白志國(guó)+楊勛剛+鄧?guó)櫿?/p>

摘 要：文章以鋁銅合金作為實(shí)驗(yàn)材料，開(kāi)展了電磁模鑄的應(yīng)用研究，研究了不同冷卻速度對(duì)于鑄錠質(zhì)量的影響規(guī)律。結(jié)果表明：冷卻速度過(guò)高或過(guò)低均不利于發(fā)揮磁場(chǎng)對(duì)于凝固組織的改善效果，冷卻速度0.47K/s條件下，獲得的鑄錠凝固質(zhì)量最佳。

關(guān)鍵詞：Al-Cu合金；冷卻速度；宏觀組織

中圖分類號(hào)：TG146 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）34-0073-02

1 概述

近幾十年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)在凝固的過(guò)程中綜合利用電磁場(chǎng)，能夠有效的控制凝固過(guò)程，達(dá)到改善晶粒組織，提高性能的目的。研究發(fā)現(xiàn)在金屬熔體凝固的過(guò)程中施加電磁場(chǎng)，在磁場(chǎng)的作用下，能夠促使熔體內(nèi)部的溶質(zhì)元素濃度分布和溫度場(chǎng)分布更為均勻，能夠加快過(guò)熱熔體的熱量耗散，有利于固液界面處溶質(zhì)元素的擴(kuò)散，對(duì)于抑制枝晶組織的生長(zhǎng)、細(xì)化晶粒組織、改善合金元素偏析和降低鑄錠內(nèi)部的縮孔縮松現(xiàn)象等都有顯著的效果[1-3]。目前關(guān)于金屬的電磁鑄造工藝主要集中于鋁、鐵等合金的連鑄過(guò)程中，電磁場(chǎng)在連鑄過(guò)程中的應(yīng)用已經(jīng)得到了系統(tǒng)的研究，目前已經(jīng)發(fā)展成為了比較成熟的鑄造工藝[4-10]。而電磁場(chǎng)在模鑄條件下的應(yīng)用的相關(guān)研究相對(duì)較少，尤其是對(duì)于模鑄條件下，電磁場(chǎng)對(duì)于鑄錠宏觀組織均勻性與鑄錠質(zhì)量等影響的研究較少，目前模鑄條件下的電磁鑄造工藝還不是很成熟，尚有待系統(tǒng)的研究和探索。在電磁模鑄過(guò)程中，冷卻速度會(huì)直接影響合金熔體中的溫度場(chǎng)分布和磁場(chǎng)的作用時(shí)間，同時(shí)對(duì)鑄錠的表面質(zhì)量有嚴(yán)重的影響。不同的冷卻速度會(huì)影響磁場(chǎng)的作用效果，因此探討冷卻條件對(duì)于電磁模鑄工藝的影響是很有必要的。為了在模鑄條件下獲得良好的鑄錠質(zhì)量，本實(shí)驗(yàn)采用近似定向凝固的冷卻方式，主要考察了不同的冷卻速度下，行波磁場(chǎng)對(duì)于合金鑄錠的影響。

2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用的是行波磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的電流為160A、頻率為20Hz。行波磁場(chǎng)會(huì)在合金熔體中產(chǎn)生軸向方向的環(huán)流，磁場(chǎng)的發(fā)生裝置和原理如圖1所示。本文探討的是冷卻速度對(duì)于電磁鑄造過(guò)程中鑄錠的影響，分別研究了空冷條件下（0.28K/s）、水冷條件下（0.47K/s）以及快速冷卻條件下（0.78K/s）磁場(chǎng)對(duì)于鑄錠質(zhì)量的影響。

3 結(jié)果與討論

不同冷卻速度下鋁銅合金鑄錠宏觀組織如圖2所示。其中圖2（a）是水冷條件下不施加任何磁場(chǎng)時(shí)的鑄錠宏觀組織圖。圖2（b）是不通水空冷條件下，施加磁場(chǎng)電流160A、頻率20Hz的行波磁場(chǎng)后得到的鑄錠宏觀組織圖。圖2（c）是水冷條件下，施加磁場(chǎng)電流160A、頻率20Hz的行波磁場(chǎng)處理過(guò)后得到的鑄錠宏觀組織圖。圖2（d）是快速冷卻條件下，施加磁場(chǎng)電流160A、頻率20Hz的行波磁場(chǎng)處理后的鑄錠宏觀組織圖，合金溶液的初始溫度均為700℃。

從圖2（a）中可以看出，枝晶的有兩個(gè)生長(zhǎng)方向，沿著鑄錠軸向方向由底部向頂部生長(zhǎng)和沿著鑄錠邊部向心部生長(zhǎng)，這是由模鑄條件下鑄錠特有的近似定向凝固的冷卻方式?jīng)Q定的。靠近試樣的頂部和邊部的枝晶組織明顯要比底部的枝晶組織粗大，而處于試樣上部的中心位置存在一個(gè)明顯的集中縮孔缺陷，且靠近縮孔處的晶粒組織為相對(duì)細(xì)小均勻的等軸晶組織，這是由于凝固末期溶質(zhì)元素的富集和散熱速度的加快導(dǎo)致的。而從圖2（b）和（c）可以看出，施加行波磁場(chǎng)后，鑄錠的宏觀組織發(fā)生了顯著地變化，由未加磁場(chǎng)的粗大柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻牡容S晶組織，這說(shuō)明行波磁場(chǎng)能夠促使宏觀晶粒組織由柱狀晶組織向等軸晶組織的轉(zhuǎn)變。對(duì)比圖2（b）和（c）可以看出，水冷條件下得到的鑄錠宏觀組織要明顯比空冷條件下的細(xì)小均勻。而從圖2（d）中我們可以看出，當(dāng)冷卻速度為0.78K/s時(shí)，鑄錠底部獲得了細(xì)小均勻的組織，而鑄錠的中部和上部仍然為發(fā)達(dá)的枝晶組織，對(duì)比圖2（c）和（d）我們發(fā)現(xiàn)，快速冷卻條件下磁場(chǎng)的細(xì)化宏觀晶粒組織的效果要遠(yuǎn)差于水冷條件下磁場(chǎng)的效果。因此結(jié)合圖2（b）、（c）和（d），我們發(fā)現(xiàn)，冷卻速度的快慢對(duì)于磁場(chǎng)細(xì)化均勻宏觀組織有顯著地影響，其規(guī)律表現(xiàn)為，在一定的磁場(chǎng)條件下，冷卻速度存在一個(gè)合適值，太慢的冷卻速度下，磁場(chǎng)雖然能夠有效促使柱狀晶組織向等軸晶組織的轉(zhuǎn)變，得到均勻的等軸晶組織，但是磁場(chǎng)細(xì)化晶粒組織的作用被嚴(yán)重削弱，最終獲得的是粗大均勻的等軸晶組織；而太快的冷卻速度下，磁場(chǎng)促使枝晶組織向等軸晶組織轉(zhuǎn)變的效果則被嚴(yán)重削弱，得到的則是相對(duì)細(xì)小的枝晶組織。試驗(yàn)中，行波磁場(chǎng)水冷條件（0.47K/s）得到的鑄錠宏觀組織最好。仔細(xì)觀察我們還發(fā)現(xiàn)，在行波磁場(chǎng)水冷條件下，鑄錠的宏觀組織并不完全是細(xì)小均勻的等軸晶組織，在鑄錠的邊部和底部仍然存在細(xì)小的枝晶組織，這主要是由近似定向凝固條件下模鑄特有的冷卻邊界條件決定的。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文探討了冷卻速度的變化對(duì)于鑄錠凝固組織的影響規(guī)律，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析討論，得到了以下結(jié)論：冷卻速度會(huì)影響磁場(chǎng)對(duì)于凝固組織的改善效果，冷速過(guò)慢或過(guò)快均不利于磁場(chǎng)對(duì)于凝固組織的改善，只有在合適的冷卻速度下，磁場(chǎng)才能有效的細(xì)化晶粒均勻組織，0.47K/s的冷卻條件下獲得的鑄錠凝固組織最佳。

參考文獻(xiàn)：

[1]Sven Eckert， Petr A. Nikrityuk， Bernd Willers， Dirk R？biger， Natalia Shevchenko， Hieram Neumann-Heyme， Vadim Travnikov， Stefan Odenbach， Axel Voigt， Kerstin Eckert. Electromagnetic melt flow control during solidification of metallic alloys[J]. Eur. Phys. J. Special Topics， 2013， 220： 123-137.

[2]P.A. Nikrityuk， K. Eckert and G. Grundmann. Contactless Mixing of Liquid Metals[J]. Metall. Mater. Trans. B，2010，41（B）：94-111.

[3]A. Noeppel， A. Ciobanas， Wang X D， K. Zaidat， N. Mangellnck， O. Budenkova， A. Weiss， G. Zimmermann， Y. Fautrelle. Influence of Forced/Natural Convection on Segregation During the Directional Solidification of Al-Based Binary Alloys[J]. Metallurgical and Materials Transactions B， 2010， 41（B）： 193-208.

[4]毛斌，張桂芳，李愛(ài)武.連續(xù)鑄鋼用電磁攪拌的理論和技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2012.

[5]張興國(guó).電磁鑄造技術(shù)的研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2001.

[6]張北江.低頻電磁場(chǎng)作用下鋁合金半連續(xù)鑄造工藝與理論研究[D].沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2002.

[7]班春燕.電磁場(chǎng)作用下鋁合金凝固理論基礎(chǔ)研究[D].沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2002.

[8]賈非.電磁連續(xù)鑄造過(guò)程工藝優(yōu)化及組織性能研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2002.

[9]王曉東.電磁力對(duì)金屬熔體驅(qū)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)形態(tài)控制的研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2002.

[10]張勤.低頻電磁半連續(xù)鑄造鋁合金工藝及理論研究[D].沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2003.endprint