电磁场作用下合金凝固机制研究.doc

电磁作用下合金凝固机制研究
瑚志展
摘要1.提出合金凝固过程中晶粒磁取向的动力学模型，获得了晶粒取向时间的分析解，．
2.在合金凝固的过程中施加电流或磁场，研究电流或磁场对合金
凝固组织的影响，结果表明电流和磁场均可使晶粒明显细化。
3.在（稳恒交变脉冲）（强弱）磁场与（直流交流脉冲）（强弱）电流叠加作用时对合金凝固的影响

关键词晶粒磁取向细化脉冲电流脉冲磁场凝固纽织结晶游离

随着技术的发展，采用液态加工和电磁场结合的手段制备有织构的合金材料获得了广泛应用，开辟了材料电磁制备的新前景．合金材料在电磁场中凝固时，具有磁各向异性的固液两相，易于形成有序织构，显著增强材料的各项性能．首先需要弄清合金凝固过程中晶粒磁取向的动力学模型，电磁场特性与合金凝固的相互关系．在此基础上，研究各种不同类型的电磁场作用下对合金凝固的影响从而获得经济生产中的巨大效益。电磁场作用下凝固形成的合金的优异性能在航天、汽车、电子等行业有巨大的前景，因此如何提高合金的的性能，是合金及其制备的关键问题之一。实践证明，细小的等轴晶粒组织能改善合金的塑性变形能力。因此，细化镁合金铸锭的显微组织，提高其力学性能受到广泛的重视。1987年，Vives提出cREM(casting，Refin—ing，Electmmagnetic，半连铸结晶器外施加交频磁场)工艺，采用电磁搅拌的方法，有效地细化了铝
坯的晶粒。在电磁连铸(EMc)中，电磁搅拌对均匀成分和细化组织起到很好作用。但同时也发现，cREM工艺所用的工频电磁场的电磁渗透深度较大，合金被强烈搅拌，其表面液膜易被破坏，会在弯月面边部形成强烈的液面抖动，易发生液膜破碎、卷渣、拉裂等现象，有时严重影响铸坯质量。而另一方面，在高频磁场受到结晶器的强烈屏蔽，产生很大的热损耗，使能耗增加。基于上述结果，本文研究了在不同类型的电磁场作用下对合金凝固的影响，并通过冷坩埚式结晶器提高磁场的渗透效果，进行合金电磁连铸实验。在此基础上，对电磁连铸工艺及合金凝固组织、力学性能、成分偏析的影响进行分析。同时为了提高合金表面质量，也必须对电磁场作用下初凝壳的形成机制和变化规律有一个清晰和明确的认识。因此研究合金凝固过程中不同类型不同强弱的电磁场对其影响十分必要。
1.理论
为简化问题，考虑液体中的一个悬浮晶粒，在磁场作用下以角速度u发生平面转动．假设晶粒可以用一长椭球代表(球形晶粒和纤维属于其特例)，其短轴为a，长轴为c(易磁化轴)，如图1所示．以椭球中心0为原点，分别建立本体坐标系O-x’y’z’和绝对坐标系0-xyz，轴
X’轴和y’轴分别取在a和c上，x轴取磁场H方向，c与H成夹角θ.

图1晶粒在磁场作用下旋转的示意图
根据刚体动力学

Ta表达式表明取向时间与液相粘度成正比，与磁化率的差和磁场强度的平方成反比，随晶粒长径比增大而迅速增加。因此，要缩短织构相的取向时间，最好的办法是提高磁场强度，其次可适当升高温度以减小熔体粘度，如果织构为纤维增强相，应适当控制其长径比，如果织构为自生析出相，其长径比与其生长历史有关，人为控制的难度相应较大．
因此提高磁场强度，可以显著缩短晶粒的取向时间．
2.电流作用
利用ZA42合金作为定向凝固试验材料，分析探讨直流电流使凝固方式产生反复的影响机理。试验采用在ZA42(Zn．42％A1，质量分数)二元合金的定向凝固过程中施加电流处理，利用圆棒试样在自制的定向凝固装置中以3mm／rnin的速度拉伸时，在试样的两端通不同大小的直流电流，研究直流电流对ZA42合金定向凝固方式及凝固组织的影响。在最终凝固样品的相同部位截取金相试样，纵向剖开，经过打磨、抛光和腐蚀后用金相显微镜进行组织观察。

图1不同条件下ZA42合金的定向凝固组织
图1显示的试验结果分别为无电流和电流为10A、30A、50A、80A时ZA42合金的纵向剖面凝固组织。由图可以看出，当施加的电流值较小时，合金凝固组织的树枝晶有一定程度的粗化(见图lb)。但是，随着电流的进一步增大，试样的凝固组织从明显粗大的树枝晶逐渐细化并产生端部圆化现象(见图1c)，转变为类似等轴晶组织(见图ld)，当电流继续增大时，凝固组织再次趋向于枝晶生长，并且组织得到细化(见图le)。电流强度通过影响凝固界面扰动频率∞来改变凝固组织的粗细，即电流强度的增加先使组织变得粗大，当电流强度超过临界值，木后，电流强度越大组织越细，直到电流过大，使已凝固固相发生重熔，凝固界面失去稳定性为止。因此，在本试验中，当电流强度为10A(图1b)时，由于电流强度小于临界值，凝固组织有一定程度的粗化，此后，随着电流强度值的增大，凝固组织得到越来越明显的细化。上述试验结果中，合金的凝固方式出现了反复，即明显粗大的树枝晶----近似等轴晶----卜细小枝晶，其原因可以从电流对形核条