铸件宏观凝固组织的控制

1、北京科技大学材料科学与工程学院文献综述电磁场对铸件宏观凝固组织的控制学生姓名：_学 号：_专业班级：_批阅教师：_成 绩：_2013年5月电磁场对铸件宏观凝固组织的控制摘要： 随着电磁技术的发展，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。施加复合电磁场有如下几个优点：1)在内结晶器中施加行波搅拌磁场不但能够显著的改善铸坯的凝固组织，而且电磁搅拌力引起的金属熔体强制流动能够提高管坯的内表面以及皮下质量，解决管坯内表面不易进行铣面处理的困难。2)在外结晶器侧放置中频约束线圈能够消除管坯内外表面的偏析瘤

2、以及波痕等缺陷。3)空心管坯电磁连铸凝固过程的数值模拟结果表明：单独在管坯外结晶器侧放置中频约束线圈或者单独在管坯内结晶器中放置行波搅拌磁场都容易造成凝固坯壳厚度不均匀，产生裂纹缺陷。通过在管坯内外结晶器中施加合适的复合电磁场能够改善凝固坯壳厚度不均匀的状况，消除裂纹缺陷，而且电磁搅拌加速散热能够减小液穴深度，可以提高生产效率。关键词：电磁制动；电磁搅拌；电磁超声波；电磁热处理；流体流动；凝固组织Abstract：With the development of electromagnetic technique，electromagnetic field plays an important

3、role in the control of metal solidification， the betterment of structure and performanceSince now，many kinds of electromagnetic methods have been used to material processingThe following merits can be acquired by the multi-electromagnetic fields：1)The stirring magnetic field can not only improve the

4、 solidification structure of the large·diameter hollow billet but also eliminate the inclusion and blow hole flaws and improve the inner-surface quality of the hollow billet to avoid the milling of the inner·surface2)The middle frequency magnetic field can restrain the segregation bud and

5、ripple mark of inner and outer surface of hollow billet3)The temperature field numerical simulation of electromagnetic continuous casting of the hollow billet shows that：Both the only medium frequency coil and the only stirring magnetic field arc easy to create the crack flaw because of the nonhomog

6、eneous of the solidification shellThe imposed multi-electromagnetic fields can not only improve the homogeneous of solidification shell to restrain the crack flaw but also speed-up the heat dissipation to decrease the melt pool and improve the production efficiencyKey words： electromagnetic brake；el

7、ectromagnetic stirring； electromagnetic ultrasonic waves； heat treatment under electromagnetic field；fluid flow；so1idification structure引言：柱状晶是晶体择优生长形成的细长晶体，比较粗大，晶界面积较小，柱状晶体排列位向一致，因而其性能也具有明显的方向性，纵向好，横向差。另外，柱状晶生长过程中某些杂志元素。非金属夹杂物和气体被排斥在界面前沿，最后分布在柱状晶与柱状晶或柱状晶与等轴晶的交界面处，形成性能“弱面”，凝固末期易于在该处形成热裂纹。对于铸锭而言，还易于在

8、以后的塑性加工或轧制过程中产生裂纹。因此，通常铸件不希望获得粗大的柱状晶组织。但柱状晶在轴向具有良好的性能，对于某些特殊的轴向受拉应力的铸件（如航空发动机叶片）则采用定向凝固技术控制单向散热，获得全部单向排列的柱状晶组织，提高铸件的性能和可靠性。内部等轴晶区的等轴晶粒之间位向各不相同，晶界面积大，而且偏析元素、非金属夹杂物和气体的分布比较分散，等轴枝晶彼此嵌合，结合比较牢固，因而不存在“弱面”，性能比较均匀，没有方向性，即各向同性。如果内部等轴晶粗大、显微缩松多、凝固组织不致密，则其力学性能显著降低。细化等轴晶可以使杂志元素和非金属夹杂物、显微缩松等缺陷分散分布，因而可以显著提高力学性能和抗疲

9、劳性能。生产上往往采取措施细化等轴晶粒，以获得较多甚至全部是细小等轴晶的组织。一、电磁搅拌改善铸坯内部质量采用Q235钢种，以模拟连铸小方坯的凝固过程为目标，进行了铸坯的静态浇铸实验。通过选取适当的电磁搅拌参数和浇铸参数，对电磁搅拌改善铸坯的内部质量、促进晶粒细化和成分均匀化问题进行了研究。1.静态浇铸实验实验室浇铸了70 mm×70 mm×350 mm的铸坯。钢种为Q235，其基本成分如表l所示。静态浇铸实验结果表明，不采用电磁搅拌时等轴晶率只有38；而在采用合理的搅拌参数和浇铸参数的情况下，获得了几乎为100等轴晶的铸坯，等轴晶率大幅度提高，晶粒也明显细化，且基本消除了

10、中心疏松和缩孔等内部缺陷(图11)。电磁搅拌使得钢液内产生循环流动，改善了从铸坯中心至表层的传热，加速了钢液中过热的耗散，促进等轴晶核的形成。这些等轴晶核由于搅拌所产生的流动而充满铸坯的液相穴，随着进一步冷却以等轴晶方式生长，最终形成等轴晶凝固组织。铸坯的硫印检验结果表明，电磁搅拌使硫化物分布变得分散，有利于整个铸坯截面上硫化物分布均匀，特别是在角部附近，硫化物的分布变得更加均匀(图12)。电磁搅拌强度是获得最佳电磁搅拌效果的重要因素。通常认为较低的电磁搅拌强度仅能控制柱状晶向等轴晶的过渡，且效果不稳定。增大搅拌强度，可以有效地提高等轴晶所占的比率，并可以完全避免小钢锭结构的形成，但当搅拌强度

11、太大时，则会增加白亮带形成的可能性。在单侧线性电磁搅拌中，搅拌器两侧大小不同的电磁力所产生的扭矩导致了钢液的涡漩流动，直接影响铸坯凝固组织中的等轴晶比率。川崎制铁所对中碳钢和高碳钢的研究表明，钢液中的流动速度分别达到0.15和0.20 m/s时，铸坯内的等轴晶达到饱和4。同时，搅拌还产生了垂直于钢液流动方向的电磁力分量，这个分量有利于增加钢液的紊流、加快过热的耗散，从而促进晶核的形成和晶粒的增殖，提高铸坯凝固组织中的等轴晶比率。二、电磁超声波对金属组织细化的作用利用强磁场和高频电流的局部作用所产生的电磁超声，考察了这种超声波对细化金属合金凝固组织的效果。实验装置如图13所示，将SnPb合金倒入

12、水平断面为25 mm×40 mm的矩形玻璃容器中，然后对其施加了垂直方向的静磁场BDc。同时在容器的短边附近插入一对铜制电极，并通入了频率为2kHz的交流电流。在这种实验状态下，由于金属液内的交流电流和所施加的静磁场的相互作用，将在液态金属表面附近、集肤层厚度的范围内生成高频电磁力FAc。这种周期性变化的电磁力将使液态金属从平衡状态开始振动，因此金属的密度、压力也随之发微小扰乱。这种搅乱的传播即生成电磁超声波。实验中在金属的长边壁的中心位置安装了热电偶，记录了合金凝固的温度履历。从高于液相温度的250到合金完全凝固的170的温度区间内在有无电磁超声波的条件下，对合金进行了凝固得到的试

13、料的纵断面经研磨腐蚀后，对合金的宏观及微观凝固组织进行了观察。静磁场和高频电流分别是0 T，0 A、0 T，90 A、10 T，0 A、10 T，90 A的条件下所得到的凝固过程冷却曲线如图14所示。可以看出，由于交流电流的焦耳热没有对冷却曲线造成太大影响，施加了10 T强磁场的合金的冷却速度比没有施加强磁场的要大些。各实验条件下得到的宏观及微观凝固组织照片如图15、16所示。0 T，0 A和10 T，0 A的条件下都得到了粗大的晶粒组织，而且其微观组织都是由柱状晶构成。0 T，90 A的条件下，电极附近的晶粒比前两种都得到了细化，这可能是由于高频电流和其自身所产生的磁场的作用下生成的电磁力的

14、效果而引起的。与此相对应，其微观凝固组织也出现了少量等轴晶。10 T，90 A的条件下的合金的凝固组织得到了显著细化。它的微观凝固组织也全由等轴晶构成。这是由于10 T的强磁场和交流电流的共同作用下生成的电磁超声波的作用而引起的。利用这种电磁超声波得到了基本为全等轴晶的试样。 三、电场对奥氏体化40MnMoV性能的影响采用电场热处理炉处理试样，电场强度设定为2 kVcm，不锈钢电极板接高压直流电源负极，试样接电源正极，负极与正极相距10 mm，电压为2 kV。所有试样均以5min的速度加热至860，保温15 min。热处理过程中始终通以氮气保护。热处理制度为200、120 min的低温回火。显

15、微硬度测试表明，电场奥氏体化，使淬火试样的显微硬度沿横截面呈一定的梯度分布，即表面硬度较高，心部硬度较低，但相差不大(40 kgmm2)，且其各点的显微硬度值均高于常规处理试样的显微硬度值(图18)。冲击试验结果表明，常规淬火试样的冲击功为122 J，冲击韧性为63 Jcm2；电场淬火试样的冲击功为151 J，冲击韧性为755 Jcm2。对比可见，电场淬火试样的冲击性能比常规淬火试样的冲击性能提高了近20。拉伸试验表明，电场淬火试样低温回火后的拉伸性能指标均高于常规工艺处理试样，其中屈服强度提高167，抗拉强度提高15，伸长率提高13，断面收缩率提高147(表3)。由此可见，电场淬火可明显提高

16、40MnMoV钢的强韧性。 四、双磁力驱动器对液态金属流动的驱动与控制1.双磁力驱动搅拌对初期凝固壳的影响连铸过程中，金属液初期凝固点的位置直接影响到初期凝固坯壳的厚度、表面质量和铸坯能否成型。研究表明：施加高频电磁场能降低初期凝固点位置、抑制表面波动、改善铸坯表面质量；施加工频或低频电磁场可使凝固坯壳变薄、均匀。本研究通过在浇铸过程中向Sn+3.5%Pb 合金中添加少量Sn+43%Pb合金的方法，借助于两种合金在凝固组织上的差异，观察施加永磁磁场对铸坯凝固坯壳的影响。图5示出了不同实验条件下凝固坯壳的形状，分别表示未施加电磁场时（图5a），仅开启下磁力驱动器，转速为35r/s（图5b）以及施

17、加双磁力驱动的凝固壳形状，上驱动器转速为20r/s，下驱动器转速为35r/s（图5b）3种条件下的凝固坯壳形状。可见施加电磁场较未施加电磁场时的初期凝固点的位置降低、凝固坯壳变薄，这是熔体在电磁力的作用下强迫对流的结果，这与施加交流电磁搅拌的情形相类似。由图5b 可见只施加下磁力驱动时，凝固壳有一小部分突起，由于先前形成凝固壳的固相分数不高，在下驱动器电磁力作用下金属液冲刷凝固壳，致使凝固壳又变薄；当施加双磁力驱动时，由于电磁力作用范围大了，使凝固壳变薄，且均匀。由图5c可见，在双磁力驱动器作用下，凝固壳生长可分成两段：第一段，凝固壳较薄且长，这是电磁力作用使熔体温度场充分均匀的结果；第二段，

18、凝固壳迅速增厚直至完全凝固。这一阶段熔体的温度接近固相线，熔体的潜热大部分已被释放，故而凝固较快。2. 双磁力驱动器产生的磁力对凝固组织的影响图6示出了在小型连铸机上铸出的未施加与施加永磁磁场Sn+3.5%Pb合金凝固组织照片。由图6a可见未施加磁场时，铸坯凝固组织基本由较粗大的柱状晶组成。根据金属凝固理论，结晶器内通水冷却，将在熔体内形成较大的温度梯度，满足柱状晶的生长条件。在连铸过程中，施加转速为20r/s下磁力驱动器时等轴晶组织大幅减少，且柱状晶组织分布在铸坯中的外部，如图6b所示。当下驱动器转速增加到35r/s时，即增大驱动的磁力，可得到大部分的等轴晶组织，如图6c所示。当向金属液施加

19、双磁力驱动时，上磁力驱动为20r/s，下磁力驱动为35r/s，得到凝固组织为100%的细等轴晶组织，如图6d所示。五、电磁振荡下梯度磁场对纯A1凝固组织的影响1磁化力与重力反向图3为第一组实验中试样的宏观组织图3a为不加电流和磁场的凝固组织，晶粒都为粗大的等轴晶图3b一h为强磁场复合电流产生振荡下凝固的组织，与图3a相比，复合场作用下的晶粒细化，但在不同条件下细化程度和分布各不同图3b，c分别为(05 T，10 A)和(05T，15 A)电流下的凝固组织，细化区域主要分布在试样的底端，并且在同一磁场下，随着电流强度的增大，细化的区域和程度都增大图3d为(1 T，10A)复合条件下的凝固组织可以

20、看出细化区域进一步扩大到试样的整个纵截面，但在12高度处的边缘部分没有细化当磁场进一步增大到(15 T，10 A)条件时(图3e)，试样的全部区域都均匀细化进一步增大磁场到(6 T，10 A)和(10T，10 A)时，如图39，h所示，细化区域主要分布在试样纵截面的上部，且磁场强度越大，细化区域分布越靠近上端在10 T的强磁场下，试样只在上部很小的区域发生了细化，这与Sugiura等用Pb-Sn合金实验所得的结果(细化主要发生在电极附近)是一致的从以前的研究结果4-7J可知，在凝固的过程中，施加电磁振荡细化作用主要限于电极附近，随着与电极距离的增大，细化效果减弱而本实验中，电极位于样品的上端，

21、然而细化晶粒分布在底都(图3b，c)由图3f_h可见，磁场梯度增大却使细化区上移，这与磁化力抑制初生晶核下沉有关(即强磁场可以抑制“结晶雨”)2.磁化力与重力同向为了进一步证明磁化力和重力反向时磁化力对“结晶雨”的抑制行为，在lO T磁场下，进行了磁化力和重力同向和反向的实验，结果如图4，5所示对比图4和图5可以看出，在相同的振荡强度下，所得的凝固组织截然不同磁化力与重力反向时，细化区域分布在试样的顶端(图4)；磁化力与重力同向时，细化区域分布在试样的底端(图5)且电极附近不细化在同一磁场下，振荡强度越大，晶粒的细化区域越大上述现象进一步说明细化区域的形成是晶粒下沉所致结论:宏观凝固组织对铸件的性能有直接的影响，表面细晶粒区较薄，对铸件性能的影响较小。柱状晶区和等轴晶区的宽度及二者的比例，晶粒的大小是决定铸件性能的主要因素。通过强化非均质形核和促进晶粒游离以抑制凝固过程汇总柱状晶区的形成和发展，就能获得等轴晶组织。非均质晶核数量较多，晶粒游离的作用越强，熔体内部越有利于游离晶的残存，则形成的等轴晶粒就越细。凡能强化熔体独立形核，促进晶粒游离及有助于游离晶的残存与堆积的各种因素都将抑制柱状晶区的形