摘要：以Al-Cu合金作为实验材料,开展了振荡磁场在电磁模铸的应用研究,研究了振荡磁场对于铸锭组织及元素偏析的影响规律。结果表明:振荡磁场产生的振荡与强制对流作用能够有效地控制铸锭的凝固过程,获得均匀细小的等轴晶组织,晶粒平均尺寸为239.37μm。振荡磁场能有效影响合金元素在铸锭中的分布,具有改善合金元素偏析的作用。
关键词：Al-Cu合金; 振荡磁场; 组织; 成分偏析;
The Application of Oscillating Magnetic Field in Al-Cu Alloy Casting
LIU Shu-tao WANG Zhen-zhe
China Nuclear Power Engineering Co.,Ltd.
Abstract:In this paper, Al-Cu alloy was used as the experimental material to study the effect of oscillating magnetic field in electromagnetic die casting. The influence of oscillating magnetic field on the ingot structure and element segregation was studied. The results show that the oscillation and forced convection produced by the oscillating magnetic field can effectively control the solidification process of the ingot. It obtained a uniform and fine equiaxed crystal structure. The average grain size is 239.37 μm. The oscillating magnetic field can effectively affect the distribution of alloying elements in the ingot, and has the effect on improving the segregation of alloying elements.
0 引言
振荡磁场的产生,是通过在合金熔体中同时施加稳恒磁场和与稳恒磁场方向垂直的交流电场实现的[1],二者的相互作用会产生一个方向周期变化的电磁力,在这个电磁力的作用下,合金熔体做反复的振荡运动。实践中,振荡磁场的获得有两种方式,一种是同时施加稳恒磁场和垂直方向的交流电场[2];另一种是稳恒磁场和交变磁场的复合,其中垂直方向上的交流电流是通过交变磁场在熔体中感应产生的[3]。Alireza Radjai等[4]研究了振荡磁场的强度和频率对铝硅亚共晶合金凝固组织的影响,其振荡磁场是通过在金属熔体中同时施加交变电流和稳恒磁场来实现的。结果显示,施加振荡磁场后,铝硅过共晶合金中的发达枝状晶组织消失了,并得到了细小均匀的类似等轴晶的组织,在低电流强度下得到的是粗大的类等轴状晶粒组织,随着电流密度的增加,晶粒变得更加细小均匀;在低的频率作用下,振荡磁场对于枝晶生长的抑制作用很有限,难以获得细小均匀的等轴组织,而随着频率的提高,当频率为1.5 kHz时,能够获得细小均匀的等轴晶组织,且效果最佳,而当频率提高到10 kHz时,振荡磁场不仅不能细化晶粒组织,反而会促使凝固组织完全转变为发达的枝晶组织。鉴于在Al-Cu合金铸造过程中缺少对振荡磁场的研究,本文初步探索了振荡磁场对Al-Cu合金铸锭宏微观组织及元素偏析的影响。
1 实验方法
本文以铜质量分数为5%的铝铜合金作为实验材料,铜质量分数为5%的铝铜合金是一种固溶型合金。常温下,Cu元素在Al中的固溶度比较小,因此质量分数为5%的铝铜合金常温下以α相和析出的CuAl2共同组成。实验采用的是振荡磁场,磁场的参数为160 A、20 Hz,振荡磁场的发生装置和原理如图1所示。试验中合金熔体的温度为700 ℃,冷却水流量为20 L/h。
图1 振荡磁场的装置原理
2 结果与讨论
2.1 振荡磁场对铸锭宏观组织的影响
不同磁场条件下铝铜合金铸锭宏观组织如图2所示。其中2(a)为单独施加稳恒磁场条件下的铸锭组织,磁场电流强度为160 A,图2(b)为单独施加交变磁场条件下的铸锭组织,磁场参数为160 A、20 Hz,图2(c)为振荡磁场条件下的铸锭组织,磁场参数为稳恒磁场电流强度160 A,交变磁场参数为160 A、20 Hz。
图2 不同磁场对于铝铜合金铸锭宏观组织的影响
(a)单一稳恒磁场;(b)单一交变磁场;(c)振荡磁场
由图2可知,在单独施加稳恒磁场条件下,铸锭的宏观组织为发达的枝晶组织,枝晶生长具有明显的方向性,宏观组织与未加磁场时的组织基本类似,这说明单独施加稳恒磁场,对于改善铸锭宏观组织没有明显效果。从图2(b)可以看出,在单独施加交变磁场条件下,在铸锭边部和底部的一定范围内,宏观组织为发达的枝晶组织,晶粒的生长指向铸锭的内部,而在铸锭中部和心部的大片区域,铸锭的宏观组织是均匀的,仔细观察发现,晶粒组织由枝晶组织和细小的等轴晶组织组成。当施加振荡磁场时,发现铸锭边部和底部的枝晶组织所占的体积分数显着降低,整个铸锭截面主要由均匀细小的等轴晶组织组成,期间夹杂着细小的枝晶组织。综合分析发现,单独的稳恒磁场对于改善铸锭宏观组织基本没有效果,单独的交变磁场对于改善铸锭宏观组织有显着效果,但是效果要明显差于振荡磁场,振荡磁场具有最佳的效果。
2.2 振荡磁场对铸锭微观组织的影响
不同磁场下铝铜合金铸锭宏观组织和晶粒尺寸分布状况如图3所示。其中3(a)为稳恒磁场条件下的微观组织,图3(b)为单相交变磁场条件下的微观组织,图3(c)振荡磁场条件下的微观组织。图3(d)(e)(f)分别为对应的晶粒尺寸分布图。
图3 不同磁场下铝铜合金铸锭微观组织和晶粒尺寸分布
(a)(d)稳恒磁场;(b)(e)单相交变磁场;(c)(f)振荡磁场
由图3可知,当单独施加稳恒磁场时,铸锭的微观晶粒组织主要为粗大发达的枝晶组织和粗大的棒状组织,其间夹杂着少量的碎枝晶组织,这和未加磁场时的微观晶粒组织类似,这说明单独施加稳恒磁场对于改善铸锭微观晶粒组织基本没有效果,晶粒尺寸200～1 200 μm,平均尺寸为571.51 μm。当施加单项交变磁场时,微观晶粒组织有显着的变化,发达的枝晶组织转变成了不规则的球形组织和多边形组织,仔细观察发现,铸锭下部和中上部的晶粒形貌并不相同,铸锭下部多为相对粗大的碎枝晶组织和对变形组织,铸锭的上部则主要为不规则的球形组织,晶粒尺寸150～600 μm,平均尺寸为362.34 μm,这说明单相交变磁场在熔体中产生的强制对流能够影响铸锭的凝固过程,进而有效改善铸锭组织、细化晶粒。当施加振荡磁场时,铸锭的边部和中部主要为细小均匀的不规则球形组织,铸锭的心部则存在少量的细枝晶组织,晶粒尺寸150～400 μm,平均尺寸为239.37 μm,这说明振荡磁场产生的振荡有强制对流作用,能够有效控制铸锭的凝固过程,获得均匀细小的等轴晶组织。对比振荡磁场与单独的稳恒磁场和单相交变磁场的效果可知,振荡磁场具有最佳的均匀组织、细化晶粒的效果。
2.3 振荡磁场对铸锭溶质元素偏析的影响
不同磁场下铝铜合金铸锭中Cu元素在轴向上的含量如表1所示。
表1 不同磁场条件下铝铜合金铸锭不同位置的Cu元素含量
由表1可知,在稳恒磁场作用下,Cu元素在轴向上的分布规律与无磁场条件下的完全一致,均为逐渐增加的趋势,Cu元素的最大含量偏差为1.35,比无磁场条件下的偏析度还要严重,这说明本实验条件下稳恒磁场对于改变合金元素偏析没有任何效果。在单相交变磁场作用下,Cu元素的分布规律也是呈逐渐增加的趋势,Cu元素在铸锭中下部和中上部之间的偏析度均明显小于无磁场条件下的偏析度,Cu元素的最大含量偏差为0.61,明显小于无磁场下的1.03,说明单相交变电磁场对于合金元素的偏析有一定的改善作用。在振荡磁场作用下,Cu元素在轴向的含量分布呈现先降低后增加的变化规律,Cu元素的最大含量偏差发生在中上部,为0.31。综合分析可以得出结论,振荡磁场能够有效影响合金元素在铸锭中的分布,在改善合金元素宏观偏析方面,振荡磁场的效果显着优于单一的交变磁场和稳恒磁场。
3 结论
本文探讨了振荡磁场对于铸锭凝固组织及元素分布的影响规律,对实验结果进行了分析讨论,得到了以下结论:在振荡磁场作用下,铸锭的边部和中部主要为细小均匀的不规则球形组织,铸锭的心部则存在少量的细枝晶组织,晶粒尺寸150～400 μm,平均尺寸为239.37 μm。Cu元素在轴向的含量分布呈现先降低后增加的变化规律,Cu元素的最大含量偏差发生在中上部(0.31)。振荡磁场作用下的Al-Cu铸锭组织结构及成分偏析具有最佳的效果。
参考文献
[1] CHARLES VIVES.Effects of Forced Electromagnetic Vibrations during the Solidification of Aluminum Alloys:Part I.Solidification in the Presence of Crossed Alternating Electric Fields and Stationary Magnetic Fields.Metallurgical and Materials Transactions B,1996,27(B):445-455.
[2] CHARLES VIVES.Crystallization of aluminum alloys in the presence of vertical electromagnetic force fields.Journal of Crystal Growth,1997,173:541-549.
[3] 张勤,崔建忠,路贵民,等.电磁振荡对铝合金半连铸胚微观组织及溶质元素晶内含量的影响[J].金属学报,2003,39(10):1115-1120.
[4] ALIREZA RADJAI,KENJI MIWA.Effects of the Intensity and Frequency of Electromagnetic Vibrations on the Microstructural Refinement of Hypoeutectic Al-Si Alloys.Metallurgical and Materials Transactions A,2000,31(A):755-762.
