（材料加工工程专业论文）磁场对铝硅合金凝固组织和变质处理的影响.pdf

大连理工大学博士学位论文 1 绪论 材料科学的发展对国民经济和科技的进步起到了积极的推动作用。材料是制造业的 基础，因此从某种意义来说，经济的发展取决于材料和其制备过程。同时现代社会的 不断发展，对材料的各项性能也提出了越来越严格的要求。在材料科学领域，开发新 技术、采用新工艺是提高材料性能和开发新材料的主要手段。近年来，材料的电磁加 工( e l e c t r o m a g n e t i cp r o c e s s i n go fm a t e r i a l s 。简称e p m ) 的研究备受瞩目e l i 。所谓“材 料电磁加工e p m ”是指将电磁场应用于材料制备和加工及处理过程，从而实现对材料 工艺过程的控制及组织性能的改善。在新的世纪里，能源、材料和环境之间的联系不 再被忽略，可持续发展已成为关键的问题。电磁场具有许多电热技术无法比拟的优 点，最显著特点是将电磁能以“场”的形式转换为材料制备过程中的热能和动能，对 材料的制备工艺、组织和性能产生质的影响从环境学的角度看，电磁设备和材料之 间不直接接触，对自然环境影响很小，另外也使被加工的材料污染较小，可生产出高 纯度的材料 2 。特别是随着超导强磁场技术的发展，可能开发无限的新材料和新工 艺。+ 由于电磁场具有能量密度高、清洁、可精确设计和可控性等优点，美国、日本、 法国等国家都非常重视在这方面的研究，并投入了大量的人力、物力和资金。日本相 继成立了“材料电磁加工技术研究会”、“利用电磁力的新一代金属成型法国际研究 促进会”，并于1 9 9 5 年启动了。e p m 新拓展”重大研究项臣 3 】。韩国设立了1 9 9 8 2 0 0 7 年“h i p e r - - 2 1 ”国家重大规划项目，全面开展电磁力在凝固和材料制备中的作用 机理研究。我国在近十年来也大力开展材料电磁加工，并取得了许多科研成果。为将 电磁场应用在不同材料的制备和加工及处理过程中，首先要明确各种材料的磁性。 1 1 依据磁性的物质分类 磁现象是普遍存在的，这种普遍性表现在：任何物质都具有磁性，只是磁性的强 弱不同，有的物质磁性强，有的物质磁性弱；任何空间都存在磁场，只是磁场的强弱 不同，有的地方高，有的地方低 4 。磁的应用可以说在日常生活和生产中随处可见， 如磁电机、电声器件、仪表、磁悬浮系统、磁选机、磁卡、核磁共振等等。地球就是 一个巨大的磁场，其磁场强度为0 5 高斯。 1 - 磁场对铝硅合金凝固组织和变质处理的影响 所有的材料都可以磁化 5 。磁化率z 一等是材料磁化难易程度的标志。在同样大 i 小的磁场中，磁化率大的材料呈现的磁化强度就大。根据磁化率可以将材料分成弱磁 性材料和强磁性材料两大类。 在弱磁性材料中，根据磁化率的不同又可分成如下几种： 在外磁场作用下磁化方向与磁场方向相反，且磁化很弱的是逆磁性材料，这种材 料的磁化率x ( o 。 在外磁场作用下磁化方向与磁场方向相同，但磁化也很弱的是顺磁性材料，这种 材料的磁化率x ) o 。 在外磁场作用下磁化方向与磁场方向相同，但磁化也很弱的还有反铁磁材料，这 种材料的磁化率劢0 ，且其数值与顺磁性材料相仿。这种材料与顺磁性材料的区别是 组成材料的原子磁距之间的排列方式不同。 逆磁性材料，顺磁性材料，反铁磁材料都是弱磁性材料，也可称为非磁性材料。 在强磁性材料中，根据磁化率的不同又可分成如下几种： 在外磁场作用下磁化方向与磁场方向相同，但磁化很强的是亚铁磁材料，这种材 料的磁化率z ) o 且数值很大 在强磁性材料中还有一种称铁磁材料如硅纲片，这种材料的磁化率z ) ) 1 ，其与亚 铁磁材料的区别是组成材料的原子磁距之间的排列方式不同。 亚铁磁材料，铁磁材料属于强磁性材料，也可称为磁性材料。 任何微观粒子( 原子、分子) 都处于热运动状态中，热运动的强弱正比于k t ，其 中k 是玻尔兹曼常数，t 是物体的绝对温度。热运动使每个原子磁距的方向不断地、无 规则地变化，因而互相抵消。原子磁矩包括轨道磁距和自旋磁距。轨道磁距即电子绕 原子核运动形成一环形电流，该电流环相当于一磁距，称为电子的轨道磁距；自旋磁距 由量子效应造成，在空间有正反两种取向。因此，如果没有其它因素的影响，材料就 不会具有磁距。但是原子磁距之间还存在着交换作用。这是由于原子的磁性电子在空 间有一定的运动范围，当两个原子的磁性电子的运动范围在空间有所重叠时，就产生 相当强烈的交换作用。强磁性材料中，这种作用比室温下热运动导致原子磁距无规则 取向的作用要强得多，因此磁性电子的相互取向就取决于交换作用的性质 6 。根据磁 矩和交换作用也可以将材料分成弱磁性材料和强磁性材料两大类。 在弱磁性材料中，根据磁矩和交换作用的不同，也可将材料分成逆磁性材料、顺 磁性材料、反铁磁性材料3 种： 2 - 大连理工大学博士学位论文 原子没有磁矩的是逆磁性材料。 如果磁性电子之间相距较远，磁性电子的运动范围不相重叠，则它们之问无交换 作用。在这类材料中，原子磁距的取向由热运动所决定所以材料无固有磁距。但在 外加磁场作用下，这类材料显微小正向磁距，即磁化率为正。此即顺磁性材料。 在过渡元素组成的金属及合金中，相邻原子的3 d 磁性电子的运动范围可以明显重 叠，产生强烈的交换作用。多数的间接交换作用为负，原子磁距反平行。如果磁距取 向互为相反的原子数耳相同。且磁距大小相等，则材料整体不呈现磁距而成为反铁磁 性材料。 在强磁性材料中，根据磁矩和交换作用的不同，也可将材料分成亚铁磁材料、铁 磁性材料2 种： 相邻原子上的电子通过中间的非磁性离子而发生交换作用，可使原子磁距相互平 行或反平行，如果间接交换作用为负，原子磁距反平行。而原子数目及磁距大小不相 等，则材料整体有固有磁距，这类材料就是亚铁磁材料。 在外加磁场作用下，能感应出微小正向磁距。正交换作用使原子磁距彼此平行取 向，因此材料具有固有磁距，即具有自发磁化强度。呈现自发磁化强度的足够小的区 域叫磁畴，一个磁畴内包含无数个原子。通常，材料内各磁畴的自发磁化强度是按一 定规律取向的。因而可使材料的总磁距为零。这种具有自发磁化强度的材料就是铁磁 性材料。 综上所述。从磁性的角度看，可将材料分类如图1 所示： 3 磁场对铝硅合金凝固组织和变质处理的影响 原子无磁距 原子有磁距 逆磁体( z ( o ) 一 顺磁体( z ) 。)i i 弱磁性材料 两组原子磁距相等 一j 原子间无交换作用， 磁距混乱排列j 原子间有 负交换作用 磁距反平行排列 三兰善三列 磁距平行排列 - j 是亚铁磁体( z ) o 且数值很歹0 铁磁体( z ) ) 1 ) 图1 1 依据磁性的物质分类 f i g 1 1t h ec l a s so f m a t t r eb ym a g n e t i s m 强 1 2 静磁场在金属相变中的应用 目前材料电磁加工过程中使用的磁场主要有静磁场( 直流稳恒) 、交流磁场、特 殊磁场和强磁场( 直流稳恒超导强磁场) 。静磁场一般都是由传统的线圈产生，强度 一般在0 0 1 o 1 t ( 特斯拉) 之间。其主要作用是控制液态金属流动，一般不起搅拌熔 体的作用。交流磁场的频率从几赫兹到数十兆赫兹。可以通过调整磁场的频率，将交 流磁场应用于感应加热、电磁搅拌、电磁加压、电磁传输等工艺过程交流磁场是控 制液态金属传输的有力手段。特殊的磁场主要有移动磁场、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。1 o t 以上的磁场称为强磁场。连续强磁场 的发生设备主要有电磁铁磁体、超导磁体，以及兼有电磁铁磁体和超导磁体的混合磁 体三种。最近，随着超导技术和超低温技术的进步在较大空间内获得高强度的静磁场 变成了现实。 在材料电磁过程研究中，有关静磁场在材料制备领域的研究和实践已取得了许多 成果。特别是强磁场的应用使传统的洛仑兹力的作用效果显著提高，也使对非磁性物 4 枷 嘴 ( 韪 体 磁 磁 甬 铁 原 反 组 是 两 ，。l i ；l _ 大连理工大学博士学位论文 质一直被忽略的磁化力的利用变得可能。强磁场不仅可以从宏观上控制材料的物理化 学反应过程，而且可以影响和调节物质内部的微观电子运动状态，因此它的有效应用 可以求得许多物质的基础物性值，并发现很多新现象或者制各新型功能和结构材料 等。目前，各国在利用强磁场控制材料的物理化学过程、相变、结晶配向等方面均作 了大量工作，并由此诞生了强磁场材料科学。强磁场材料科学的发展也逐步引起我国 材料工作者的极大关注和重视，开始积极开展这方面的探索性研究。 在材料电磁过程研究中，静磁场尤其是强磁场材料科学是当今世界的研究热点之 一 7 。利用静磁场控制材料制备过程的研究，可以分为利用静磁场和电流( 包括施加 电流和诱导电流) 作用下的洛伦兹力，以及磁场对物质的磁化力两个方面 8 。 1 2 1 磁化力的意义 磁化力可以用公式1 1 9 表示 f - 芦。v 逾- 编。v 皿- k 。v 涉“b 2 ( l 1 ) 式中。、肘、日、z 、口分别表示真空磁导率、磁化强度、磁场强度、磁化 率、磁感应强度。在国际单位制，磁场强度h 是由导体中的电流或由永磁体产生的， 是矢量。 心o 、肘、h 、x 、b 的含义如下； 国际单位制规定，一根载有i 安直流电流的无限长直导线，在离导线轴线为r 米 的地方所产生的磁场强度即为： h 上 乙矿 ( 1 2 ) 如取i = 1 安，则在离导线距离为，一米处所得的磁场强度就是单位磁场强度，称 埘 为1 安米( a m ) 。一 磁针及条形磁铁( 宏观磁偶极子) 在外加磁场中都会受到一力矩的作用，该力矩 总是力图使磁针及条形磁铁转动到沿外加磁场方向排列。当其轴线和外加磁场方向垂 5 磁场对铝硅合金凝固组织和变质处理的影响 直时，它所受的力矩为最大力矩。用真空中每单位外加磁场作用在磁偶极子上的最大 力矩来度量其磁偶极距； 优且 声k o ( 1 3 ) 。是真空磁导率。在国际单位制，如o - 4 x 1 0 h m ，m 的单位是( a 酽) m 和 磁偶极距都是矢量。单位体积材料内磁偶极距的矢量和为磁极化强度j ，单位特斯拉 ( t ) 。单位体积材料内m 的矢量和为磁化强度m ，单位( a m ) 磁感应强度b 的定义公式为； b 。o ( 日+ m ) ( 1 4 ) 磁感应强度的单位是特斯拉( t ) 。在真空中( m = o ) ，当磁场强度为1 0 7 4 石 ( a m ) 时，磁感应强度是l t 。因此在没有磁性材料的真空中，b 和h 除了差系数外， l ， 没有本质区别。但是，一旦磁场中有磁性材料存在，b 和h 就有区别。磁化率z ”- - ；= - - ， 盯 是系数，在同样大小的磁场中，磁化率大的材料呈现的磁化强度就大。 磁性材料的z 在1 0 3 数量级，非磁性材料的z 在1 0 4 数量级。因此非磁性材料所受 到的磁化力的大小约是磁性材料的1 0 1 左右。对于亚铁磁材料和铁磁材料这样的磁性 材料进行电磁加工可以应用普通磁场产生的磁化力。对于非磁性材料在普通的磁场 下，磁化力的作用完全可以忽略但是磁化力正比于磁感应强度的平方，1 0 t 下非磁性 材料所受到的磁化力和0 0 1 t 下的磁性材料所受到的磁化力相当。因此，在强磁场作 用下，非磁性体所受到的磁化力是不能忽略的。 1 2 2 磁化力对固态相变过程的影响 由于在相变过程中，母相和生成相的磁化率不同，从而导致在磁场下受磁化力不 同。施加磁场时，可以使金属组织结构发生变化或者改善晶体组织的取向，从而改善 材料的性能。 铁磁性物质的d 与f 壳层中有未成对电子，形成磁性电子壳层。当温度高于t c 时，呈顺磁性，温度低于t c 时呈铁磁性或亚铁磁性。由于具有b c c 结构的铁磁相的磁 6 - 大连理工大学博士学位论文 化率远大于f c c 结构顺磁相的磁化率，磁场对铁磁性材料的相变影响较大 1 0 - 1 2 。磁 场对相交稳定性的影响主要体现在磁场使铁磁合金中马氏体转交开始点升高 1 3 1 7 。 k a k e s h i t a 等 1 8 考察强磁场对多个铁磁性合金系中马氏体相变的影响，发现相变的起 始温度随磁场强度增大而升高。理论解析表明 1 9 ，马氏体相变中，磁感应强度每提 高l t ，马氏体相变温度就上升数k 。日本学者 2 0 系统地研究了磁场对铁基合金马氏 体相变的影响，发现当磁感应强度达到4 0 t 时，马氏体相变点m s 上升约1 0 0 k 。从热 力学角度分析，磁场降低马氏体的自由能，导致m s 点升高。k a k e s h i t a 等 2 1 在对 f e n i 洳合金的研究中指出，磁场诱发的马氏体相交与传热方式诱发的相变具有几乎 相同的组织，这也表明磁与热具有相似的机理影响到过冷奥氏体的相变过程。大石等 9 在f e o 8 2 c 合金连续冷却过程中调查了强磁场对珠光体相变的影响发现，施加7 t 磁场比无磁场时，珠光体相交温度升高。f o k i n a 2 2 等对几种结构钢磁场作用下的珠 光体和贝氏体分解转变进行了研究，认为磁场有助于相变孕育期的缩短，有利于提高 珠光体和贝氏体分解转变的完全程度。x u 等 9 的研究表明，在珠光体的等温相变中 磁场可促进珠光体相交。 在固态相变过程中，磁场可导致材料组织细化。杨钢和冯光宏的研究结果表明：在 磁场热处理铁素体钢或珠光体钢时，磁场能够细化铁素体晶粒 2 3 磁场下淬火可以 提高马氏体的耐蚀性，细化马氏体组织。在微合金钢由奥氏体向铁素体转变的过程中 施加静磁场，则随着磁感应强度的增大，奥氏体向铁素体转变的起始温度提高，形核 率增加，最终使得铁素体晶粒明显细化 2 4 - 2 5 。冯光宏等 2 6 - 2 7 发现在低碳锰铌钢 的奥氏体向铁素体和珠光体转变的过程中施加稳恒磁场可以细化组织。这是由于磁场 导致晶格畸变，内部畸变能增大，相变驱动力变大。而固态相变又容易在晶格畸变区 形核，两种因素共同作用的结果使固态相交形核率增大。组织细化。 上述研究主要集中在磁场中铁磁性体系相交，有关磁场对非铁磁性材料相交的影响 的研究还很少见到。但是王晖和任忠鸣等 2 8 通过理论计算认为，磁场使顺磁性物质 趋于稳定，而抗磁性物质趋于不稳定。磁场中纯物质凝固，顺磁性物质的平衡凝固温 度升高，抗磁性物质的降低。因此在非磁性材料相变过程中施加强磁场，也有望影响 各相g i b b s 自由能的大小，改变具有不同磁性能相的生成形貌。 1 2 3 磁化力对材料固态下晶体生长的影响 利用磁场下的金属再结晶过程进行组织及功能控制机理主要有以下两个，一是磁 场作用予位错的再排列过程。使之形成较低能量状态的位错形式；二是强磁场改变了 晶体的界面构造和界面能，使界面的移动度发生变化。m a r t i k a i n e n 等 2 9 将f e - - 7 - 磁场对铝硅合金凝固组织和变质处理的影响 0 1 0 w t c 与f e - o 1 6 w t c 两种材料经4 6 6 1 变形量冷轧后，在1 5 t 磁场中，于 9 7 3 k 和9 9 8 k 温度下进行再结晶时发现，磁场可以抑制再结晶过程，而且不加磁场时优 先在 1 1 1 方向形成织构，施加磁场后，优先在 1 t o 方向形成织构。这说明在平 行于磁场的 1 1 0 方向形核自由能最低，再结晶驱动力最大。已有的研究还发现随着 磁感应强度的增加，f e - 9 c o 合金的再结晶组织中小倾角粒界的频度随之增加。但是 以上的研究所用的磁场的磁感应强度都低于2 t 。最近，利用强磁场中的热处理技术研 究组织控制越来越引起重视。强磁场对材料固态条件下晶体形核和生长都有重要影 响。x u 等 3 0 对热延和冷延f e - 3 w t s i 试样的再结晶过程中强磁场的效果进行的调查 结果表明，对2 0 3 0 压延率的合金施加5 t 的磁场时，强磁场对再结晶过程有抑制作 用。而对7 0 以上压延率的合金，强磁场的作用效果交得不太明显。g a s a h a s h i 等t 3 i 利用铁的磁化率的各向异性，主要研究了f e - 3 2 5 s i 电磁钢板在强磁场中进行再结晶 时结晶体的取向情况，由于0 0 1 ) 方向的磁矩常数大，在磁场作用下，( 0 0 1 ) 方向 的集合组织发育良好。 有分析认为，磁场作用于磁流体将会诱发流体中磁性颗粒产生磁偶极子，磁偶极 子之间相互作用形成多极磁力距。这些颗粒之间的磁力各向异性促使它们的磁力距首 尾相接排列，从而使颗粒之阎相互靠近。这种颗粒间的相互作用导致了颗粒沿磁场方 向排列并形成链状、柱状以及更为复杂形状的组织。研究发现 3 2 了在a y 逆向转 交过程中顺磁性面心立方相在铁磁性体心立方相形核并形成上述组织的现象。对0 1 9 6 c 钢在8 t 、8 0 0 。c 下进行实验的光学显微照片如图1 2 3 2 所示。 8 大连理工大学博士学位论文 图1 2f e 一0 1 c 试样的微观组织( 8 0 0 ，4 5 m i n ) ( a ) 平行于磁场方向，纵截面组织，磁场强度为8 t ( b ) 垂直于磁场方向，横截面组织，磁场强度为8 t ( c ) 未施加磁场时的微观组织 f i g 1 2m i c r o s t r u c t u r e so f f e - 0 1 cs p e c i m e n s ( 8 0 0 。c ，4 5m i n ) ( a ) t h ec r o s ss e c t i o np a r a l l dt oam a g n e t i cf i e l do f8 t ( b 1t h ec r o s ss e c t i o np e r p c n d c u l a rt ot h ef i e i do f8 t t h em i c r o s t r u c t u r eo fas p e c i m e nw i t h o u tm a g n e t i c 丘e l d 图中( a ) 、( b ) 分别表示试样平行、垂直于磁场方向的截面上的微观组织，( c ) 表示 未施加磁场时的微观组织。图中黑点表示淬火后形成的新相，白色区域是初始马氏 体。可以看出在图( a ) 中黑点沿着磁场方向星链状分布，在图( b ) 中则分散分布但大小 比较均一，而在( c ) 中则杂乱不一并且与观察截面无关。 1 2 4 磁化力对取向过程的影响 取向的基本原理是利用磁各向异性，以晶体所受磁化能最小的位置取向。磁各向 异性有磁晶各向异性、形状磁各向异性和感生磁各向异性。其中磁晶各向异性是磁化 的难易程度与晶体结构相关。由于原子是按照一定位置排列而形成结晶体的，由于各 个方向原子排列的情况不同，各个方向上的物理性质也就不同。沿各个方向磁化时难 易程度有差别，磁化强度平行于各种不同晶向时，其能量不同。磁化强度沿不同方向 9 磁场对铝硅合金凝固组织和变质处理的影响 排列时所相应的这种能量叫做磁晶各向异性能。磁晶各向异性能最小的方向叫做易磁 化方向。 形状磁各向异性是指在凝固过程中，当析出与熔体磁化率不同的结晶物时，伴随 着凝固而发生的磁化能的变化还与形状有关。材料被外加磁场磁化，材料两端产生正 负磁极，形成感生磁场z 匕。z 用公式1 ，5 9 表示： h 4 一n m ( 1 5 ) m 为磁化强度，日。为感生磁场强度，为反磁场系数。n 是只与析出物的形状 有关的系数。在直角坐标系内，分为虬、n y 、也，则公式1 6 9 成立： n l + n ，+ nz 一1 ( 1 6 ) 那么对于球形的析出物，虬- 虬一z - 1 1 3 对于薄板状析出物，z 和) ，方向的 尺寸很大，g 方向尺寸很小。由于磁极产生的磁场强度随磁极间距离的平方的增大而 减小，所以也一虬- 0 ，而也一1 。 当非磁性的熔体中析出磁性结晶物时，如果结晶物的形状为板状和棒状，根据如 下公式1 7 9 ： 加川一一。 - l 。肘。， j ( 1 7 ) 式中，u 为磁化能量( 下标分别表示析出物的长轴方向与磁场方向平行和垂直时 的磁化能量) ；，为真空磁导率；日。为外部磁场强度；以为析出晶体的磁化率。 为反磁场系数，下标分别表示析出物的轴向与磁场方向平行和垂直时的常数。当析 出物的形状为针状或片状时，。，) 。，所以u ，巩。则在析出磁性结晶物的轴向 与磁场方向平行时，磁化能最低。例如b i - 4 m n 熔体为非磁性，凝固时析出磁性的树 枝状m n b i 呈无规则排列。如果在凝固过程中施加4 5 t 强磁场，析出磁性的树枝状 酣n b i 沿与磁场平行方向取向，如图1 3 所示 9 。其中( a ) 为旌加4 5 t 强磁场时b i - 4 m n 合金的凝固组织，( b ) 为不施加磁场时b i 一4 m n 合金的凝固组织。 1 0 - 大连理工大学博士学位论文 l! ! 翌翌 l 图1 3b i - 4 m n 合金的凝固组织 f i g 1 3t h es t r u c t u r e so fb i - 4 m na l l o y s 当熔体和结晶物均为非磁性物质时，根据公式1 8 9 ： u 咀- u ，* ( - ，耽一庇睁 ( 1 8 ) 式中z 。为熔融金属媒体的磁化率，其余各符号的含义与公式( 1 7 ) 相同。如果 结晶物的磁化率以大于熔体的磁化率石耐，则，上，结晶物以其轴向平行于磁场 方向取向；反之，如果结晶物的磁化率小于熔体的磁化率石槲，则【厂上u ，结晶 物以其轴向垂直于磁场方向取向。例如从非磁性的a 卜1 1 s i 一2 f e 熔体中析出板状的 非磁性的a 1 - 9 s i - 1 5 f e 金属问化合物，在5 t 强磁场作用下，板状的金属间化合物以 垂直于磁场方向取向 3 3 ，如图i 4 所示。其中( a ) 为施加5 t 强磁场时a 卜1 1 s i 一 2 f e 合金的凝固组织，( b ) 为不施加磁场时a i - 1 1 s i - 2 f e 合金的凝固组织。产生这 种现象的原因是由于a 1 - 9 s i - 1 5 f e 金属间化合物的磁化率小于a 1 一1 1 s i 2 f e 熔体 的磁化率。 1 1 - 磁场对铝硅合金凝固组织和变质处理的影响 感生磁各向异性是在热处理、压力加工等过程中，人为地制造出的磁各向异性。 晶体中磁化率绝对值大的轴向垂直磁场方向取向。例如制各薄膜时，由于与基板的热 膨胀系数不同而产生残余热应力，诱导出感生磁各向异性。b i 和z n 都是六方晶结构的 非磁性物质，其a 、b 、c 轴如图1 5 所示。在常温下，b i 和z n 的a 、b 、c 轴的磁化率 分瓤为，x 卷- 一1 2 4 x 1 0 。x i 一1 7 6 x 1 0 。，x 嚣- 一1 8 1 x 1 0 。， 舻- 一1 3 3 x 1 0 4 。a 、b 和c 轴的磁化能分别由公式1 9 和1 1 0 确定： 一吾兢，日： u t i i 1 珥m o x c h 。2 ( 1 9 ) ( 1 1 0 ) 式中，u 为磁化能量( 下标分别表示a 、b 、c 轴的磁化能量) ；p 。为真空磁导 率；日。为外部磁场强度。 对于b i 来说，由于乜j ，笳，则致，- 玑j ，即外加磁场方向与a 、b 轴一致时磁 化能量较小。因此在5 t 强磁场中，以激光照射b i 使其蒸发在基板上形成薄膜。发现 对于b i 以其c 轴垂直磁场方向取向。对于z n 来说，由于厄 t 航，则玑t 玑 ，即 外加磁场方向与c 轴一致对磁化能量较小。因此在5 t 强磁场中，以激光照射z n 使其 蒸发在基板上形成薄膜。发现z n 以其a 、b 轴垂直于磁场方向取向 9 。 1 2 - 大连理工大学搏士学位论文 ( a )( b ) 图1 4a l - 1 1 o s i - 2 f e 合金的凝固组织 f i g 1 4t h es t r u c t u r e so r a l 1 1 s i 一2 f ea l l o y s 图1 , 5 六方晶的单位结晶 f i g 1 5t h eu n i tc r y s t a lo fh e x a h e d r a ls t r u c t u r e 1 2 。5 利用磁化力进行磁性分离 如果从金属熔体( 磁化率) 中析出了析出物( 磁化率以) ，则此析出物所受 作用力可以用公式1 1 l 表示 1 3 兄 磁场对铝硅合金凝固组织和变质处理的影响 f 一忱一z 删扛。扭跗 式中z ，、石蒯、如。、日分别表示析出物的磁化率、金属熔体的磁化率、真空磁 导率、磁场强度。由于磁化力的大小和方向可以人为地控制，利用这种磁化力可以使 析出物趋近凝固界面，或背离凝固界面，从而有望进行析出物的磁性分离。利用析出 物磁化率的差异，在磁场中凝固a i - 1 8 s i 合金，可以使初生硅偏聚 3 4 - 3 8 。将混有 金属间化合物的a l - s 卜渤一f e 合金和a i - s i 合金，分别放置在强磁场中凝固，发现利 用磁化力可以去除金属间化合物 3 9 - 4 4 。 1 3 洛伦兹力的应用 凝固过程中液体金属的温度差将会引起热对流，这是由于温度不同造成热膨胀的 差异，从而引起液体密度的不同，在重力场中密度较小的液体受到浮力的作用。同 样，液体成分不均匀也会由于密度不同而引起浮力。这种由于密度不同产生的浮力是 对流的驱动力，当浮力大于液体的粘滞力时就会产生对流这些都属于自然流动。在 金属凝固过程中，在固、液两相并存区内，液体金属在枝晶之间也可以流动，这种流 动的驱动力来自三个方面即：凝固时的收缩，由于液体成分变化引起的密度改变以及 液体和固体冷却时各自的收缩等。这些流动影响到热量和物质的传输，进而对固体结 构及成分偏析都会产生明显影响。李强和莫春立等 4 5 通过模拟发现，在冷却过程中自 然对流改变了铸锭内的温度场、速度场和溶质场的分布，进而影响到凝固组织的形貌。 徐才录等 4 6 在a i s i 7 0 合金固液界面上施加强制性对流，发现强制性对流条件下。 合金的共晶体体积分数以及共晶体中的s i 粒子的体积分数都较只有自然对流时高。 如图1 6 所示，当一个导电熔体中存在流动，外加磁场感应产生洛伦兹力，洛伦 兹力的方向总是与流动的方向相反，所以洛伦兹力总趋向于使流动的强度减小。 1 4 大连理工大学博士学位论文 x z y 图1 6 强磁场抑制流动原理图 f i g 1 6 m c i p l eo f c o n t r o lo f h i g hm a g n e t 丘l e do nc o n v e c t i o n 导电性流体垂直于直流稳恒磁场口中以速度y 运动时，流体中生成的诱导电流和 磁场相互作用生成的洛伦兹力可以用公式( 1 1 2 ) 表示。 f - 盯缈口) x 口 ( 1 1 2 ) 式中o r 、b 、v 分别表示导电率、磁感应强度、流体运动速度。由于洛伦兹力与外磁 场强度的平方成正比，所以磁场能够有效地抑制导电熔体中由重力场引起的对流运 动。 同样直流稳恒磁场还可以抑制波动。磁场对液面波动的抑制效果随着磁场的施加 方向和波动方向的变化而不同。磁场的施加方向有如图1 7 所示的三种 4 7 。图中 ( a ) 为磁场方向垂直于熔体表面的垂直磁场，( b ) 为横断磁场，( c 为水平磁场。 垂直磁场和水平磁场的场合，波动以磁感应强度的二次方成比例衰减。横断磁场的场 合，只有当液深方向上存在磁场梯度时，磁场的波动抑制效果才能显示出来。 - 1 5 磁场对铝硅合金凝固组织和变质处理的影响 一 惠一 图l7 磁场的施加方向与波动的关系 f i g 1 7s c h e m a t i c 、，i e ws h o w i n gr e l a t i o no ft h ed i r e c t i o no fi m p o s e dm a 弘e t i c6 e l dt o s u r | a c ew a v e s 1 3 1 洛伦兹力抑制流动和波动的作用 利用洛伦兹力抑制流动和波动作用的电磁制动技术。电磁制动首先被用于连铸机 结晶器内钢水注流的制动，用以改善铸坯质量 4 8 - 5 1 。由于射流作用，钢水在出口处 出现复杂的流动状态，如果在流股冲出途中施以静磁场，则此处会在钢水中感应出电 流，产生洛伦兹力，对流股产生制动。理论解析结果表明，施加磁感应强度为0 。5 t 的 磁场，和无磁场相比，钢液的偏流指数r 从1 0 下降到0 3 。t t a k e u c h 等 5 2 对熔 池内的钢液施加磁场，可以抑制磁场上部和下部钢液的混合，利用该方法可以进行多 1 6 大连理工大学博士学位论文 层钢板的制造。在双辊铸造和连续铸造中，钢液自由面的波动易造成制品的品质降 低利用静磁场控制双辊连铸过程中辊间液面波动，改善了由于自由液面波动造成的 铸坯表面的缺陷。目前电磁制动技术有了很大发展。已成为控制高速板坯连铸中钢水流 动的重要手段。 在冷却过程中自然对流改变了铸锭内的温度场、速度场和溶质场的分布，进而影响 到凝固组织的形貌。利用洛伦兹力抑制流动和波动的作用可以改善凝固组织。m u l l e r 等人1 5 3 在1 9 6 4 年就提出了用磁场抑制自然对流的方法h o f 在2 0 0 1 年完成了长、 宽、高比为5 ：1 3 ：l 的长方体腔体内镓熔体的自然对流，以及不同方向磁场作用时 抑制流动的实验 5 4 。在磁场作用下，对于宏观组织，由于液态金属的对流削弱，这 就降低了金属熔体的降温速率，保持了凝固界面较高的温度梯度，利于柱状晶的生 长。对于微观组织，则使枝晶横向生长受到抑制，枝晶分支的发展也受到抑制。杨森 等 5 5 3 研究了磁场强度为2 o 1 0 4 a m 横向均匀静磁场对a l _ b i 偏晶合金定向凝固的 影响，横向均匀静磁场可以有效地抑制定向凝固过程中熔体的对流，使偏晶系a l - b i 合 金纤维组织间距和纤维直径减小时海芳等 5 6 研究了磁感应强度为0 1 2 t 的磁场对 a i - c u 合金定向凝固组织的影响，发现枝晶一次臂平均间距减小且枝晶取向较为一致， 这迸一步说明在定向凝固条件下，磁场能抑制熔体的对流。王晖和任忠鸣 5 7 对b i 合金藏加o w l o t 磁场，发现m n b i 相在大子0 i t 的磁场作用下沿磁场方向定向排列 、和优先长大。h i d e y u k i 等 5 8 在磁场作用下对铜的凝固进行研究时发现，受到悬浮作 用盼铜熔融物在静磁场场强在0 2 t 到o 4 t 之间运动最剧烈，当静磁场低于0 ，2 t 时静 磁场重力中心的波动的效果不明显。在静磁场强度低于0 2 t 时重力中心区域以直径为 5 0 0 | im 的颗粒波动。当静磁场强度达到0 3 t 到0 4 t 时，重力中心的波动增大当静磁 场强度为0 。3 2 t 时从轨迹中可以看出，重力中心沿一个方向波动。当静磁场强度高于 o 5 t 时，重力中心的波动减少( 颗粒直径小于2 0 0 l l ) 。在强磁场大于1 t 时，悬浮的铜 熔融物就很难发生对流了。可以看出磁力能减少对流和振动，从而导致运动减弱。文 章中显示金属性熔融物在悬浮中静止的象一个固体的球。安田秀幸等 6 9 对偏晶成分 p b - i s c u 和过偏晶成分p b - 3 5 9 6 c u 合金的研究结果表明：施加i o t 强磁场后，偏晶成分的 凝固组织明显细化，过偏晶成分凝固组织的偏析明显改善。王强等 6 0 - 6 1 通过理论计 算和实验证明，对a 1 等大多数金属而言，强磁场可以通过改变金属熔点，系统g i b b s 等不同程度地促进形核。王强和王春江等 6 2 还发现在强磁场下，a l - 1 8 o s i 加热至全 熔态冷却下来的凝固组织中初晶硅的形态发生了明显的改变，由板片状转变为块状， 初晶硅显著细化。同时由于强磁场的对流抑制效果阻碍了初晶硅的自由移动，因此强 - 1 7 磁场对铝硅合金凝固组织和变质处理的影响 磁场可以使a l - 1 8 s i 过共晶合金凝固过程中析出的初晶硅在垂直于磁场方向的横截面 上分布均匀化。冉新天和任忠鸣等 3 7 测定了a 卜1 8 s i 合金的初晶s i 的凝固降温曲 线，发现有、无磁场作用下的冷却速度基本相近，磁场的施加未明显影响合金的传 热。但另有研究发现，在强磁场作用下，过共晶a i 一1 8 s i 合金中的初晶硅发生显著偏 聚 6 3 j ，两个研究结果有不同之处。另外，也有研究表明在施加0 1 5 t 左右的磁场条 件下，a i - 1 8 s i 合金的中心组织发生粗化现象，当b 达到0 2 4 t 时，发生了初晶硅的 宏观偏析现象 6 4 - 6 5 。在强磁场作用下，铝硅共晶体仍然是典型的针片状组织，但当 磁场强度为6 t 时，共晶硅比o t 和l o t 的条件下要细得多。也就是说，细化效果并非 磁感应强度越大越好，而是有一个最佳值。因为随着磁感应强度的增大，阻碍流体运 动的洛伦兹力力也随之增大，磁场的对流抑制效果也更加明显，金属液中温度和成分 的不均匀性增大，这有利于柱状晶的形成和长大，使细化效果变得不再明显。 单晶硅生产中的难点是电阻率分布不均，氧沉淀和氧沉淀分布不均，这些现象应 归之于晶体生长时周一液界面不平坦及熔体的热对流。因此静磁场在硅晶体的拉制中取 得了很好的效果 6 b 。利用硅熔体是电的良导体，导体在磁场中作切割磁力线的运动 会产生洛伦兹力，起到抑制热对流的作用。 根据团簇物理的理论 8 7 6 9 ，由于金属熔体的组织结构随熔体温度的不同而不同， 熔体温度较低时，熔体中含有许多短程有序的类固相原子团簇，这种短程有序的原子团 簇就是晶胚。具备一定条件后，大于一定尺寸的晶胚就会成为晶核。假设原子团簇在固 液界面处的跳跃过程中，由液相到固相需要克服的势垒为瓯，环境对熔体作功时，假定 g b7 为环境作功时固液界面处原子团簇势垒的改变量，那么，做正功时g b7 0 ，做 负功时瓴 0 ，则( 瓯一厶g b7 ) 为环境作功条件下固液界面前沿液相中的原子团 簇向固相跳动时所需克服的势垒。如果把磁场看作外部环境对熔体作功，由电磁理论可 知，当施加强磁场时，由于熔体中存在自然对流，熔体中会产生感生电流，从而引起洛伦 兹力作用于熔体，可抑制其运动，因此，环境对熔体做负功，则 瓯一a 瓯，瓯 ( i 1 3 ) 式( 1 1 3 ) 表明，在静磁场作用下，原子团簇由液相向固相迁移所需克服的势垒比没 有磁场作用时增加了。因此磁场使a i - 1 3 3 o c u 合金的熔点降低，合金的液相线和固相 线温度下降，结晶间隔交大。且磁场强度越大熔点越低 7 0 7 1 。在施加磁场条件下镁 合金的液相线温度和固相线温度也有较大幅度的改变，液固区间也有增大现象。同时， 1 8 - 大连理工大学博士学位论文 磁场显著净化了镁合金组织，夹杂物数量显著减少，并且夹杂物的形状从正常的 “爪”形转变为。球”形，减少了夹杂物对镁合金性能的不定影响 7 2 】。 从已有的理论分析和实验结果看，一方面强磁场对原子迁移扩散行为有影响，利 用强磁场有可能制备出结构完整，成份均匀的晶体材料；另一方面，体系不同，施加 磁场的方式不同，强磁场抑制对流作用对溶质分布的影响不尽相同。这说明强磁场抑 制对流对溶质分布的影响规律复杂，如何有效利用强磁场的这一作用还需要大量的研 究工作。 1 3 2 洛伦兹力在提高溶质在基体中的固溶度的作用 班春燕和崔建忠等 7 3 研究了0 0 7 2 t 磁场作用下，a l 一5 5 z n 、a 1 2 5 m g 、a 1 一 i 5 c u ( 质量分数，) 三种二元合金的微观结构，发现磁场处理可增强铝合金晶粒沿着 磁场方向的取向，使盯- a 1 ( c u ) a - a l ( z n ) 的晶格常数减小了，使口一a 10 l g ) 的晶 格常数增大。并促进了溶质在铝合金熔体中的扩散，使得溶质在口- a 1 周溶体中的固溶 度增加了许光明和包卫平等 7 4 通过实验发现在0 3 t 磁场作用下，镁合金中的合金 元素在镁中固溶度也增加了，因此组织也发生了显著的变化，晶粒进一步得到细化， 聚集在晶界上的共晶化合物显著减少，在晶内和晶界附近存在大量弥散的近似球状化 合物质点，晶界上连续的网状共晶组织被打碎。受洛伦兹力的作用，传质过程加快， 粘滞系数下降。导电率提高。因此静磁场能提高镀液的分散能力、覆盖能力和电流效 率 7 5 。 1 3 3 洛伦兹力在电磁离心铸造中的作用 杨院生等 7 6 在传统的离心铸造法中引入静磁场，就构成了电磁离心铸造工艺。 这是由于引入静磁场后，作圆周运动的液态金属中将产生洛伦兹力，形成了电磁搅拌 的原因。电磁离心铸造即保留了普通离心铸造组织致密，疏松和气孔少的优点。又充 分利用电磁搅拌作用，克服了离一t l , 铸造的缺点，使粗大的柱状晶组织变为均匀的等轴 晶组织。同时，第二项分布均匀、成份偏析得到控制。为获得均匀细小的凝固组织开 辟了一条新途径 7 7 - 7 9 。时海芳等 s o 发现，当电磁感应强度在0 2 1 时，颗粒就均 匀分布在试样的截面上。贺幼良等 s 1 研究了电磁离心铸造工艺、凝固的力场分析及 用有限元法对电磁离心凝固过程熔体的流动和传热进行耦会分析，阐明了晶粒细化的原 因。 总之，利用静磁场和电流( 包括旌加电流和诱导电流) 作用下的洛伦兹力，以及 磁场对物质的磁化力的作用，可以影响金属材料的固态相变和液态相变，其中利用磁 1 9 磁场对铝硅合金凝固组织和变质处理的影响 化力的作用可以影响固态相变过程，材料固态下晶体生长，形成取向，引起磁对流， 进行磁性分离：利用洛伦兹力的作用可以抑制流动和波动，提高溶质离子在基体中的 固溶度，在电磁离心铸造中可以获得均匀细小的凝固组织。 1 4 本文主要研究内容 铝合金在航空航天、汽车和军工等领域的应用越来越广。铸造舢s i 合金是铸造铝 合金中最重要的一个系列。随着现代工业的飞速发展，对铝硅合金的综合性能的要求 不断提高。铝硅合金的研究与应用也面临着严峻的挑战。在提高铝硅合金性能的各种 措施中，变质处理是一个非常重要的措施。亚共晶型和共晶型a l - s i 合金的变质处理 表现出最好的变质效果，但由于存在有效时间短和重熔失效以及过变质的问题，逐渐 有被变质效果略差的s r 取代的趋势。要发挥n a 变质效果最好的优势，克服有效时间短 和重熔失效以及过变质具有重要意义。在过共晶型m - s t 合金的p 变质( 细化) 处理中 容易出现初晶s i 偏聚的问题，而具有细小、分散而形状圆钝化初晶硅的合金有比较好 的切削性能。因此研究变质处理后初晶硅的分布具有重要意义。特别是亚共晶和共晶 型朋s i 合金的n a 变质处理的本质是通过改变硅的生长方式，达到细化共晶硅的目的： 而过共晶型m s i 合金的p 变质处理的本质主要是通过增加硅的形核，达到细化初晶硅的 目的。研究磁场对这两种本质不同的变质处理具有重要意义。本文进行磁场、尤其是 强磁场对铝硅合金的凝固组织和变质处理的影响的研究，内容主要包括以下几个方面： 1 ) 强磁场对a i - s i 合金的凝固组织的影响。 2 ) 强磁场对亚共晶和共晶a 卜s i 合金n a 变质处理的影响，包括变质效果、变质有效 时间、重熔失效和过变质。 3 ) 强磁场对过共晶a i - s i 合金中的初晶硅生长机制的影响。 4 ) 强磁场对过共晶a i - s i 合金p 变质( 细化) 处理的影响。 5 ) 前面各项所利用的强磁场的磁场强度方向均垂直于凝固方向，还要研究在平行于凝 固方向上施加磁场对过共晶a l - s i 合金的凝固组织和变质处理的影响。前5 项研究 利用的强磁场都具有抑制熔体流动的作用。 6 ) 利用旋转交变的磁场在金属液内感应出交变的电流，交变的感应电流与交变的感应 磁场相互作用产生的洛仑兹力使金属液产生旋转运动，达到人为地加强流动的目 的。以此研究增强流动对过共晶a 卜s i 合金的凝固组织和变质处理的影响。 2 0 大连理工大学博士学位论文 2 实验材料与方法 2 1 铸造铝硅合金的研究意义 汽车工业是铸造业发展的最大推动力，是铸件生产的晴雨表。汽车铸件所用材质 主要是铸铁和铝合金，另有少量的镁合金和铜合金、锌合金 8 2 。由于能源和环保问 题对汽车提出了降低重量的要求，所以应用于汽车上的铸件材料正在发生改变，质轻 的有色金属逐渐取代黑色金属，其中铝合金是主要的替换材料。铝合金铸件原仅用于 活塞等少数零件上。随着轿车轻量化要求的臼益提高，铝铸件得到飞速发展，现已广 泛用于轿车缸盖、进气管、变速箱壳体等零件上，轿车缸体应用也有日益增加的趋 势。世界上各载重车型平均铝化率1 9 9 5 年为9 1 0 ( 1 i ok g 辆) ，2 0 0 0 年达到1 5 2 0 9 6 ( 1 6 0k g 辆) ；轿车铸件中铝件所占的质量百分比1 9 9 5 年为2 0 ，2 0 0 0 年为4 0 9 6 。 2 0 1 0 年应达到6 0 8 3 。因此。以提高总体燃料经济性和保护人类生存环境为目的的 汽车轻量化运动，促进了铝合金铸件在汽车上的应用。由此可见，铸造铝合金的研究 与应用具有重大意义。 铸造脚s i 合金是铸造铝合金中最重要的一个系列。是在a 1 c u 系合金之后开发出 来的一类