水平电磁连铸铅白铜棒材的组织演变

水平电磁连铸铅白铜棒材的组织演变

铅白铜组合的主要成分是铜、锌、铜。含铅白铜具有良好的物理性和切割性，耐腐蚀性好，加工成型好。它是制造设备、财力、日用品、通信等常用材料。然而,因为材料中偏晶组织铅的存在,使其进行热塑性加工困难,但是用传统的冷加工方法又不经济。于是人们寄希望于水平连铸方法。但是,水平连铸工艺的影响因素较多,传统的水平连铸工艺生产的铸坯因无二次冷水,不可避免地存在晶粒粗大、组织及合金元素分布不均匀等缺陷,严重制约着铸坯质量的提高。因此,深入研究铅白铜水平电磁连铸技术,对改善其质量等具有重要意义。电磁场的特点有传递的能流密度大、无接触、可控制等。随着电磁技术和水平连铸技术的发展,电磁场逐渐被应用到水平连铸过程中。近年来,电磁技术广泛地被用于控制液态金属的流动及凝固成型,许多从事这方面研究的学者都取得了不错的成果。基于电磁场在改善材料组织、性能方面的优势,为了生产高致密铸坯,改善铸坯组织性能,优化铸造工艺,本实验通过研究在水平连铸过程中施加不同频率、强度的电磁场对铅白铜棒材组织和铅元素偏析的影响规律,总结出最佳工艺参数,为生产高质量的铅白铜铸坯提供技术支撑。1试验过程及试验结果当电磁场以一定的速度切割液态金属时,便产生感应电流,这时液态金属相当于载流导体,在外加电磁场的作用下产生洛伦兹力,该力能够驱使其实现有规律的运动。电磁搅拌技术的实质,是借助洛伦兹力的作用强化铸坯液穴中金属液的运动,通过改善凝固过程中液态金属的流场、温度场来细化晶粒、增加等轴晶率、减少偏析等,从而提高铸坯的质量。在本次试验时,主要考察利用水平电磁连铸的方法生产出规格为直径Φ200mm的圆锭的组织性能变化,重点研究不同电磁场频率和强度对合金棒材宏观组织及铅元素偏析的影响。试验时固定拉坯速度为32.24mm/min,一次冷却水流量为6~8m3/min,无二次冷却水,以避免铸坯产生热裂。施加电磁场后炉温一度下降达到850℃,后陆续升高到980℃,然后进行水平电磁连铸得到横截面直径为Φ200mm的细晶组织铸坯。试验过程中,频率分别选取10、25、30、40、50Hz5个值,电流强度分别取120、160和200A3个值,共获取15组数据对应的试验铸坯。试验后对每一组工艺参数下的铸锭分别取样(另外还截取1个未施加电磁场的试样),进行宏观组织和合金元素Pb的分布分析,其中宏观组织试样均取自铸坯横截面,经粗磨、精磨、抛光后用40%的HNO3水溶液腐蚀,直接拍照观察,照片的上下部对应铸坯的上下部。本试验所用铅白铜合金材料所含合金元素主要有Cu、Ni、Co、Zn、Pb、Mn,其化学成分及含量见表1。2结果和分析2.1磁体对合金铸造轴的宏观组织的影响2.1.1电磁对铸锭晶的作用和组织的影响固定其他工艺参数,考查电磁场强度对铅白铜棒材凝固组织的影响,得出当频率为30Hz时的组织最佳,为考察分析方便,这里选择频率为30Hz的组织重点进行分析,结果如图1所示。图1a是未施加电磁场时铅白铜棒材横截面的宏观凝固组织。在未施加电磁时,金属液主要通过自然对流和热传导向结晶器散发热量,由于冷却水的激冷作用,在铸锭中存在很大的温度梯度。因此,除了铸锭外侧由于激冷作用产生少量的等轴晶外,整个横截面上基本都是柱状晶,铸锭横截面上方是细小的柱状晶,下方是粗大的柱状晶,穿晶现象很明显。并且凝固组织周向均匀性很差,最后凝固点位置在横截面几何中心向上偏移11.5cm处。出现上述现象的原因是由于在水平连铸过程中,由于受重力的作用,铸锭顶部区域与石墨模具之间产生的气隙大大地增加了热传导时的热阻,使铸锭顶部区域的温度梯度降低,故顶部区域出现细小的柱状晶;而在铸锭的底部区域,冷却水对其产生很大的温度梯度,促进了柱状晶的生长,故铸锭底部区域都是粗大的柱状晶。同时由于重力使铸锭下表面与结晶器间的接触压力大于铸锭上表面,于是铸锭下表面的冷却强度大于上表面,因此底部区域晶粒的生长速度较大,这样便造成了最后凝固点位置的上移。当施加了电磁场后,组织主要由等轴晶组成,最后凝固点由靠近上表面(几何中心上方11.5cm处)下移到铸锭中心位置。当电流强度为120A时,铸锭熔池内的电磁力尚弱,电磁搅拌强度不足,故铸锭中尚有少量柱状晶存在,如图1b所示。当强度增大到160A时,搅拌作用增大,使凝固界面前沿的温度梯度逐步降低,进而可有效抑制柱状晶生长和扩大等轴晶区,铸锭横截面几乎全部为均匀细小的等轴晶,如图1c所示。当强度超过200A时试样宏观组织中出现少量细柱状晶,这是因为随着电流强度的增加,凝固壳重熔、移出搅拌器外侧,结果搅拌速度反而降低,并且此时由于高温熔体的作用,部分形核核心被重熔,细化作用受到抑制,如图1d所示。总之,施加电磁场后,由于电磁场与熔体内部产生的感应电流的相互作用,在熔体中产生洛伦兹力。它使液态金属发生强制对流,一方面抵消了重力对凝固结晶过程的影响,加速了熔池内部的热量交换,同时感生电流在铸坯表层产生感应加热,使熔池内部温度分布趋于均匀,凝固界面前沿的温度梯度和成分过冷减小,削弱了枝晶生长条件,益于等轴晶生长;另一方面金属液的对流冲刷以及搅拌还促使了结晶器壁晶粒的游离,使凝固界面前沿的枝晶产生局部的温度起伏,造成枝晶易被折断和熔断,成为新的弥散晶核,晶粒在游离过程中,受到温度和成分扰动的作用,易发生枝晶重熔,游离晶粒间同时还会发生相互碰撞磨圆、碰撞粘合和自旋运动,使其生长表现出各向同性,最终在较低的温度梯度下同时凝固,促进了柱状晶向等轴晶的转变,最终组织表现为均匀细小的等轴晶。2.1.2不同频率对织机组织的影响考查电磁场频率对铅白铜棒材凝固组织的影响,在所做的电流强度分别为120,160,200A的几组对比实验中,选择搅拌效果最好的160A的组织进行分析,结果如图2所示。由图2可知,在电磁场作用下,铸坯宏观组织明显细化,且分布变得均匀。当频率为50Hz时,晶粒虽然不是特别粗大,但尚有枝晶组织存在,如图2a所示。当频率下降到40Hz时,枝晶的尺寸明显减小,并且数量增加,如图2b所示。当频率为30Hz时,获得了细小均匀的组织,如图2c所示。但进一步降到25和10Hz时,获得的组织又不如30Hz的好,如图2d、2e所示。这是因为磁感应强度在金属熔体中随频率而降低,电磁搅拌力也降低了。当频率f较高时,电磁场的集肤深度δ很小,电磁力主要集中于熔体的表面附近区域。于是在相同电流强度下,对熔体内部的强制对流作用也较弱。随着频率的降低,集肤深度δ逐渐增加,电磁场对熔体的搅拌作用范围随之逐渐增大。当频率进一步降低至10Hz时,熔体内部磁感应强度的变化率逐渐下降,电磁场的分布虽然趋近均匀,但其强迫对流作用也相应减弱,晶粒的细化效果变得不明显。因此,在电磁场强度一定的情况下,可以通过调节频率的值,在熔体中获最大的磁感应强度,使电磁场的搅拌作用最强,从而可以最大程度改善铸锭组织。本次试验得出,电流强度为160A时的组织最优,而最佳的频率范围为25~30Hz。2.2pb在连铸过程中的分布图3为施加电磁场前后铅白铜铸坯横截面铅分布的情况。图3a,3b,3c为未加电磁场时上中下3个部位Pb的分布状况,可见未搅拌时铸锭横截面下方枝晶发达,Pb主要沿柱状晶方向定向排列,由于晶粒较粗大,Pb颗粒尺寸也较大;施加磁场后,Pb颗粒明显变小,柱状晶消失,Pb分布均匀而无方向性。仔细研究还发现,常规水平连铸时,Pb在横截面上沿径向方向上的分布大致呈现出表面及邻近芯部区域含量偏高,芯部及内侧临近表面区域含量偏低的情形,同时横截面下半部分的Pb含量较高,这种现象是负偏析和比重偏析的共同作用。由前面分析可知,水平连铸时,合金凝固易形成粗大的树枝晶,由于枝晶相互交错形成较大的晶间通道,Pb便富集于这些晶间通道内。当铸坯受冷收缩时,在凝固收缩力和液态金属静压力等的共同作用下,内部富含Pb的液相便通过晶间通道流向铸坯边部,形成比较严重的反偏析。图3d,3e,3f为电磁场作用下Pb的分布情况,可知在施加了电磁场后,Pb在铸锭中的分布趋于均匀,宏观偏析得到了抑制。当施加160A的电磁场后,组织发生了由粗大的柱状晶向细小的等轴晶的转变,组织的非枝晶化程度提高,晶粒明显细化,这不仅减弱了枝晶偏析,而且使粗大枝晶的枝晶臂相互“搭接”形成的晶间通道大量减少,使内部富含Pb的液相流向铸坯边部的阻力大大增加,抑制了熔体在两相区内的远程流动,从而抑制了反偏析。3不同电磁场强度和频率下,各有作用1)铅白铜在普通水平连铸过程中,铸锭上下表面组织不均匀,最后凝