电磁场对铸件宏观凝固组织的控制

1、 电磁场电磁场对铸件宏观凝固组织的控制对铸件宏观凝固组织的控制小组成员： 朱泽郎 张金垚 黄志鹏 刘彦宁 随着电磁技术的发展，电磁场在控制金属凝固、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。前为止，已经出现了很多种电磁加工方法。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

2、晶粒细化和成分均匀化问题进行了研究。 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。 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。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合金倒入水平断面为25 mm40 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

3、了频率为2kHz的交流电流。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。 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。 由各实验条件下得到的宏观凝固组织照片可看出：0 T，0 A和10 T，0 A的条件下都得到了粗大的晶粒组织；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效果而引起的；

4、10 T，90 A的条件下的合金的凝固组织得到了显著细化。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。冲击试验结果表明，常规淬火试样

5、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。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。 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

6、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）凝固坯壳形状。2. 双磁力驱动器产生的磁力对凝固组织的影响 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。 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

7、示。 当向金属液施加双磁力驱动时，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。电磁振荡下梯度磁场对纯A1凝固组织的影响图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看出细化区域进一步扩大到试样的整个

8、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 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，结果如下图所示对比图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

9、)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在凝固过程中，对熔体时间电磁场，通过电磁场在凝固过程中，对熔体时间电磁场，通过电磁场与熔体作用产生的电磁力、热效应以及影响传质作用等与熔体作用产生的电磁力、热效应以及影响传质作用等途径，对凝固组织形态及合金的力学性能都会有交大的途径，对凝固组织形态及合金的力学性能都会有交大的影响。影响。电磁搅拌产生的金属流动使树枝晶前端断裂或产电磁搅拌产生的金属流动使树枝晶前端断裂或产生熔断，造成大量破碎枝晶促进晶粒游离；同时，剧烈生熔断，造成大量破碎枝晶促进晶粒游离；同时，剧烈流动可大大加速熔体内部的传热，扩大凝固区域范围；流动可大大加速熔体内部