旋转磁场对合金凝固组织形成的影响

1、旋转磁场对合金凝固组织形成的影响摘 要：在合金浇注过程中施加由电磁搅拌器产生的旋转磁场， 能够显著地细化晶粒，抑制初生相的生长，同时对于消除宏观偏析及 促进柱状晶向等轴状晶转变也有很好的效果。关键词：旋转磁场 凝固组织初生相项目来源：湖北汽车工业学院大学生创新性实验项目1 前言追溯到20世纪初，人们在合金凝固过程中施加相应的磁场，同 时还尝试着运用磁场来对凝固的金属进行搅拌，而这样就可以改变冶金组织1,2。强烈的电磁搅拌不但克服了直接接触金属液的机械搅拌 所造成的卷入气渣等方面的缺点3，还在液相流动对凝固过程中祈 祷的作用效果有很大程度的提高，进而在流动对凝固影响的研究中逐 步形成一个重要的途

2、径4。本文阐述旋转磁场对细化初生相，消除 宏观偏析，获得等轴晶的作用效果。2旋转磁场对合金组织的影响2.1旋转磁场对过共晶铝合金初生硅的细化旋转磁场对初晶硅的细化表现在三个方面：1）电磁搅拌抑制初晶硅各向异性生长。初晶硅的生长属于小平 面生长，在无外接干扰的情况下，初晶硅会遵循择优生长原则长成粗 大板块状。加入旋转磁场后，在电磁搅拌作用下，初晶硅表面形成较 多的机械孪晶，产生分支，同时加快溶质的扩散，促进温度场的均匀 化，增加初晶硅厚度，从而在一定程度上抑制初晶硅择优生长，促使 其向球团化转变5。2) 初晶硅中存在许多如孪晶，位错，亚晶界等缺陷6。在旋转 磁场的作用下，由于初生 si和周围熔体

3、的电导率不同而产生了相对 运动，初生相受到金属液的冲击。凝固开始时，这些初生枝晶将被碎 断而形成更小晶粒7。这些游离晶随着熔体一同流动，并在低温下 各自长成新的游离晶，增加了晶粒的数目8。3) 熔体温度场均匀化。当合金液开始析出初生硅晶核时，由于液体各处温度基本相同，初生硅可在整个液体内同时非均质形核，从而细化初生硅5。另外在变质处理后，再外加旋转磁场作用，效果 更佳9。2.2旋转磁场促进柱状晶向等轴晶形态转变铝合金的铸造宏观组织，分两类：等轴晶和柱状晶。柱状晶区含 有纵 弱面”轧制时易沿弱面开裂而产生废品；而等轴晶没有明显增 加的弱面，加工时不易开裂，性能的方向性小。故希望能尽量促进柱 状晶

4、向等轴晶的形态转变，缩小柱状晶区。AI(4%-5%)Cu合金为试验材料，研究旋转磁场对Al-Cu合金凝固 组织的影响。结果发现，旋转磁场对合金的凝固组织产生明显的细化 效果,凝固组织呈现近等轴晶颗粒，分布较均匀，晶间距也明显减小。10产生该现象的原因是由于在磁场的作用下，铸型中金属液流动，是靠近型壁处为层流，中心为絮流。层流前沿速度取决于旋转磁场强 度，随着磁场强度增大，层流速度快，对型壁上晶体冲刷力大，从型 壁上冲刷下来的晶体多，有利于等轴晶的形成细化晶粒。另外，随着 磁场强度的增加，会对中心絮流层造成温度波动，会降低晶粒的平均 生长速度，同时使固液界面出现周期性的重熔现象。枝晶端部液体絮流

5、造成的热脉动的升高，会使枝晶臂熔断，使液体中晶粒倍增，从而 细化晶粒，推动柱状晶向等轴晶转变1015。2.3旋转磁场对金属凝固过程中成分偏析的影响在旋转磁场条件下对 Sn-Bi合金16的研究表明，旋转磁场有显 著的细化晶粒和消除组织不均的现象。通过实验对比研究了常规条件下和旋转磁场条件下Pb-50%Sn,Pb-58%Sn亚共晶合金和 Pb-64%Sn,Pb-68%Sn过共晶合金 凝固组织的形貌特征，发现旋转磁场具有消除宏观偏析、碎断和细化 枝晶、加快固液界面的溶质扩散速度以及在合金中产生团状组织等作 用。17在旋转磁场的作用下，合金熔体先归于磁场做磁力线运动， 熔体 每一点都产生感生电动势，感

6、生电流，因而会受到一个电磁力，在熔 体内产生两种运动。一种以铸件中心为轴，沿磁场旋转方向在水平面 做圆周运动，另一种沿着圆柱体半径方向在竖直平面形成两个流环18 。旋转磁场会引起熔体内产生的感生电流对合金具有加热作用19 ，从而使冷却速度都较常规条件下慢，延缓了冷却速度。所以，旋转磁场会引起熔体内部剧烈运动， 导致金属熔体的强迫 流动，使熔体内部温度场和溶质场均匀化， 加速熔体中溶质原子的扩 散，克服了常规条件下组织分布不均的问题16;同时降低了扩散层 的厚度，加快了凝固边界层溶质富集区过多的传输和扩散。 降低了成 分偏析的概率。3外加旋转磁场的应用前景随着现代工业和环境科学的发展， 现代材料

7、要求经济学，功能性 和环境协调性相统一。围绕这一主题，世界各国都在大力发展材料的 研究和制备技术。近20年来，物理场处理技术作为一种环保，经济， 具有很大发展潜力的技术备受关注。2 毛大恒、严宏志电磁搅拌对铝及其合金凝固和铸态组织的影响J.轻合金加工技术,1991,19(4):10-163 王红霞.旋转磁场对Pb-Sn-Sb三元合金凝固结晶过程的影响J.铸造设备研究，2000(1)30-334 陈钊等.旋转磁场对凝固组织形成的影响J.物理学报, 2008,57( 10): 6277-62825 韩富银等.旋转磁场对ZA27(Si)合金组织的影响J.铸造设备研究，2003,4:6-86 毛为民等

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