（材料加工工程专业论文）电磁场对铝硅及锡磷青铜合金凝固组织影响的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随整电磁技术的发展，电磁场在控制金属凝固、改善合金组织及性能等方面将越来 越重要，电磁场在材料加工方面的应用也越来越广，到目前为止，已经出现了很多种电 磁加工方法。尽管这方面已经傲了很多工作，取得了很大进展，但是对电磁场处理影响 凝固组织的机理还认识不深，存在很多盲区( 例如对精确细化机制、晶格结构及晶粒取 向、成分分布、凝固动力学的影响等目前还没有涉及) 。针对目前a l s i 舍金和锡磷 青铜在铸造中存在的一些问题，本论文用电磁处理的方法对这两种合金的铸造组织进行 改善，本文分别利用直流和交流电磁场对这两种合金的凝固过程进行了处理，综合分析 了电磁场作用对它们凝固组织的影响。通过反复实验，不断的调整实验工艺，优化工艺 参数，两种合余都获得了比较理想的凝固组织。 施加电磁场可以明显影响铝硅合金的凝固组织。单独施加直流电场可以细化共晶组 织，随电流密度的增大，共晶硅片间距先减小后增大：单独施加直流磁场对共晶组织的 细化没有明显的效果，但促使了初生s i 向试样边部偏聚；同时施加相互垂直的直流电 场和直流磁场，由于复合场与气孔共同作用，共晶组织得到了更加显著的细化效果，共 晶硅的结构由针片状变成了细小的骨架状，并且形成了网状的共晶团簇结构。初步探讨 了产生上述结果的机理。 在锡磷青铜q s n 6 5 一o 1 板带的水平连铸过程中施加交流电磁场可以改变铸坯的质 量。未施加电磁场时，铸坯的晶粒较粗大，且主要为柱状晶；施加电磁场后，铸坯的晶 粒较细小，主要为等轴晶。电磁场的施加可使s n 的偏析明显减轻，组织成分更加均匀。 施加1 8 a 电流的铸坯，其抗拉强度降低、伸长率增加，有利于塑性加工，并能减少表面 裂纹的产生。麓加电磁场可望降低铸造温度2 0 一3 0 。石墨模具的使用寿命从7 天增加 到1 4 天。 关键词：电磁场： i - s i 合金i 共晶团簇：锡磷青铜 电磁场对铝硅及锡磷青铜台金凝蒯组织影响的研究 t h er e s e a r c ho nt h ei n n u e n c eo fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l do nt h ea l - s ia n d t i np h o s p h o r u sb m n z e a l l o y s a b s t ra c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o m a g n e t i ct e c 量1 1 1 i q u e ，e l e c t r o m a g n e t i cf i e l dp l a y sa n i m d o r t a l l tr 0 1 e i nt h ec o n 打o lo fm e t a ls o l i d j 矗c a t i o n ，m eb e t t e m e n to fs t r u c t u r ea n d p e f f o m 扭n c e s i n c en o w ，m a n yk i n d so fe l e c t r o m a n g n e t i cm e m o d sh a v eb e e du s e dt om a t e r i a l p e o c e s s i n g d e s p i t eo ft h e s ei m p r o v m e m s ，t h e r ea r es m lm a n ym i s u d e r s t a n d s i n 血e m e c h a n c so fs o l i d i 6 c a t i o n 吼d e re k c 昀m a 鲷e t i c 矗e i d a i m i n ga tt h es o l u t i o n so f 也e p r o b l e m si nt h ec a s t i n go fa l s ia l l o ya n dt i np h o s p h o r u sb r o n z e ，t h i sp a p e ra p p i i e dt w ok i n d s o ff i e l d s ，d i r e c tc u “e mf i e l da i l da l t e m a t i n ge l e c 仃o m a n g n e t i cf i e l d ，t ob e t t e rt l l es o l i d 墒c a t i o n s t n 】c t i l r e so f 也et w oa l i o y sa n da n a l y z e dt 1 1 ee f 诧c to ft h e s et w of i e l d st ot h es o l i d i f i c a t i o n s t m c t u r e s t h r o u g h 锄o u n t so fe x p e r i m e n t st om ea d j u s 协i e m so fe x p e r i m e mt e c 硒c s 柚dt 1 1 e o p t i m i z a t i o no ft e c h n i cp a r 锄e t e r s ，w es u c c e s m l yo b t a i l l e dt w ok 加d so ff i n es t m c t t l r e so f t h et w oa l l o y sa b o v e e u t e c t i cs t r u c t u r e 、v a sr e f i n e di n 也ed i r e c t e l e c t r i c6 e l da n d 廿l er f i n e dd e 盯e ef i r s t i n c r e a s e da n dt h e nd e c r e a s c dw i t l lt h ee n h a j l c e m e n to fd e n s i t y i m p o s i n gs i n g l ed i r e c tc u r r c n t m a 蛐e t i cf i e l dc o n t r i b u t e dl i t t l et ot h er e f i n e m e mo fe u t c c t i cs n _ i l c t u r e ，h o w e v e r ，e m l a n c e dt h e a g g r e g a t i o no fp r i m a r yp h a s es it ot h ee d g eo f 也es 锄p l e u n d e rp e r p e n d i c u l a rd i r e c tc u r r e n t a n ds t a “cm a g n e t i c ，也er e 丘n e m e n to fe u t e c t j cs 台u c t u r ew a sm o r ee f f 色c t i v ea n dr e t i c u l a rs h 印e e u t e c t i cc l u s t e rs t r u c h l r ew a sf i o r m e d t h em e c h a n i s mo f 也ea b o v er e s u i t s 啪sa l s od i s c u s s e d i nh o r i z o nc 0 埘n u o u sc a s t i n go ft i np h o s p h o r u sb r 0 i l z eq s n 6 5 0 1b a i l d ，t h ei m p o s i n g o fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l dc a i li m p m v et l l eq u a l i t yo ft h ec a s t i n gb l a r l k w i t h o u te l e c 打o m a g n e t i c 矗e l d ，m ec r y s t a lg r a i nw a sc o a r s ea n dc o l 啪a rc r y s t a lw a st h em o s t ；w i t he l e c t r o m a g n e t i c f i e l d ，t h e 伊a i nw a sr c f l n e da n de q u i a xc r y s t a lw a st l em o s t 1 1 ”s e 铲e g a t i o no f s no b v i o u s l y d e c r e a s e dw i t ht h ea p p i i c a t i o no fe l e c 廿o m a 神e t i cf i e l da n dt h em i c r o s t n l c 眦w a sm o f e u n i f o i li m p o s i n g1 8ae l e c t r i cc 蝴e n tt ot h ec a s t i n gb l a n k ，t h et c n s i l es t r e n g 也幽册e a s e d a n de x t e n s i b i l i t yi n c r e a s e d ，w h i c hf k i l i t a t e dt ot h ep l a s t i cw o r k i n ga n dr e d u c e m e n to fs u r f a c e c r a c k s i ti sh o p e f u lt od e c r e a s ec a s t i n gt e m p e r a t u r ea t2 0 3 0 a i l dp r o l o n gm eo p e r a t i n gl i f e o f t h eg r 印h i t ej i g 丘o m7d a y st o1 4d a y s 谢t l lt l l ea p p l i c “o no f e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d k e yw o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i ci i e i d ；a l - s ia l i o y s ；e u t a c t i cc i u s t e r ；t np h o s p h o r u sb r o n z e 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 人连理 ：大学硕十研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名 、 碰 翅 f 竺尘年上月立日 火连理一f 夫学颈士学位论文 1 绪论 会属材料是制造业的基础，从某种意义上浣，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i 旬的联系不再被忽略，可持续发展已成为关键的问 题。现代科学技术的发展，特别是航天、航空及核能等高技术的发展，对材料提出了越 来越高的要求，而金属材料的性能主要是通过控制凝固过程来实现的。因此，如何对凝 固过程实现有效的控制一直是科技工作者十分关注的研究课题。 凝固过程的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、组织致密、性能优良的产品，另一方面是综合利用各种手段丌发新的金 属凝固成型技术，改进金属的熔炼、凝固、成型过程以满足不同情况下的要求。 凝固过程控制的基本目标包括两方面。一方面是宏观目标，即得到没有缩孔等宏观 缺陷的产品；另一方面则是微观目标，即获得晶粒细小、组织致密的产品。从已有的研 究成果来看，凝固过程控制的基本途径是控制冷速、强化对流及孕育变质处理三大类。 其中控制冷速是获得细晶组织最简单的方法，应用也最广，如快速凝固、近快速凝固“o “ 等。通过强化对流促进枝晶臂折断的应用也较广。通过强化对流促进枝晶臂折断和重熔 来达到细化晶粒目标的方法很多，如机械搅拌、电磁搅拌、各种振动等。孕育和变质是 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的目的。 还有一种方法就是依靠特殊外场的作用，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”“、离心力场、电场和磁场等。 尽管沿着上述几种途径可以在一定程度上取得细化晶粒的效果，但是这些方法都 有各自明显的局限性，随着科学的发展出现了很多新的材料加工方法。近几年来，人们 在利用各种手段控制凝固过程的研究和生产实践中发现，综合利用电磁场的各种功能对 会属的凝固过程进行控制有着明显的优越性，并将磁流体动力学m a g n e t i ch y d r o d y na i i l i c s ( m h d ) 与材料加工技术结合起来，形成了电磁加工e l e c t r o l l l a g n e t i c p r o c e s s i n g ( e m p ) 这一极具发展前途的新技术。目前这一技术已经受到越来越多的人重视，并己 在实际生产中得到广泛应用，取得了显著的效果。 1 1 材料电磁加工技术简介 在材料科学的领域中，控制材料的凝固过程已成为提高材料性能和开发新兴材料的 重要途径之一。近几十年来，凝固技术取得了许多重要的进展，包括连续铸造的扩大应 用、定向凝固与单晶生长技术的完善、半固态从研究走上了实际应用和材料电磁过程得 到快速发展等等。如何创造各种凝固条件来控制材料的凝固组织，挖掘材料的潜在性能 电磁场对铝硅及锡磷青铜合金凝瞬组织影响的研究 以获得具有优异性能和特定功能的新型材料是各国工作者广泛关注的课题，材料电磁过 程就是其中之一。 早在1 8 2 3 年，法拉第就开始测量流体在电磁场中的流动情况，1 9 2 3 年m u c k 提出了悬 浮熔炼方法，1 9 4 2 年a l f v e n 使磁流体力学体系化。然而，m h d 理论的系统发展和这些原 理的广泛应用是从二十世纪六十开始的。目前研究电磁场与金属流体之间相互关系的 m h d 已经得到很大的发展。1 9 8 2 年在英国举行的i u t a m 国际力学理论和应用联合会) 学 术会议第一次提出了材料的电磁加工这一术语。近十几年来，这一技术在冶金工业中广 泛应用，】9 9 0 年和1 9 9 4 年先后在同本召开了第六届i i s s ( 国际钢铁研讨会) 会议和第一届 材料电磁工艺国际会议，这标志着e 蹦时代的到来。近年来，感应加热、电磁搅拌、电 磁铸造等电磁过程已经广泛应用于有色金属和黑色金属的冶会过程，并在许多方面取得 了很大进展。 目前，材料电磁加工技术使用的电磁场主要有以下几种：( 1 ) 由传统线圈产生的普 通强度的直流磁场主要用于控制液体会属的流动。例如，作为电磁制动抑制连铸结晶器 内钢液的流动，抑制中间包内钢液的紊流，作为电磁“坝”用于薄带连铸的侧封等，改 善冶金质量。( 2 ) 由超导线圈产生的高强度的直流磁场，主要用于控制液体金属的流动。 例如，作为电磁制动抑制连铸特别是高速连铸时结晶器内钢液的流动：控制液体金属的 形核、生长等凝固过程，开发新材料。( 3 ) 频率从几赫兹到数十兆赫兹的交流磁场。交 流磁场是材料加工过程中应用最广泛的一种磁场可以通过磁场频率的选择，将其应用 于感应加热、电磁搅拌、电磁加压、电磁传输等工艺过程，是控制液体金属传输的有力 手段。( 4 ) 其他特殊磁场。例如，移动磁场、脉冲磁场、变幅磁场等。主要用于高效、 节能等新技术工艺的开发。上述各种磁场不仅可以单独使用，还可以几种磁场或磁场和 电场共同使用于某一材料加工过程。目前，e p m 技术已成为提高材料质量、节能、改善 环境的重要途径。随着超导技术的发展，用超导制作的线圈可以产生数特斯拉的强磁场， 超导强磁场的发展大大拓宽了材料电磁过程的应用范围，使电磁场不但可以用于控制金 属凝固，还可用于金属的防腐和电镀，甚至应用于非磁性物质和非金属材料。 1 。2 电磁加工在材料加工过程中的应用 常用的多晶命属材料是由许多晶粒和晶界组成，晶界及相邻晶粒取向不同对金属具 有强化效应，所以通过细化晶粒来提高材料的室温强度、塑性和韧性，是会属材料常用 的强韧化方法之一。常用的细化晶粒方法有化学方法和物理方法。化学方法通常采用额 外加入形核剂的方法，例如在铝中加入5 t i ，1 b 能实现晶粒的显著细化。但是加入 额外的晶粒细化剂可能导致有害的副作用，使产品的性能下降。另外，有些合金难以通 大连理：大学硕士学位论文 过加入中间合金细化剂实现晶粒细化。物理方法主要是指振动而言，包括机械振动、声 波和超声波振动以及电磁搅拌。机械搅拌的工艺参数难以控制，搅拌设备易磨损和腐蚀， 不适于高熔点合会和易氧化合金，因此该方法难以在工业上推广应用。在金属和合金凝 固过程中施加的声波和超声波振动，消除了不理想的柱状区细化了晶粒，增加了等轴 细晶结构，但是这种技术也存在一些不利因素，如适应高温环境的振动棒制作难，寿命 短，超声波作用范围小”“，这些缺点使得这种方法在实际生产中应用不多。近几十年 来在对材料处理过程中施加电场和( 或) 磁场这一方法对细化晶粒、改善组织有显著的作 用，并且设备简单，可以无接触地传递能量，从而实现无污染加工，因此，这种工艺一 经出现，就受到了极大的关注。 1 21 磁场对金属凝固的影响 按照通入的励磁电流不同，电磁场可分为直流磁场和交流磁场，当线圈中通入稳恒 的直流电时，产生的是稳恒磁场；当线圈中通入交变电流时，产生的是交变磁场。在材 料电磁加工中，所采用的还有脉冲磁场。早在1 9 6 5 年，w c j o h n s o n 等“”就对磁场作 用下的龠属凝固进行了试验研究。结果发现：对f 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。v i v e s “0 1 采用 磁场处理研究了铝合金在工频交流磁场中的结晶行为，取得了一定效果。下面分别对几 种磁场加以阐述。 1 21 1 直流磁场 由传统线圈产生的普通强度的直流磁场，主要用于控制液体金属的流动。例如， 作为电磁制动抑制连铸结晶器内金属液的流动、抑制中间包内钢液的稳流等。由超导线 圈产生的高强度的直流磁场，主要用于控制液体金属的流动。例如，作为电磁制动抑制 连铸特别是高速连铸时结晶器内钢液的流动，控制液体金属的形核、生长等凝固过程。 u h l m a n n 等人“研究了直流磁场对a 卜c u 合金凝固组织的影响，发现在直流磁场作 用下，合金的凝固组织由无磁场的等轴晶变为完全的柱状晶。他们认为导致这种结果的 原因是在直流磁场作用下熔体中的对流被抑制，从而减少了枝晶臂的熔化和晶核被带入 液体中的机会，所以减少了凝固过程中等轴晶的生长数量。k i s h i d a 等人“”研究了直流 磁场对p b s n 合会的凝固组织的影响，发现随着磁场强度的增大，柱状晶组织反而增加 了，同时使等轴晶粗化。他认为原因有两方面，一方面在磁场作用下金属热量散失速率 降低；另一方面液相对流在磁场作用下受到了抑制，因此导致了熔体中形核率下降，并 且使凝固过程中形成的异质晶核不易被带到熔体中部去。 电磁场对铝硅及锡磷青铜台金凝固组织影响的研究 一般的电磁处理主要是低强度的静磁场( b ( 1 t ) ，因为在技术上很容易实现。近年 来还发展了高强度静磁场的材料制备技术。在利用直流磁场进行组织和过程控制的凝 固技术中，滞留磁场的作用主要有两个： ( 1 ) 单独作用时，抑制熔体的流动。 ( 2 ) 与电场一起作用时，产生对流效应。 直流磁场对静止的液态金属的作用 当直流电磁场作用于静止的液态金属时，磁场对液 态余属的唯一作用途径就是磁场力( 如图1 1 所示) 。在磁场力的作用下，有可能导致 铁磁质颗粒的偏聚、液态余属自然对流的削弱等。但到目前为止，还未发现对晶粒细化 有什么贡献。 _ - _ - _ - _ - - - - + n+ l i q u i d + m e t a l+ _ - - + + 图1 1 直流磁场对静止的液态金属的作用模型 f i g 1 lt h ee 行e c tm o d e l0 f s t a t i cl i q u i dm e 协lu n d e rd c m a g n e t i cn e j d 直流磁场对运动液态金属的作用 根据f a r a d a y 电磁感应定律，当导体在磁场中做切割 磁力线运动时，将产生感应电流，这一电流与磁场作用，产生一个与导体运动方向相反 的力，即电磁力。在材料加工领域，可根据液态金属的不同运动形式，利用电磁力来达 到对液态金属的不同作用效果，主要有电磁制动、驱动流体和电磁离心铸造等。 直流磁场与运动流体之间的交互作用具有“电磁制动”的功能。这一特性已被人们 成功地应用于连续铸造过程，用来减少残留在熔体中的熔渣。另外，还可以用它来控制 晶体的生长过程。因为金属凝固时，熔体中的对流对动量、质量和热量等传递过程有很 大的影响，而外加直流磁场可抑制熔体中的对流，直流磁场的强度和方向都对晶体生长 过程中的动量、质量和热量传输过程有影响，从而通过控制直流磁场，能够减少晶体生 长过程中缺陷的形成。 当直流磁场相对于液态金属流动时，在液态金属内部产生感应电流，受到磁场的作 用产生电磁力，此电磁力可以驱动液体金属流动，即形成磁流铸造。对于一些薄壁件来 说，由于其凝固速度大于流动速度，充型过程中温度沿程下降，液体前端冷却快，丽后 端慢，从而形成会属网，抑制余属的流动，因此在铸造过程往往出现充型不够的现象。 大连理工大学硕士学位论文 如果在铸型的上下设置稳恒磁场，并使磁场相对于液态余属运动，则相对于磁场运动的 液态会属在磁场作用下产生电流，该电流与运动磁场作用产生了一个电磁力，此电磁力 沿着金属运动方向，推动金属流动，便改善了金属的充型能力。 电磁离心凝固法是近年来发展起来的一种新的凝固控制技术，其原理图如下图1 2 所示。由于在电磁离心凝固过程中，金属熔体不仅受到电磁力的作用，而且还受到很强 的离心力的作用。同时，由于结晶前沿存在着较强的液相流动，柱状晶发生迎流倾斜生 长，进而被折断，为等轴晶的形成提供了形核条件，从而促进了柱状晶向等轴晶的转化。 电磁离心铸造既保留了普通离心铸造组织致密、疏松和气孔少等优点，又充分利用了电 磁搅拌作用，克服了离心铸造的缺点，使第二相分布均匀、成分偏析得到控制”3 ，为 获得均匀细小的凝固组织开辟了一条新途径。 缱 鳞型 域寿盘崩 图1 2电磁离心铸造原理示意图 f i g 1 2t h ep r i n c i p l es k e t c hm a po f c e n 埘f u g a ic a s t j n gi nm a g n e t i c 矗e l d 1 2 1 2 交变磁场 一般来说，在金属的凝固过程中，施加交变磁场的作用和目的就是实现对液态金属 的形状控制、电磁搅拌和电磁悬浮。 形状控制形状控制就是利用电磁力实现液态金属的约束成形在无成形模具的条件下 完成会属的熔炼与成形，即电磁铸造e l e c t r o m a g n e t i cc a s t i n g ( e m c ) 。电磁铸造技术 是由前苏联科学家g e t s e l e y o ”。“”于1 9 6 6 年首先提出的，主要是防止模壳与液态金属相 互接触以避免对金属液的污染，从而提高表面质量。由于利用该技术生产的铸坯加工性 自好、表面质量高、显微组织良好，因此得到了越来越多人的重视“”“。 电磁搅拌电磁搅拌即利用旋转磁场在会属液中产生感应电流，使余属液在电磁力的作 用下产生运动，从而达到对金属液搅拌的目的。6 0 年代初，l a n g e n b e r g 等人报道了交 流磁场可明显细化钢锭的凝固晶粒以后，该技术得到了蓬勃发展和广泛利用。 电磁场对铝硅及锡磷青铜合金凝f 郁羁织影响的研究 产生旋转磁场的方法有两种：种是传统的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，该方法采用高性能永磁性材料组成 的感应器，可以在内部产生很高的磁场强度，通过改变永磁体的排列方式，可以使金属 液内部产生明显的三维流动，搅拌效果很好。 电磁搅拌能促使柱状晶转化为等轴晶并显著细化晶粒，这是由于电磁搅拌加速和改 变了熔体的运动状态，这种运动一方面在型壁处不断冷却而使凝固继续进行，另一方面 把热金属从熔体的中心区域带回来，使结晶前沿重新融化。因此电磁搅拌明显地减少熔 体的温度梯度，使结晶前沿较大范围的熔体温度变得较均匀，导致形核，结晶向中心区 域扩展。再者，在凝固表层与液穴间存在固液混合的粘糊区，未搅拌时，随着固态百分 比的增加，混合物的粘度增加较快，流动性减少，生长的枝晶容易与外壳相连接，不仅 阻碍凝固过程中会属质点的输送，也阻碍熔体在最后阶段的流动。在电磁搅拌时，能在 生长的枝晶上产生机械剪切作用，使枝晶破碎，并且使含有更高固态百分比的液固混合 物保持流动，从而使枝晶上脱落下来的碎块漂浮在熔体中。当温度较低时，这些碎块保 存下来并长大成为新的结晶核心，使晶核的数目增加，导致早期的柱状晶向等轴转化， 最终改变铸造组织的晶粒形状和尺寸大小，并显著细化了晶粒。 毛卫民等”“较为系统地研究了电磁搅拌作用下a l 一2 4 s i 合会的初生s i 的形貌和尺 寸的变化规律。研究发现，在常规凝固条件下，a 卜2 4 s i 过共晶合金中的初生s i 为粗大 的板片状，经过激烈的电磁搅拌，初生s i 得到明显细化，分布均匀，绝大部分初生s i 为 团状或块状。他们认为在电磁搅拌条件下，a 1 2 4 s i 台金中的初生s i 得以细化和球团化 的主要原因是：电磁搅拌引起合会熔体对初生s i 的机械破碎、摩擦作用和抑制初生s i 择 优生长作用等。 电磁悬浮电磁悬浮凝固技术是指利用会属熔滴与交流磁场相互作用产生的电磁力使 熔滴在悬浮状态下凝固的技术。该技术目前主要有两个方面的应用：一是被应用在地面 实验室中，利用电磁力来克服重力影响而将金属样品悬浮起来，实现微重力环境下凝固 过程；二是被用在空间实验中，来实现对样品的定位。它还是获得无容器凝固、无模凝 固的一条重要途径，并可用来实现金属材料在较大过冷度情况下的凝固技术。 人连理】：人学硕士学位论文 1 21 3 脉冲磁场 在合会凝固过程中施加脉冲电流则是最近几年发展起来的又一电磁细化新技术 ”h3 “。最近，又有了将强脉冲磁场作用于合金凝固过程，晶粒得到显著细化的报道。“。 然而，这些研究多集中于低熔点、便于开展实验研究的p b s n 或p b s b s n 合金，而对 于工业中应用广泛的钢铁、铝合金等高熔点材料研究的还较少。有关磁场对微观结构影 响的研究文献很少。可以认为，关于电磁场对合金凝固行为影响的研究还处于起步阶段， 其物理过程还很不清楚，有关电磁效应的许多问题有待于深入研究o ”1 。一般认为，在强 脉冲磁场作用下，熔体高速运动，出于固、液两相的流速差，熔体会受到很强大的惯性 力，各部分熔体问以及熔体对铸模壁也存在强大冲击力，从而细化晶粒。 1 2 2 电场对金属凝固的影响 凝固过程中施以电场作用的研究在国外始于6 0 年代初。w g ，p f a n n 等首先研究 了电场作用下的传输行为。结果发现，电场作用于凝固体系时，可以引起余属离子的定 向迁移。由于不同的金属离子迁移的方向和速度不同，因而导致了有效分配系数也的变 化和共晶合金中两个组元相的分离或偏聚。v e r h o e v e n 不仅证实了p f a n n 的结果，还发现 电场作用下液体会属内部会发生了混合现象。v e r h o e v e n 使铸件在凝固时有直流电流通 过( 电极分别为铸模和铸件) ，发现凝固组织与常规组织明显不同。c r o s s l e y 等”人发 现电流可使a 卜s i 合金凝固组织粗化，认为是电场所产生的过多焦耳热效应造成的结果。 凝固过程中引入电流来改变凝固组织的新工艺最早由m i s r a 在1 9 8 5 年提出。h f i s r a 研究了 3 0 4 0 m a c m 2 直流电流对过共晶p b 一1 5 s n 一7 z n 合金凝固组织的影响，发现凝固组织不 仅得到了细化，而且变得更均匀。m h m e d s 等人的研究发现电流密度为5 4 0 0 m a c m 2 时不 仅使n i 基超耐热合金的凝固组织得到细化，而且使y7 相形貌发生改变，偏析和气孔率 得到抑制，表明电流对金属的凝固过程可以产生明显的良性作用。通常施加的电场有直 流电场和脉冲电场两种。 1 221 直流电场 使会属或合会在电场中凝固的研究开始于2 0 世纪6 0 年代。a s a i 等”3 人发现s n s b 合 会在高密度直流电场作用下凝固组织得到细化，他认为电流通过凝固样品时会产生感生 磁场，并与电场交互作用产生电磁力，从而使熔体在电磁力的作用下发生流动，导致其 宏观凝固组织的细化。徐雁允等人用直流电场作用于a 卜c u 共晶合金的凝固过程，发现 a 卜c u a l ：共晶层的片间距随着电流密度的增加反而减少。a h m e d 等人研究了直流电场作用 下的n i 基合金定向凝固过程和行为，发现凝固组织被明显细化，y 相呈弥散且细小的 球状颗粒形状，且均匀分布于y 相基体上，凝固组织的空隙率也减少。他认为这可能与 l h 磁场对锅硅及锡磷青铜台金凝嘲绸织影响的研究 外加电场对等离子体的作用有关。s h k l j a r 等“人对电场作用下纯s n 的凝固过程作了研 究，也发现其凝固组织得到了细化，还发现过冷度减小，凝固速率随电场强度的降低而 提高。李辉等人通过研究后发现直流电场可使a 卜s i 共晶合会的过冷度加大、力学性能 大幅度提高，使n - a l 相由树枝状便成颗粒状。常国威等人研究了直流电场强度对a 卜c u 合金定向凝固时的柱状晶间距的影响，得到了它们之间的定量近似表达式。 c r o s s l e y 等人“”通过实验发现直流电流对a l n i 合金的宏观组织有粗化作用，认为 这是直流电场所产生的过多焦耳热效应的结果。对导电液体施加电场时能够引起熔体中 不同性质的离子产生运动，由于离子迁移率的不同，从而导致熔体成分产生相应的改变。 p f a n n 等人”“研究了电场作用下溶质的传输行为，建立了电迁移理论，结果发现在浓度 梯度、焦耳热和洛伦兹力的共同作用下产生的电迁移导致了溶质有效分配系数k 的变化。 并且认为，这种变化可以增加局域细化效应、降低成分过冷趋势。v e r h o e v e n “”通过实 验研究证实了p f a n n 等人的观点，并提出电场作用下液体会属内部会发生明显的混合现 象。后来，a s i a 等”“研究发现，在高密度的直流或交流电场作用下凝固的s n p b 合余的 宏观组织得到细化，并对此做出了相应的解释：电流通过凝固样品时会产生感生磁场， 并与电场交互作用产生电磁力，从而使熔体在电磁力的作用下发生流动，导致其宏观组 织的细化。在以上研究成果的基础上，8 0 年代中期，印度学者m i s r a 发明了一种新的凝 固技术”。他在对低熔点p b s b s n 合金的凝固过程的研究中发现，在合金的整个凝固过 程中对其施加直流电流或者交流电流都会使合金的第二相更加细小，并使其在基体中的 分布更加均匀。之后，他又在铸铁的凝固过程中施加直流磁场，也使凝固组织得到明显 改善，这技术穆为m i s r a 技术“。关于电场对凝固组织的作用机制，m i s r a 认为可能是， 一方面电流的作用提高了界面前沿的溶质浓度，另一方面电流在界面上产生的焦耳热效 应使得界面发生扰动，这样可使界面附近的枝晶发生重熔，从而使共晶组织得到细化。 9 0 年代初期，徐雁允等人“1 在电流密度为1 1 3 6 a cj t 】2 的情况下，研究了宜流电场对a i c u 合会共晶片层间距的影响，结果表明，电场使片间距减小。通过分析认为这是由三个方 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 相转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。近年 来，a h m e d 等人”“通过进一步的实验，研究了直流电场作用下的n i 基高温合会定向凝固 过程和行为，结果发现：发现直流电流密度为5 0 一4 0 0 m a c m 2 时，合金年组织发生如下变 化：凝固组织被显著细化，y 相的形貌发生改变，y7 相呈弥散而细小的球状颗粒状， 且均匀分布于y 相基体上，孔隙率也减小。他认为这可能与外加电场对等离子体的作用 有关。1 9 9 5 年，李辉等人”研究了电流处理对a 卜1 0 s i 合会组织及性能的影响，发现直 流电场可使a 卜s i 共晶合金的过冷度加大，经电流处理后，初生a - a l 由树枝状变成颗粒 大连理丁：大学硕士学位论文 状，并且力学性能大幅度提高。最近，常国威等人。以c u a l 合金为原材料，研究了电 流密度对定向凝固组织中柱状晶间距的影响，推导了在定向凝固中电流密度与柱状晶的 理论关系式并进行了实际研究，认为柱状晶间距随电流密度的增加近似呈下降趋势。 1 2 2 2 脉冲电场 9 0 年代初，n a k a d a 等”人提出了一种新颖的凝固方法：金属熔体在脉冲电场中凝固。 如果在凝固初期施加脉冲电流或脉冲电压，就会引起凝固组织的改变。通过对脉冲电场 作用下s b s n 合会凝固过程的研究发现，脉冲电场可使宏观组织从富s n 的树枝状粗大晶 粒变成由富s n 的球状颗粒组成的细小颗粒，且可使显微组织中的先共晶相也从枝晶状变 成了颗粒状。李建明等人报道了脉冲电场作用对p b s n 共晶合金凝固组织的影响，在脉 冲电场作用下，富p b 的枝晶臂被折断。在低电压、大电容量脉冲电场下，凝固后的初晶 组织由富p b 的树枝状变成球状颗粒，共晶团沿电极方向伸长；而在高电压、小电容量脉 冲电场下，脉冲电场虽不能改变出生相的树枝状形貌，但可使凝固后的共晶组织沿电场 方向被拉长，共晶组织中的层片沿平行于电场方向生长，且共晶层片间距被减小。从而 改善凝固组织。王建中等人”“5 “用电脉冲分别对5 0 c u 合金、t 8 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。 根据人们对电磁学和金属凝固理论的现有认识，可以推测电场作用于凝固系统会 产生如下一系列效应： 电传输效应旧1 即液体金属中的各种离子在电场作用下发生定向迁移的现象。这种电传 输的方向取决于电场的极性。因此，电传输效应只有在直流电场中才能表现出来。在交 流电场作用下，电传输速度为零，无法表现出来。 j o u i e r 效应 电流通过导体时，最为熟知的效应就是焦尔热效应。设电流密度为i ，导 体的电导率为c ，则电流通过导体时，产生的焦尔热q 。为 qj = i 2 c 对于凝固体系来说，焦尔热相当于内热源，它将使凝固系统的整体冷速降低、过冷 度减小。对于固液共存的状态而占，由于液体会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。因此完全 有可能导致固相的重熔，至少可以促进降低界面处的温度梯度和整体的同时凝固。由此 可以推论，电场作用下的凝固过程趋于同时凝固、均匀长大，所以，最终的结晶组织比 较均匀。 电磁场对铝硅及锡磷青铜台金凝固组织影响的研究 p e i t i e r 效应 电导率不同的两种材料接触时，接触面上会有接触电位差，进而产生了 附加的热量，这一效应称为p e l t i e r 效应”，相应的这一热量称为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，q 。= p s i 。 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。所以可以理解，电场作用促进球形或准球形晶粒的形成，抑制树枝晶生长的实验 事实。 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”。电场作用于这个系 统时，这些近程有序团的结构、尺寸和数量都会随着电场强度、方向而发生变化。此外， 由于这种近程有序状态也导致了电场作用下结构起伏、能量起伏及温度起伏的加剧，这 一现象称为起伏效应。由于电场的起伏效应，不难理解电场可以促进均质形核和细化晶 粒的事实。 1 2 3 复合场对金属凝固的影响 在金属凝固过程中分别施加电场和磁场已经取得了一定的效果，在此基础之上，很 多学者又陆续开展了几种磁场或电场之间的复合施加，如同时施加稳恒磁场和交流磁 场、同时施加稳恒磁场和交流电流、施加旋转磁场等。v i v e s 6 ”“”。研究了直流磁场和交 流电场共同作用下所产生的电磁振动流动对亚共晶铝合金凝固过程的影响，发现该流动 促进了凝固组织由柱状晶向颗粒状晶的转化，得到了具有流变凝固特征的组织。r a d i a i 等人”m ”为了研究电磁振动对合余凝固组织的影响机制，分别对电磁场作用下的过共 晶和距共晶a 卜s i 合金的凝固过程作了研究。在他们的研究中，第一次明确验证了气穴 现象。当电磁振荡作用于包含有悬浮硅颗粒的过共晶a 卜s i 合金时，在凝固之前施加电 磁振荡会增加悬浮的硅颗粒的数量并减少它们的平均尺寸。当硅颗粒的晶粒尺寸减小到 定程度时，继续施加电磁振荡不能改变其尺寸；当继续施加电磁振荡到液相线温度以 下时，s i 颗粒开始发尘聚集并被驱逐到试样边部，最终的组织是聚集在外表面的硅颗粒 包围着几乎全部由共晶组织构成的基体。对该现象的解释为：当电磁振荡施加于包含有 悬浮硅粒子的金属液时，产生了压力和张力交替交换的周期性的力，该力使液体做周期 性的运动，因为悬浮s i 粒子的电导率较低，所以不会受电磁场作用的直接影响，当它 们受到因液体振荡而产生的正弦运动时，会产生一个抵抗这种运动的反作用力。连续的 张力和压力作用于悬浮粒子的表面，于是形成了气穴。这些气穴在受张力时，从金属液 中吸入气体在压力作用时，放出一部分气体，最后气泡破裂，在液体产生强烈的碰撞 波动，压挤悬浮硅粒子，使之破碎并进一步细化。在低于液相线温度之后，优先相硅开 大连理工人学硕士学位论文 始形核，悬浮硅粒子也吸收溶解于金属中的硅而长大，这些粒子的振荡使它们具有活化 的表面，和它们周围的粒子发生碰撞而聚集在一起。这些聚集物的电导率比金属低的多， 不会受挤压或振荡的直接影响，移向试样周围的表面以反抗挤压力。在对亚共晶的研究 中。进一步验证并说明了气穴现象是晶粒细化的主要因素。 1 2 3 1 直流磁场与直流电场的复合 c r o s s l e y 等人发现，直流磁场与直流电场的交互作用可使a 卜n i 台会的宏观凝固组 织形成细小的等轴晶体。c u l e 等“”人发现该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。r a d a i 等”人则认为，柱状晶向等轴 晶之间的细化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。a s s i 等“”人通过研究发现，熔体在直流磁场和交变电场的交互作用下会产生交变电 场力，引起了熔体振动，但这种作用并未使宏观凝固组织发生明显改变。k o b a y a s h i 等 人研究了用在直流磁场中低速( 指转速小于1 0 0 r m i n ) 旋转模具的办法来实现电磁搅拌 的过程，并在不锈钢的凝固组织中产生了不同比例的等轴晶区。同时还发现，等轴晶区 的比例与h a n m a n n 常数并无一定的关系，而决定于模壁处的切应力和最大流动速率。 该研究成果为枝晶臂断裂诱发的等轴晶形核理论提供了依据。 1 23 2 直流磁场与交流电场的复合 v iv e s m 4 ，研究了直流磁场和交流电场共同作用下所产生的电磁振动流动对亚共晶铝 合会凝固过程的影响，发现该流动促进了凝固组织由柱状晶向颗粒状晶的转化，得到了 具有流变凝固特征的组织。r a d j a j 等人通过对过共晶a 卜s i 合会在直流磁场和交流电场 共同作用下所产生的电磁振动现象的研究发现，在凝固之前，在含有悬浮s i 粒子的液态 金属中施加电磁振动，然后水冷，发现电磁振动与形核和长大现象无关，且发现单独施 加的交流磁场或直流磁场对凝固组织几乎无影响，而必须同时在凝固过程中施加才能对 凝固组织产生显著的影响。悬浮的s i 粒子数量增加并尺寸减少、宏观凝固晶粒被细化， 他们认为这与电磁振动产生的空化效应把s i 粒子挤碎有关。并发现在凝固过程中，在电 磁力和对熔体产生挤压作用的收缩力的共同作用下，液态金属粒子形成局部聚团并被挤 向型壁，最终得到几乎是完全共晶的组织，只是外表面附近却被不均匀的、聚团的s i 粒 予所占据。r a d j a i 等人又研究了电磁振动的强度和频率对亚共晶a 卜s i 合会组织细化的 影响，结果发现，低强度的电磁振动可使完全柱状树枝晶转变为等轴晶，而且随黄电磁 振动强度的增加，磁压力也增加，