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电磁搅拌在凝固中得作用机理及工程应用报告电磁场作用下铝合金凝固理论基础研究【摘要】：本文是国家重大基础研究计划(973)中提高铝材质量基础研究,外场作用下的铝合金凝固的一部分,主要研究电磁场作用下铝合金凝固的基础问题。包括电磁场作用下铝合金液相线、固相线的变化规律;电磁场对铝合金中溶质元素的固溶度、合金元素的宏观偏析的影响;以及电磁场作用下,铝合金的微观结构和凝固组织的改变,并探讨了铝合金在电磁场中凝固行为的作用机制。旨在通过各方面的探索,为材料电磁过程(EPM) 理论提供新的基础知识,为材料电磁过程技术的开发提供理论基础。本研究的主要工作及取得的研究结果如下: 首次采用电阻法测试了纯Al 及Al-3.01Cu、Al-5.69Cu、Al-11.4Cu、Al-13.3Cu、Al-17.4Cu 二元合金在交流或直流磁场作用下合金的液相线温度和固相线温度以及结晶温度间隔变化规律。不同磁场强度的交流磁场作用下,铝铜二元合金的液相线和固相线温度均有所提高,结晶温度间隔变小,液相线和固相线斜率变小,平衡溶质分配系数k_0 增加,随着磁场强度的增大,上述变化越明显, 纯铝的熔点随交流磁场强度的增加而升高;在直流磁场作用下,二元铝铜合金的液相线、固相线温度均有所下降,结晶间隔温度变大,液相线和固相线斜率变大,平衡溶质分配系数k_0 增加,磁场强度越大,变化幅度越大, 纯铝的熔点随直流磁场强度的增加而降低。另外,用同样的方法测定了直流磁场以及不同频率、不同强度的交流磁场对7075 铝合金液、固相线的影响,在直流磁场作用下凝固的7075 铝合金,其液相线温度和固相线温度的变化规律与二元合金的相同;在不同频率或强度的交流磁场作用下,频率越低,磁场强度越大,7075 铝合金的液相线温度和固相线温度升高的幅度越大,结晶温度间隔越小。提出将磁场作为外部环境对熔体作功,交流磁场对熔体做正功,直流磁场对熔体做负功,在交流或直流磁场作用下,改变了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,从而使临界形核功减小或加大,因而最终导致合金熔点的升高或降低。从凝固的动力学及热力学角度分析了电磁场对铝合金结晶过程的影响。 首次系统地研究了电磁场对铝合金凝固后溶质固溶度的影响。通过实验发现在铝合金凝固过程中施加电磁场可以显著提高溶质元素的固溶度。Al-5.3Zn、间歇式变向复合电磁搅拌作用下60Si2CrVAT钢的凝固组织摘要研究了间歇式变向复合电磁搅拌作用下60Si2CrVAT弹簧钢连铸坯的凝固组织。结果表明，间歇式变向复合电磁搅拌工艺可以显著减少60Si2CrVAT弹簧钢铸坯断面中心疏松和缩孔，提高铸坯凝固组织的致密度。铸坯中二次枝晶臂间距为30250 m，中心等轴区由铸坯断面面积的19.6%增加到25%，铸坯内部质量得到了极大的改善。电磁搅拌对弹簧钢60Si2Mn凝固组织的影响赵爱民毛卫民崔成林李彦军钟雪友摘要利用金相观察了电磁搅拌对弹簧钢60Si2Mn凝固组织的影响情况，并讨论了形成机制结果表明： 在凝固过程中进行电磁搅拌，引起熔体的强烈流动，使液相区的温度场和溶质含量趋于均匀； 凝固时奥氏体的一次臂生长速度减慢，消除弹簧钢60Si2Mn一次结晶组织中发达的柱状树枝晶层；而且随着搅拌功率的加大，弹簧钢一次结晶奥氏体的粒化或非枝晶化（nondendrite)程度提高；电磁搅拌使弹簧钢凝固的晶核增多，一次结晶组织得到细化关键词电磁搅拌； 半固态金属； 凝固组织； 弹簧钢分类号TG250Effects of Electromagnetic Stirring on Solidification Structure of Spring Steel CastingsZHAO Aimin mAO WeiminCUI ChenglinLI YanjunZHONG Xueyou（Materials Science Engineering School, UST Beijing , Beijing 100083）ABSTRACTSThe influence of electromagnetic stirring on the solidification structures of the spring steel castings or ingots has been investigated.The experiments have shown that the large columnar dendric austenitie formed in a conventional unstirred castings can be substituted by fine equiaxed grains or dedendric grains when stirred with electromagnetic field for a short time .The higher stirring power, the more spherical or dedendritic the austenite was obtained.The amount of austenite nucleation increased and austenite grain become finer in stirring castings.KEY WORDSelectromagnetic stirring;semi-solid metal;solidification structure;spring steel经20多年的研究和发展，半固态成形技术的理论和应用都取得很大的进展1，2，低熔点的铝合金、镁合金进入了工业化应用阶段3，4同时人们十分重视高熔点钢铁材料的半固态成形工艺的研究，已有不锈钢5、工具钢6、铸铁7等黑色金属半固态成形工艺的研究报道本文在实验室研究了电磁搅拌对弹簧钢60Si2Mn凝固过程和凝固组织的影响情况，利用电磁搅拌改善弹簧钢的一次结晶组织，分析电磁搅拌下弹簧钢的凝固过程，初步探讨半固态弹簧钢凝固组织的形成机制，为高熔点钢铁材料的半固态成形提供借鉴1 试验方法1.1 试验材料与熔炼本试验选用弹簧钢60Si2Mn作为试验材料，其含碳量较高，结晶间隔较大，常规铸造的一次结晶组织中易产生发达的树枝晶试验采用100kW工频感应电炉熔炼，用轧制的弹簧钢60Si2Mn的切头作为熔炼合金的原材料，配料时适当加入C, Si以补充它们熔炼中的烧损，合金熔化后其温度达到1 600左右时出炉，出炉前用硅钙粉和铝丝进行脱氧处理经化学分析检测出试验材料的成分（质量分数）为：C0.61 %，Si1.83%，Mn0.7%，P，SW2W3W40，得到4种不同功率下搅拌的试样，分别用S1，S2，S3，S4表示此外浇注了1个不经过电磁搅拌的试样N5，其他条件与搅拌试样相同电磁搅拌时首先将铸型预热至600左右，然后将约1600的钢液浇入铸型，立即进行电磁搅拌当搅拌一定时间后，立即通水激冷铸型铸型的内尺寸为：90 mm 170 mm200 mm1.3金相组织观察应用线切割在试棒上截取高度为10 mm的圆形试块，如图2所示经粗磨、细磨和抛光制备成金相试样，用2种侵蚀剂侵蚀试样：（1）硫酸铜溶液，（2）氢氧化钠硝酸钠溶液方法是首先在（2）中侵蚀一段时间后，再在（1）中加深侵蚀，而后在光学显微镜下观察试样的组织 图1电磁搅拌装置示意图Fig.1 Schematic of electrom-agnetic stirring equipment图2金相试样截取示意图Fig. 2 Schematic of metallogra-phy specimen cut from billet2 试验结果与分析2.1 电磁搅拌对柱状晶层的影响经过金相检查发现，未经电磁搅拌的试样N5的一次结晶组织与一般铸钢件或铸钢锭相似，存在发达的柱状树枝晶和中心粗大的等轴晶，柱状枝晶层的厚度约为2030 mm，柱状晶内平行排布多个枝晶，且枝晶的一次臂的方向基本上与传热方向相同，由表面伸向试样的中心；枝晶的一次臂十分发达，其长度约为1020 mm，几乎与柱状晶层的厚度相当如图3所示图3 非搅拌试样柱状晶层的金相照Fig.3 The microstructure of spring steel (unstirred)图4 弹簧钢60Si2Mn在搅拌功率下搅拌的凝固组织(a)S1号试样,(b)S2号试样,(c)S3号试样,(d)S4号试样Fig.4 The solidification structure ofspring steel ingots stirred with different power这说明在本试验条件下，柱状晶中的枝晶的一次臂的生长速度很快，远远大于二次臂的生长速度图4(a)(d)分别是经电磁搅拌试样S1，S2，S3，S4的一次结晶组织的金相照片，可以看出样品的一次结晶组织中不存在柱状枝晶层，从试样的表面到试样的心部基本是由等轴晶（如图4(a)）、或退化枝晶（dedendrite, 如图4(b)和(c)），或不同取向的短枝晶所组成（如图4(d)）这说明电磁搅拌能有效地消除弹簧钢60Si2Mn中发达的柱状晶层这是因为电磁搅拌改变了一次结晶的奥氏体的形核和生长条件2.2 搅拌功率对弹簧钢结晶组织的影响从图4中还可以看出，搅拌功率对60Si2Mn的一次结晶组织产生很大的影响在较小搅拌功率S4试样中，一次结晶的奥氏体为具有不同取向的短的树枝晶，其一次臂最大尺寸可达到1 mm左右，如图4(d)所示；随着搅拌功率的增加，短枝晶的一次臂变小，在搅拌功率为W3的S3试样中，一次结晶的奥氏体的枝晶形态没有S4试样明显，但仍能观察到少量的短的树枝晶，（图4(c)）；而在搅拌功率为W2的试样S2中，观察不到短树枝晶，但仍能看出枝晶的迹象，退化的枝晶（如图4(b)）；当搅拌功率增加到W1，一次结晶的奥氏体转化为等轴晶，且变得细小，其晶粒大小约为未经电磁搅拌试样的柱状树枝晶的一次臂间距这是由于搅拌功率的加大，金属熔体的旋转速度加快，紊流作用加剧，合金凝固时液相区、液固两相区的温度场和溶质浓度场更趋于平缓，各个微区的形核和生长条件基本相同，晶核在各方向的生长速度基本相等，凝固后得到等轴晶组织3 电磁搅拌对弹簧钢60Si2Mn的凝固组织的作用机制的探讨有不少关于搅拌作用下半固态组织演变过程的理论解释，如树枝晶臂折断机制1、枝晶根部熔断机制2、晶界再结晶机制9、 温度起伏机制8等这些理论解释虽与实验现象相符，但也有不足之处如对于具有良好韧塑性的一次结晶奥氏体，在搅拌过程中枝晶臂折断的可能性不大Hellawell8计算了在电磁搅拌过程中(Al)枝晶的受力状况，认为(Al)枝晶不会折断，而只能发生弹性或塑性变形，搅拌会使奥氏体枝晶根部的溶质富集层减薄，枝晶熔断的几率可能更小本文从电磁搅拌改变了弹簧钢凝固过程中液相区、液固两相区的温度场和溶质浓度场出发，分析电磁搅拌下弹簧钢的形核和生长过程，解释电磁搅拌使弹簧钢60Si2Mn的凝固组织演变的机理3.1 电磁搅拌对弹簧钢形核的影响液体金属是由许许多多类似与晶体结构的原子集团，即由晶坯组成，这些原子集团的形状和尺寸时而长大，时而缩小，在一定的条件下发展成液体金属凝固的晶核在过冷液体中，热运动使某些晶胚借液体金属的能量涨落而达到某一临界尺寸，晶胚就可以稳定地生长，成为晶核电磁搅拌使液体金属剧烈的运动，加速了液体金属的原子的碰撞和热运动，从而增加晶胚发展成晶核的机率，提高了形核率；另外铸件或铸锭表层的激冷等轴晶可能被激烈运动的金属液流冲刷到液相区而成为晶核；同样已结晶出的固相可能在激烈运动的金属液流作用下游离到液相区成为新的晶核因此在搅拌条件下凝固，奥氏体的晶核数量大大增加，从而有效地细化的组织搅拌功率越大，金属液体的运动速度更大，液态原子的热运动和碰撞机率增加，晶核更多，晶粒更为细小3.2 搅拌对弹簧钢一次结晶奥氏体的生长影响无论是在搅拌还是非搅拌条件下，铸件或铸锭表面一般都存在一激冷的细小的等轴晶层，如图5所示在没有搅拌条件下，细小等轴晶层形成之后，与其相邻的液体金属在铸型散热作用下而首先被冷却结晶出固相，此时激冷层前沿的某些晶体逆着传热方向，以较快的速度向液相伸展，就生长出树枝晶的一次臂，且在适宜的温度梯度下，一次臂不断地长大；随着柱状树枝晶层由外向铸件的中心推进，散热速度减慢，特别是当铸件或铸锭与型壁之间出现气隙时，传热速度更慢，液相区和液固两相区的温度梯度平缓，中心的液体金属可能同时被冷却到液相线温度以下，并在某一过冷度下形核，由于此时该区域的各个微区的温度趋于相等，各个微区的晶核条件和生长条件趋于相同，因此就形成了铸件中心的等轴晶，如图5(a)所示图5 弹簧钢凝固过程示意图 （a）不搅拌， （b）电磁搅拌细等轴晶区；柱状晶；粗等轴晶Fig.5 Schematic of solidification process of spring steel而在强烈搅拌条件下，细小等轴晶层形成之后，与之相邻的液体金属层的温度在液流激烈地运动下不会迅速降至液相线温度以下，而是与中心的液相区相近铸件（或铸锭）凝固时整个液相区的温度梯度很小，温度趋于相等，大部分液体金属很可能同时冷却到液固两相区，在具有相同（或很相近）的温度条件下形核或者具有相同的晶核条件；同时强烈的搅拌使固液界面的前沿的溶质浓度场趋于均匀，已有的晶核在很小的温度梯度和比较均匀的溶质浓度场下长大，它各个方向的长大速度基本相等，因此整个断面上全为等轴晶，如图5(b)所示在搅拌功率较小的条件下，液相区的温度场和溶质浓度场的均匀程度降低，晶核在的各个方向生长速度稍有不同，其一次结晶组织的枝晶形态比较明显4 结论(1)电磁搅拌可以消除弹簧钢60Si2Mn的凝固组织中发达的柱状枝晶层 (2)搅拌功率对弹簧钢的凝固组织产生很大的影响，在较低的搅拌功率下搅拌，得到短枝晶的一次结晶组织，随着搅拌功率的增加，弹簧钢的凝固组织转变为退化的枝晶和等轴晶 (3)电磁搅拌改变了弹簧钢凝固时的形核和生长条件，增加一次结晶的核心，细化了晶粒赵爱民（北京科技大学材料科学与工程学院， 北京 100083）毛卫民（北京科技大学材料科学与工程学院， 北京 100083）崔成林（北京科技大学材料科学与工程学院， 北京 100083）李彦军（北京科技大学材料科学与工程学院， 北京 100083）钟雪友（北京科技大学材料科学与工程学院， 北京 100083）参 考 文 献1，Flemings M C. Behaviour of Metal Alloys in the Semi-solid State.Metallurgical Transactions A, 1991, 22A:9572，Kirkwood D H. Semi-solid Metal Processing. International Materials Review, 1994,39(5):1733，Brown S B , Flemings M C .Net-shape Forming via Semi-solid Processing. Advance Materials Process,1993,143:364，Midson S P. The Commercial Status of Semi-solid Casting in the USA. In: the 4th Int Conf on Semi-Solid Processing of Alloys and Compositions.England: Sheffield, 1996.2515，Oblak J M , Rand W H. Structure and Properties of the Casting Ferrous alloy 440C.Metallurgical Transactions B, 1976,7B(12):7056，Kapranos P, Kirkwood D H, Sellars C M. Thixoforrming High Point Alloys into Non-metallic Dies. In: the 4th Int Conf on Semi-Solid Processing of Alloys and Compositions. England:Sheffield, 1996.3067，Yoshida C, Kitamura K, Ando Y, Hironaka K. Microstructure and Properties of Cast Iron by Semi-solid Die Cast. Iomno/Japan Foundrymens Socoiety, 1996, 68(2):1418，Hellawell A. Grain Evolution in Conventional and Castings. In: the 4th Int Conf on Semi-Solid Processing of Alloys and Compositions.England:Sheffield, 1996.609，Doherty R D , Lee Ho-In. Microstructure of Stir-cast Metals. Materials Science and Engineering, 1984, 65:181铝炼中电磁搅拌作用与原理2006-9-15 14:35:11刘立勤供稿前言 今天，迎来了大量消费铝的时代，铝屑飞速增加。随之，含有铝屑的废铝激增，因此对废铝熔化过程中的节能、省力、提高回收率、提高质量等，尤其是提高生产效率和产品质量将成为研究的课题。 在用反射炉熔化废铝时，对于其熔化效率来说，废铝的入炉搅拌熔化升温废铝的再入炉等各工序必须反复操作。 在铝的熔化过程中，常常进行溶液的搅拌，但与其他工序相比，往往被忽视。最近，已认识到，改善溶液的搅拌方法对熔化操作的合理化和提高生产效率有着极其重要的作用。 以前，熔炼铝的搅拌是通过大型摇臂叉车及金属泵和喷吹气体等方法来实现的。近年来，采用了用真空装置进行搅拌的方法。各种搅拌方法各有其优缺点。 本文所介绍的电磁搅拌装置，可以克服上述各种方法中存在的不足。应用电磁搅拌法的实践已经证明，它具有许多优良的效果。 溶液的电磁搅拌效果 对反射炉中的金属溶液进行电磁搅拌，一般可取得如下的效果。 1金属液温度的均匀化 根据反射炉的内部构造、未熔化的废金属量及炉内溶液深度等的不同，可以采用不同的溶液搅拌方法。若炉内全部是溶液，电磁搅拌可以在极短的时间内使溶液的温度均匀。 2溶液成分的均匀化 在进行必要的分析，设定适当的搅拌时间后,可以实现溶液成分的均匀化。 3.缩短熔化时间 由于通过金属液的搅拌可使上下部位的金属液的温度均匀，因而可增加从烧嘴供入金属液的热量。另外，由于金属液的流动，可以促进从金属液向金属液中的废金属的传热，提高供热效率。此外，由于在搅拌金属液的过程中不必停止烧嘴的工作，所以可提高加热效率。由以上几种作用，可缩短熔化时间。 4. 节能 与以前使用的叉车式搅拌方法不同，由于采用电磁搅拌时不必打开熔化炉炉门，因而可减少热损失。另外，由于可在低温下进行熔化，因而有可能降低炉内的气体温度，从而可减少废气的热损失和通过炉壁的散热损失。此外，由于缩短了熔化时间，其相应的热损失也可减少。 5. 提高收得率 熔化炉的金属收得率随熔化的废金属的材料构成、熔化方法、精炼方法及炉渣的再处理方法等要素的变化而变化。 因此，应用电磁搅拌后，由于炉内金属液的温度均匀，炉内温度的控制容易，可以进行低温熔化。 金属液成分的均匀化，可以防止产生偏析。由于缩短了熔化时间后降低了金属的损失等，因而可期待提高金属收得率。另外，与进行叉车式搅拌等的机械式搅拌相比，可进行少波浪的圆滑的搅拌，这样对减少金属表面的氧化损失有利。 6. 提高作业效率 电磁搅拌器的运行操作极其简单，在必要的时间内，可按照必要的方向容易地进行搅拌。 而对叉车等机械式搅拌来说，必须进行机械安装、整理及维护等。另外，还需要补充易耗件。对电磁搅拌来说，没有易耗件，也几乎不需要进行日常的维护，因而节省人力。 电磁搅拌器的设置方法 本装置在反射炉的炉底部，利用电磁力的作用搅拌金属溶液，它是一种完全不接触金属液的搅拌装置。 在反射炉的炉底部必须设有非磁性钢板，在设置电磁搅拌器的部位，设有地坑可以容易地向炉子底部运入搅拌器，并采用顶起搅拌器使之定位的方法。因此，对原有的熔化炉来说，当为其安装搅拌器时，因为必须更换炉底钢板，所以事前对电磁搅拌器的形式、设置位置及地坑底部的操作性等进行充分的探讨，以决定安装电磁搅拌器用的地坑的位置。 电磁搅拌器的设置位置 当选定电磁搅拌器的设置位置时，必须考虑反射炉的种类和构造以及反射炉的使用目的。 1. 反射炉的种类和构造 按其用途，反射炉可分为熔化炉和保持炉。按其构造可分为密闭型和敞开型。按其形又可分为方形、圆形、圆筒形等。按其溶液出炉方法还可分为固定式和倾动式等。 另外，从其用途和功能方面来看，可分为快速熔化炉和一般熔化炉。 2.应用目的 对电磁搅拌器来说，由于它是利用电磁力使溶液产生运动作用，所以应针对其使用目的对其效果进行不同的评价。 即当对保持炉和快速熔化炉中的出炉前的溶液进行搅拌时，使其在短时间内达到温度与成分的均匀是进行搅拌的主要目的，此时，希望进行圆滑的、上下左右的搅拌。 另外，当将搅拌用于废料的熔化过程时，为了达到低温熔化和迅速的热交换，希望金属的循环量要大。因此在此种情况下，有必要将电磁搅拌器选定在使金属液容易进行循环的位置上。 3.电磁搅拌器在各种反射炉中的应用实例。 1)密闭型熔化炉中熔化废料时的应用实例。此时，首先将废料装入反射炉内，由于采用了熔化废料的方法， 在炉内熔化的金属液不达到一定程度时不使用电磁搅拌器，随着废料的不断熔化，当达到金属液可进行循环时，则可开始采用电磁搅拌器进行熔化，它可以起到促进向炉内金属液中未熔化的废料供热的作用。因此，应将电磁搅拌器设置在偏离反射炉中心的部位，它可以容易地形成如图74中、所示的金属液的循环。 2)在开放型熔化炉中熔化废金属料的实例。在此情况下，预先向炉内装入由外部供给的金属液，金属液量相当于炉子容量的1/31/4。这一预熔化的金属液在电磁搅拌力作用下进行循环的同时，可促进开放式熔池中的废金属料熔化。因此，应将电磁搅拌器放置在稍微偏离反射炉中心的部位，这样可容易形成图中所示的金属液在熔池内的循环流动。 3). 在快速熔化炉的保持炉侧，另增加一个开放的熔池部分，使之成为能同时熔化轻量废金属料的熔化炉。此时电磁搅拌器的平面位置和图74（b）中的位置基本相同。 4). 在密闭型炉的一侧金属液循环用的熔池部分，在该熔池部的下部设置电磁搅拌器，它用于促进金属液的环流和废料的熔化。 此时，需要向炉内加入预先熔化好的金属液，金属液在电磁搅拌器的作用下形成循环流。炉内被加热的金属液巡回流动到循环的熔池部，它释放出的热量用于熔化被加入到熔池中的金属废料，金属液再次流回炉内被加热，这样可形成循环式的热交换，使废气金属料不断熔化。 5). 在开放型熔池的熔化炉的一侧，设置金属液熔化用的炉池，在该炉池的下边安置电磁搅拌器，促使金属液循环而使废金属料熔化。此时，废料的熔化在开放的熔池中进行，而不在供金属液循环用的熔池中进行。为防止该循环部的散热，在上部加盖。 对这种情况来说，由于在电磁搅拌器上面的金属液循环部没有废金属炉料，在开放的熔池部金属液的流动加快，它适用于金属切屑的连续熔化生产等。 6)在保持炉中设置电磁搅拌器的实例。对金属液的均匀搅拌来说，将电磁搅拌器设置在该图所示的炉内中心处是有效的。在此情况下，由于不存在妨碍金属液流动的废金属料，所以可对金属液进行左右、上下圆滑的搅拌，可使之迅速达到温度和成分的均匀化。 4.在原有的炉子上设置电磁搅拌器 当观察原有炉子的操作情况时，可看到即使是对同一座熔化炉，当每天的废料的品种变化及加料量、加料次数变化时，其操作条件也会发生波动。另外，当在原有的炉子上设置电磁搅拌器时，应尽量减少其改造量，以