 - 3 0 1c u a l l o yu n d e rm a g n e t i cf i e l d s t h ea c o rd c m a g n e t i cf i e l d s w a sa p p l i e d d u r i n g t h es o l i d i f i c a t i o na n dt h e s a m p l e s w e r eq u e n c h e da td i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s ，t h e nt h e s o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r e sw e r es t u d i e db yu s i n gm e t a l l o g r a p h i c m i c r o s c o p e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h e r ew a s n os i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo f t h em a g n e t i cf i e l du p o nt h ep a t t e mo ft h em i c r o s c o p i cs t r u c t u r eo fa 1 2 0 6 2 c uo r a i 一30 3 c ua l l o y w h e nt h es a m p l eo fa l 一2 0 6 2 c ua l l o yi sq u e n c h e da tt h et e m p e r a t u r e a b o v el i q u i d s ，i tc a nb ef o u n do u tb ya n a l y s e so f t h e g r a p h so f m a c r o s t r u c t u r et h a ta st h e q u e n c h i n gt e m p e r a t u r ed e c r e a s e s ，t h e r ei sl i t t l ec h a n g ei nt h eg r a i ns i z eo f t h es a m p l e w i t h o u tm a g n e t i cf i e l d ，w h i l et h a to ft h es a m p l eu n d e rad c m a g n e t i cf i e l do ra na c m a g n e t i cf i e l db e c o m e s s m a l l e r i tw a sp r o v e dt h a tt h em a g n e t i cf i e l dh a se f f e c to nt h e e u t e c t i c p a t t e r n o ft h ea 1 2 0 6 2 c u a l l o y t h et y p i c a l l yl a m e l l a re u t e c t i cs t r u c t u r ei s i v 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t g a i n e db yb e i n gq u e n c h e da t 5 2 0 。cw i t h o u tm a g n e t i cf i e l d ，b u tb e c o m e st h i n n e ra n d s m a l l e ru n d e rad cm a g n e t i cf i e l d ，e s p e c i a l l y , c h a n g e si n t os p h e r i cs t r u c t u r eu n d e ra a c m a g n e t i cf i e l d b ys t u d yt h em i c r o s t r u c t u r eo f t h ea 1 - 2 0 6 2 c uo ra 1 - 3 0 3 c ua l l o y q u e n c h e dd u r i n gt h es o l i d i f i c a t i o n ，t h ec o n c l u s i o nc a na l s ob em a d e t h a tt h el i q u i d u s a n ds o l i d u st e m p e r a t u r ed e c r e a s e du n d e rad cm a g n e t i cf i e l db u ti n c r e a s e du n d e ra i l a c m a g n e t i cf i e l d t h ei n f l u e n c eo f e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d so nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dt h ec o m p o n e n t d i s t r i b u t i o no fa 1 2 0 6 2 c ua l l o yw e r es t u d i e di nt h i s p a p e r ni s f o u n dt h r o u g ht h e a n a l y s i so fx r a yd i f f r a c t i o np a _ c t e r n st h a tt h ep h a s ec o n s t i t u t i o n so f t h ea l l o ya r en o t i n f l u e n c e db yt h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l d s ，a n dt h ep h a s ec o n s t i t u t i o n so f s a m p l e sa r ea l l q a 1a n dc u a l 2n e i t h e rw i t hm a g n e t i cf i e l d sn o rw i t h o u t t h el a t t i c ec o n s t a n to ft h e s a n a p l ew i t hm a g n e t i cf i e l d si ss m a l l e rt h a nt h a to f t h es a m p l ew i t h o u tm a g n e t i cf i e l d ， w h i c hi n d i c a t e st h a tw i t hm a g n e t i cf i e l dt h ea m o u n to f a lr e p l a c e db yc ui n c r e a s e s ，i e t h es o l u b i l i t yo fc ui na a 1i n c r e a s e s ，t h er e s u l t sf r o mt h ee l e m e n t a n a l y s i sc o n d u c t e d b ys e m ，a l s os u p p o r tt h e c o n c l u s i o nt h a tt h ec o n t e n to fc ui nt h e s a m p l e sw i t h m a g n e t i cf i e l di sh i g h e r , w h i c ha g r e e sw i t h t h er e s u l td e r i v e df r o mt h ea n a l y s i so fl a t t i c e c o n s t a n t s t h e r e f o r e ，i tw a sp u tf o r w a r dt h a tm a g n e t i cf i e l dc a np r o m o t et h ed i s s o l u t i o n o fc ui nq - a 1 t h er e l a t i v em o v e m e n t sb e t w e e ns o l u t ep a r t i c l e sa n da 1m a t r i c e sw e r e p r o d u c e db yt h em a g n e t i cf i e l d ，a n dt h e d i f f u s i o n so fs o l u t e p a r t i c l e s i na 1w e r e e n h a n c e db yt h e s em o v e m e n t s ，w h i c hr e s u l t e di nt h ei n c r e m e n to fs o l i ds o l u b i l i t yi n n a 1 k e y w o r d s ：a 1 - c ua l l o y , m a g n e t i cf i e l d ，l i q u i d u st e m p e r a t u r e ，s o l i d u st e m p e r a t u r e s o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r e s ，m i c r o s t r u c t u r e ，s o l i ds o l u b i l i t y v 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 本人签名： 日期：2 0 0 4 年1 月 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论弟一早三百下匕 1 1 本文研究的目的和意义 材料是制造业的基础，从某种意义上讲，经济的发展取决于材料及其制备过程。 在新的世纪里，能源、材料和环境之间的联系不再被忽略，可持续发展己经成为 关键的问题。材料的电磁过程( 简称e p m ，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 ) 以其不改变材料的原有成分、无污染、无接触、操作方便、效果显著等优点逐渐 成为一极具发展前途的新技术。近1 0 年来e p m 已经成为材料科学和材料制各领 域的重要研究方向，它已从开始的改进传统的工艺发展成为开发新材料、新工艺 的重要源泉”j 。 铝元素发现于1 8 2 7 年，但是直到1 8 8 6 1 8 8 7 年发明了铝的电解制造方法以 后，铝及铝合金才被大量生产并应用于工业生产中。目前，铝及铝合金在电器工 业、汽车制造业和飞机制造业中获得了非常普遍的应用【2 】。这些领域的飞速发展对 铝合金的综合机械性能提出了更高的要求，而铝合金的机械性能是与其组织及结 构密切相关的。同一合金成分的铝合金在不同的凝固条件下获得不同的组织和结 构，从而具有不同的机械性能。因此，如何应用科学技术和新工艺对合金的凝固 过程实行有效地控制一直是科技工作者十分关注的研究课题。人们在有关凝固过 程的研究和生产实践中发现1 3 】，综合利用电磁场的多种功能对金属的凝固过程进行 控制有着明显的优越性，但至今对电磁场作用金属凝固过程的机制还不十分清楚， 某些实验现象还缺乏成熟、完善的理论基础，因此对电磁场的作用金属凝固过程 的机制看法不一，存在着较大的分歧。 金属凝固过程中，凝固开始的温度是液相线温度，凝固结束的温度是固相线 温度，二者之间的温度区间就是结晶间隔，凝固过程就发生在结晶间隔内，所以 铸件的组织和结构在很大程度上和液相线温度、固相线温度以及结晶间隔密切相 关。针对于此，本实验将探讨磁场对合金液相线温度、固相线温度和结晶间隔的 影响规律。 人们对磁场作用下金属凝固过程的研究大都是从最终得到的凝固组织的角度 来进行分析的，本实验首次采取淬火的方法来全程跟踪电磁场对金属凝固过程的 影响。在a l c u 合金的凝固过程中分别施加直流磁场和交流磁场，并对各个试样 分别在不同温度下淬火，利用金相显微镜来观察样品的宏观显微组织；采用x 射 东北大学硕士学位论文第一章绪论 线衍射术和扫描电镜对a 1 一c u 合金经磁场处理后的淬火试样的微观结构和成份进 行分析：考察了磁场作用所引起的晶格常数的变化：做了磁场作用下的a 1 c u 合 金的t e m 照片分析。从而在组织、结构及成份上来全面的考察磁场对金属凝固过 程的影响，来进一步研究磁场影响凝固过程的机理。 综上所述，由于目前电磁场作用金属凝固过程的机制尚不清楚，本研究通过 实验进一步探讨了磁场对合金凝固过程的影响。通过研究磁场作用下的a 1 c u 合 金形核、长大规律以及磁场对合金凝固组织、微观结构及成份分布的影响等，为 人们进一步研究磁场对合金的凝固过程所起到的各种效应提供实践依据和线索， 拓宽电磁场在材料加工中的应用范围，从而使材料的电磁工艺更好地应用于生产 实践。 1 2 材料电磁过程技术的分类及发展 1 2 1 材料电磁过程技术分类 4 ，5 ，6 】 根据电场、磁场对导电性流体所显示出的功能，材料的电磁过程按其功能可 进行分类，见表1 1 。 表1 1 按电磁功能对材料的电磁处理分类 材料处理的 基本原理工艺 功能 冷态坩埚，悬浮熔炼，立式电磁铸造，金属薄膜的磁成型，塑 形状控制 性变形( 由非均匀磁场形成的变形) 驱动液体电磁搅拌，电磁泵 卓克拉耳斯基磁力法，磁力制动，薄膜的边部磁控制，抑制波 电磁体积 抑制流动 动 力 水平式电磁铸造，气泡形成的时间控制，非金属夹杂物的电磁 悬浮 分离 雾化电磁雾化 焦耳热量热量生成冷态坩埚，悬浮熔炼，高频磁场加热，直接加热 楞次定律 探测速度传感器 精练电磁精练，非金属夹杂物的电磁分离 综合功能凝固组织的 控制 晶粒细化，晶粒粗化，单晶生长，非晶态金属物的生成 1 2 1 1 形状控制功能 形状控制就是利用电磁力实现液态金属的约束成型，即在无成型模具的条件 下完成金属的熔炼和成型，即电磁铸造( e m c ) 。自2 0 世纪6 0 年代前苏联研制出电 东北大学硕士学位论文第一章绪论 磁铸造以来，美国、瑞典等国将铝合金电磁铸造大规模地应用于生产，并实现了 七锭同时铸造。由于电磁铸造技术生产的铸锭加工性能好、表面质量高、显微组 织良好，因此得到了越来越多的重视。该技术是当前材料电磁加工领域研究的热 点。 形状控制功能可分为利用高频磁场和利用直流磁场两类。前者在铝、铜及其 合金的领域内已实现了立式电磁铸造( v e m c ) ，冷态坩埚，熔化金属的薄膜以及 悬浮熔炼和熔化金属的喷射变形。 1 2 1 2 驱动功能 驱动功能是将直流磁场和直流电流加到熔化的钢液中，产生可变磁场对钢液 实行电磁搅拌。磁流铸造和电磁搅拌是驱动功能具体表现。 当直流电磁场相对于液态金属移动时，在液态金属内将产生感应电流，感应 电流在磁场作用下产生电磁力。利用该电磁力驱动液体流动，即形成所谓的磁流 铸造。该技术可用来改善薄壁铸件的充型状况。 电磁搅拌也可利用旋转磁场在金属液体中产生感应电流，使金属液体在电磁 力的作用下产生运动，从而达到对金属液体的搅拌的目的。产生旋转磁场的方法 有两种：一种是在感应线圈内通交变电流产生交变磁场的方法；另一种是由v i v e s 发明的旋转永磁体法。 电磁搅拌对金属凝固组织的改变主要表现在改变柱状晶生长方向、促进柱状 晶向等轴晶的转变、细化宏观组织、改变初生相形貌和尺寸、引起共晶组织形貌 的变化、引起枝晶臂间距发生变化等方面。另外，电磁搅拌对铸坯表层质量、中 心缩孔疏松以及铸坯中心偏析都有良好的改善作用，因此电磁搅拌己被广泛的应 用金属凝固控制领域。其中连铸和有色冶金铸造生产是电磁搅拌应用最活跃的领 域。 1 2 1 3 抑制流动功能 单晶硅的拉制过程中，在熔池中加直流磁场，设法控制其对流和控制氧气含 量的卓克拉尔斯基磁力法i 以及在锅的板坯连铸中，以提高铸坯表面质量为目的 的抑制喷嘴出口电磁制动法，均属于利用抑制流动功能的工艺。在利用双辊连铸 薄带时，薄带边部有时呈现出波纹齿形。为了抑制这种现象，可将强磁体和常规 磁体材料以带状相配，制成复合轧辊，从轧辊上部增加磁场，对薄带边部的齿形 有很好的控制能力。 1 2 1 4 悬浮( 抵抗重力) 功能 电磁悬浮技术是综合利用电磁场对金属材料的热效应和磁力悬浮功能的新型 东北大学硕士学位论文第一章绪论 材料加工技术，它通过电磁力抵消金属所受的重力，使金属在失重状态下被加热 溶化。从相互正交的方向将直流电流和直流磁场加到金属上，可使金属悬浮起来。 例如水平式电磁铸造，其原理就是对喷嘴流出的熔融金属施加相互正交的电流和 磁场，使之在悬浮状态下冷却凝固。利用电磁悬浮技术可以在地面模拟太空条件， 研究微重力下的金属凝固。 1 _ 2 1 5 雾化功能 当细小喷射出的熔化金属和喷嘴对面安装的电极间存在电位差时，如果在喷 嘴与电极间的电流方向或成正交的方向施加直流磁场，在通电的一瞬间，在喷嘴 和电极间的熔化金属内就会产生电磁力，从而使熔化金属雾化，导致电流暂时被 切断，而后流出的金属使电流重新接通，并同样被雾化。这一过程可以反复进行 下去。这种方法可以很好地控制金属的粒度及其分布。另外，伴随着磁场方向的 变更，可以比较容易地使金属的分散方向发生变化，这样可以是在利用气体或液 体将金属细化的原有方法中，由于流体冲击产生的偶发因素使金属粒度不一和分 布不均的缺陷得以克服。 1 2 1 6 升温功能 利用电磁感应产生的热效应对金属进行加热和熔炼是电磁场在材料加工过程 领域里最早和最直接的应用。在溶化金属的升温方面有向熔化金属直接通电和施 加高频磁场使金属内产生感生电流两种方法。前一种方法，虽然从电能转换为热 能的效率来说是好方法，但需要大电流和低电压的电源，这为实际应用带来不便。 在材料的加工领域，磁场的热效应即升温功能除了应用于各种感应炉及金属的焊 接外，目前主要用于金属的无污染熔炼技术，如冷坩埚熔炼和悬浮熔炼等。电磁 加热技术是在电磁铸造中应用最广的一项技术，它包括真空或非真空，工频、高 频或中频熔化技术等。 1 2 1 7 检测流速的功能 维韦斯根据楞次定律研制出了流速传感器，原理是用导线布于小型强磁铁上， 当电流接通时产生感应电流，测得感应电流大小即可推算出流体的流速。用此方 法测得的流速精度很高，不过在居里点以上此方法无效。因此，在高温条件下仍 能有效测量的传感器尚待开发。 1 2 1 8 复合精炼功能 在r h 脱气装置中，由于气泡泵作用产生了循环运动。如在真空室内进一步加 上瞬态放电( 电火花) ，使熔化金属飞散开来，这就是电磁精炼脱气工艺。这种工 东北大学硕士学位论文第一章绪论 艺能大幅度地简化真空设备。此外，在瞬时放电作用下，由于产生的很多点状火 点也可望挥发活泼性物质( 点状精炼) 。 1 2 1 9 控制凝固组织 若使熔化金属在稳恒磁场中凝固，在抑制其自然对流的同时，也抑制了凝固 界面近旁的结晶晶核的生长，从而使结晶组织呈柱状。另一方面，如用电磁力搅 拌正在凝固的熔化金属，则在凝固界面产生结晶溶解，枝晶折断与脱开，进而使 结晶核的移动呈活泼态，使结晶组织等轴晶化。对于电磁场对凝固组织的影响和 作用，将在以下章节详细介绍。 应当指出，电场、磁场对导电性流体所显示出的功能远不止以上所述的几种， 而且电磁场的各种功能也不是孤立的，而往往是综合在一起的。相信在以后的生 产实践中，电磁场的各种功能还会被广泛的应用到材料加工处理领域中来。 1 2 2 材料电磁过程技术发展简介 将电磁场应用于材料的制备、加工和处理过程，即材料的电磁过程( e p m ) 是一 个发展的过程。大致经历了孕育期、开始应用期和发展期三个阶段 4 】：( 1 ) 孕育期。 早在1 8 2 3 年，f a r a d a y 就开始测量流体在电磁场中的流动情况。m u k e 于1 9 2 3 年 提出了“悬浮熔融”的方法。早在1 9 3 2 年就有人认识到旋转磁场可使流体旋转。 1 9 4 2 年a l p h a n 开始磁流体力学体系化的工作。( 2 ) 开始应用期。交变磁场能使凝 固过程的晶粒细化早在1 9 6 1 年就有所报道，这种现象促使人们将电磁搅拌技术应 用到钢的连铸生产中。在随后的几年里，还有人利用磁控成型技术对铝及其合金 实行电磁铸造并应用生产。( 3 ) 发展阶段。1 9 8 2 年9 月在英国剑桥大学，由国际 理论力学和应用力学协会联合会( i u t a m ) 首次主持召开磁流体力学在冶金中应 用的国际会议，它标志着将电磁场应用于材料和冶金领域的技术已在国际学术界 引起了重视。1 9 8 3 年日本钢铁协会决定，把磁流体力学在冶金中的应用作为日本 未来制钢技术的主要革新之一。并于1 9 8 5 年建立了“材料电磁过程委员会”。这 项新技术首先在钢铁工业中得到广泛应用。1 9 9 4 年，首次国际材料电磁过程论坛 在日本召开，第二届会议于1 9 9 7 年在法国巴黎举行，第三届会议于2 0 0 0 年还是 在日本召开。日本已经把材料电磁过程立为国家科学研究计划并列为优先发展领 域以推动这方面的研究工作f $ 】。 近年来，磁流体力学在有色冶金、钢铁以及半导体材料的冶金及加工过程的 各个领域得到广泛的应用和发展一j 。如钛合金的熔炼和连续铸造，半导体多晶硅的 连续铸造，在钢的连续铸造中应用电磁力强化控制等，都在努力开发研究。目前， 不少学者特别注意材料的电磁处理方面的研究工作，但各有其不同的侧重点。如 东北大学硕士学位论文第一章绪论 同本的研究对象主要针对金属熔体在使用直流电流、磁场时所出现的问题；法国 以交流电场对金属熔体作用而引起的问题作为主要研究范围：英国、美国及俄罗 斯等国则侧重于进行电磁场对金属熔体流动的促进以及抑制功能等方向的研究。 此外，美国还较深入地开展了对电磁场与金属熔体交互作用过程的基本规律的研 究。电磁作用对金属凝固过程的影响是这些研究中最重要的方面之一。 我国在2 0 世纪6 0 年代曾对电磁场应用于铸造过程进行研究。2 0 世纪8 0 年代 初期，随着连铸钢技术的迅速发展，又开始了钢的电磁搅拌方面的研究。我国在 材料的电磁过程领域中突出的成果是铝熔池电磁搅拌和铝合金电磁铸造的研究和 开发。结合新工艺的开发，完成了一些电磁场、流动场、温度场和凝固方面的理 论工作。并已经开始对金属电磁离心铸造、钢的电磁铸造、悬浮熔炼等进行研究。 材料的电磁过程日益受到国内材料界的重视，但和发达国家相比较还有相当的差 距，需要投入更多的力量。 总之，材料的电磁过程是借助电流和磁场所形成的电磁力，对材料的加工处 理过程中的表面状态、流动和传质等施加影响，以便有效的控制其变化和反应过 程，改善材料的表面质量和组织结构。由于电磁力可以通过不接触的方式传递到 材料的内部，有利于在材料的电磁处理过程避免杂质对材料的污染。电磁能量是 一种清洁无污染的能源，较少污染环境，所以材料的电磁处理被认为是2 1 世纪材 料工艺发展的重要内容之一。材料的电磁处理已经在不同程度上得到了工业应用。 材料的电磁技术由于是一门新兴的学科分支，正在快速发展中。 1 3 电磁场作用下的金属凝固 1 3 1 引言陋坦 对金属凝固过程进行控制是获得高性能优质铸件的关键。对凝固过程进行控 制，一方面是要获得晶粒细小、组织细密、性能优良的产品：另一方面综合利用 各种手段开发新的凝固工艺，改进金属的熔炼、凝固、成型过程，以满足不同条 件下的需要。概括起来，凝固过程控制的基本途径主要包括：( 1 ) 控制冷却速度： 如快速凝固、近快速凝固等，是获得细晶组织最简单的方法，应用最广；( 2 ) 孕 育和变质处理：通过加入能够促进形核( 孕育) 和控制长大( 变质) 的添加剂来 达到控制凝固组织的目的；( 3 ) 强化对流：利用机械搅拌、电磁搅拌、各种振动 等手段促进枝晶折断和重熔来达到细化晶粒的目的；( 4 ) 特殊场的作用：在凝固 过程中给予特殊的外场，如压力场、微重力场、超重力场、离心场、电场、磁场 等，通过外场对金属的控制以得到预定的组织。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 近几十年来，人们利用各种手段控制凝固过程的研究和生产实践中发现，综 合利用电磁场的多种功能对金属凝固过程进行控制有明显的优越性。表现为能够 有效地改善铸锭的微观组织、提高表面质量，并且设备简单，可以在现有的设备 上进行改造，而且还具有无污染、操作简便等优点。实际上，自8 0 年代以来，在 金属凝固过程中施加电磁场的技术就成为一个倍受材料界重视的领域。 任何铸造方法的凝固过程，都是从金属或合金的液态开始的，电磁处理技术 之所以能在材料的制备、加工和处理过程广泛应用和发展，一方面是由于液态金 属为电的良导体，能因磁场和电流的作用而产生电磁力，利用电磁力可以对熔融 金属进行非接触性搅拌、输送和形状控制，而这比机械方法更有利：另一方面在 于有利于改善环境、节省投资，提高企业的产品质量和经济效益。至今为止，感 应加热、电磁搅拌、电磁铸造等电磁过程已经广泛应用于材料的加工处理和制造 过程，并在许多方面取得了很大进展。 电磁场作用下金属的凝固主要是利用液态金属和电磁场的相互作用，在金属 熔体中产生搅拌或振荡等作用，通过影响凝固过程以达到改善金属凝固组织的目 的。材料的电磁处理技术，大致可分为三种：是让电流通过凝固中的金属( 即电 场处理) ，二是让金属熔体在磁场中凝固( 即磁场处理) ，三是电场和磁场的不同组 合( 稳恒和或交变) 来影响金属的凝固过程( 即电磁混合处理) 。但对于电磁场 是通过什么途径影响凝固过程的，即电磁场对凝固过程的作用机理，目前还没有 统一的说法。 1 3 2 电场作用下的金属凝固 1 , 3 2 1 直流、交流电场的作用 人们对金属在电场中凝固的研究始于2 0 世纪6 0 年代。p f a n n 等人1 研究了电 场作用下溶质的迁移现象，发现电迁移导致了溶质有效分配系数k e 的变化，从而 增加了局域细化效应、降低了成分过冷的倾向，并且还引起共晶合金中两个组元 的相互分离或偏聚，局域细化形成结晶块的同时还使熔点温度升高或降低的溶质 的集结。 v e r h o e v e n 1 4 发现，在电场作用下液体金属内部会发生明显的混合现象。他认 为，电场作用下凝固时，液固界面的弯曲和盛装液体的试管表面的轻微锥度造成 洛仑兹力的垂直分量，这个垂直分量作用于金属熔体使液体金属内部会发生明显 的混合。 a s a i 等人l 】5 j 研究发现，s n 1 0 p b 合金在直流或交流电场的作用下凝回得到的 东北大学硕士学位论文第一章绪论 宏观组织和不施；h n j , b 场情况下凝固得到的相比发生了明显的细化。他们认为可能 是高密度的电流在金属熔体内部产生相当大的体积力，该体积力导致金属熔体内 强烈的对流。尽管该体积力是间接地由电场和感应磁场交互作用引起的，但它产 生的细化效果却相当明显。他们得出的结论之一是：无论是直流电场还是交流电 场，高密度的电流都能使晶粒明显细化。 v a s h c h e n k o 【i 6 j 用直流电场作用于砂型来研究铁在铸造过程中铸态组织的变 化。他采取以砂型的框架为一电极，铸件本身为另一电极的方法来引入电场。电 场影响了含氢量的变化从而影响了铸件的质量。 8 0 年代中期，m i s r a 【1 7 1 以低熔点p b s b s n 合金为实验原料，把该合金放在直 径为5 m m ，长1 0 0 m m 的玻璃管中，并和玻璃管两端的电极相接触，这样电场就能 够完全地作用在金属的凝固过程中。实验发现，尽管直流电场和交流电场在凝固 过程所起的作用机制有所不同，但起到的效果却相似：它们都使凝固时产生第二 相微粒更加细小弥散地分布在合金的基体上。 徐雁允等人i l 副研究了电场对a l c u 合金共晶片间距的影响，发现a l c u 合金 经电场作用凝固所得的共晶片间距减小。他们认为这是由三个方面的原因引起的： ( 1 ) 电场使共晶两相中的其中一相在另一相上形核并长大；( 2 ) 电场使相变所需 要的驱动力减少；( 3 ) 电场使层片缺陷可以向片间距减小的方向进行。 a h m e d 等人【l 圳研究了n i 基高温合金在直流电场作用下的定向凝固过程和行 为。实验表明：当施加的直流电流密度为5 0 4 0 0 m a c m 2 时，凝固组织被显著细 化，y7 相呈细小的球状或颗粒状，且均匀弥散地分布于y 相基体上，而且铸件 的7 l 隙率也减小了。他认为，有可能是j t , ；h n 电场对等离子体的作用导致以上实验 现象的出现。 常国威等人【2 0 】研究了电流密度对定向凝固组织中柱状晶间距的影响。他们以 电流密度对定向凝固中固液界面形态稳定性的影响为基础，建立了电流密度与其 柱状晶间距的定量关系，并以a i c u 合金为原料对理论推导进行了验证，发现当 电流密度增加时，柱状晶间距近似呈直线下降趋势。其理论推导结果和实验结果 基本符合。 1 3 2 2 脉冲电场的作用 2 0 世纪9 0 年代初，n a k a d a 等人【2 l 】研究了相对较高电流密度脉冲对9 0 s n l 0 p b 亚共晶合金铸件的微观结构的影响。把由一台3 k v 电容器产生的电脉冲在凝固开 始后立即加到合金中，以后每隔2 0 s 加一次，铸件的微观结构也由平常的柱状转变 到球状，随着电容器电压的增加球状组织增多，他们认为电流产生的压紧效应产 生了冲击波，该冲击波冲破了凝固时形成的柱状晶。而在凝固过程的后半段施加 东北大学硕士学位论文第一章绪论 脉冲电流，初生相仍为树枝状。此外，他们还发现初生相的形貌不仅与脉冲电流 的初始峰值电压有关，还与合金液中的固相分数及冷却速度有关。 l ij i a n g m i n g 等人【2 2 j 研究了电脉冲作用对共晶p b s n 凝固组织的影晌。当施 加高容量的脉冲电流时，枝晶将破碎球化：当施加低容量、高电压的脉冲电流时， 共晶及共晶体的片层均沿电极方向伸长，共晶体的片晶距减少并且相变驱动力降 低。 b a r n a k 2 3 】等人研究了电脉冲作用对共晶p b s n 铸造过程中晶粒大小的影响。 他们发现，用高密度的电脉冲作用于近共晶成分的6 0 p b 4 0 s n 合金的凝固过程，能 产生很大的过冷度，并使共晶晶粒尺寸减小一个数量级。他们认为，有可能是在 电脉冲的作用下液一固之间的自由能的降低或液一固之间界面能的增加提高了形核 率。 鄢红春等 2 4 1 对脉冲电流作用下s n 一1 0 w t p b 亚共晶合金凝固组织的进行了研 究。结果表明，在大容量电容器放电提供的脉冲电流的作用下凝固，粗大的富s n 相枝状初晶己细化成近球状结构。他们认为，脉冲电流所产生的不同脉冲压力对 晶体形核和长大所起的不同作用是造成不同实验观测结果的根本原因。 唐勇等人【2 5 j 对高于熔点、含碳0 。8 的t 8 钢液使用电脉冲处理。将处理过的 t 8 钢液正常空冷，得到了晶粒明显细化、枝晶发达程度大大减小的凝固组织。并 且发现经过脉冲处理后的t 8 钢的珠光体形态发生了显著的变化，随脉冲电压的升 高片间距逐渐缩短，他们认为电脉冲可能影响了t 8 钢碳元素的微观分布状态。根 据实验结果他们还推导出了脉冲电压和凝固晶粒个数的经验公式。 陈庆福等人【2 6 j 用电脉冲孕育技术制备了c u a i n i 记忆多晶合金。结果表明：电 脉冲处理使多晶c u a l n i 合金铸锭宏观组织得到明显的细化，几乎由完全的等轴晶 构成，铸锭集中缩孔大大减少，台金的晶粒尺寸显著细化；脉冲孕育电压、频率、 脉冲施加时间和铸模种类是影响孕育效果的因素；电脉冲孕育处理后材料的形状 记忆效应得到明显的提高。 訾炳涛等【27 】将强脉冲电流技术应用于细化熔点较高( 6 4 0 。c ) 、实验难度较大 的l y l 2 铝合金的凝固组织。实验结果表明，和未经电流处理的样品相比，凝固组 织明显细化和等轴化，且脉冲电流愈强，这种效果愈显著。他们认为，高密度脉 冲电流通过凝固中的金属熔体时，在样品内会产生快速变化的强脉冲磁场，这两个 场之间的相互作用会导致熔体产生沿轴向的收缩效应，进而产生收缩力和冲击波， 造成熔体不断被反复地压缩和运动，使树枝晶碎断成小块，提高形核率，从而使 凝固组织得到细化和改善。 班春燕等【2 驯在l y l 2 合金的凝固过程施加脉冲电流，研究脉冲电流对这种合金 东北大学硕士学位论文第一章绪论 凝固组织的影响。结果表明脉冲电流可使晶粒明显细化、等轴化。他们认为在脉 冲电流作用下的凝固组织细化的机制是：在脉冲电磁场作用下剧烈的强迫对流促 进了晶粒从型壁上游离，大大增加了金属熔体的形核率，导致晶粒的细化；温度 的相对均匀使得游离的晶粒难以保存下来，抑制了晶粒在某个方向上的择优生长， 从而抑制了树枝晶的生成。 何树先等1 2 圳研究了高密度脉冲电流对a 3 5 6 铝合金低温熔体凝固组织的影响。 发现该合金经过高密度脉冲电流处