電磁場對鑄件宏觀凝固組織的控制

1、 電磁場電磁場對鑄件宏觀凝固組織的控制對鑄件宏觀凝固組織的控制小組成員： 朱澤郎 張金垚 黃志鵬 劉彥寧 隨著電磁技術(shù)的發(fā)展，電磁場在控制金屬凝固、隨著電磁技術(shù)的發(fā)展，電磁場在控制金屬凝固、改善合金組織及性能等方面將越來越重要，電改善合金組織及性能等方面將越來越重要，電磁場在材料加工方面的應(yīng)用也越來越廣，到目磁場在材料加工方面的應(yīng)用也越來越廣，到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了很多種電磁加工方法。前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了很多種電磁加工方法。電磁攪拌改善鑄坯內(nèi)部質(zhì)量采用Q235鋼種，以模擬連鑄小方坯的凝固過程為目標，進行了鑄坯的靜態(tài)澆鑄實驗。通過選取適當?shù)碾姶艛嚢鑵?shù)和澆鑄參數(shù)，對電磁攪拌改善鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量、促進

2、晶粒細化和成分均勻化問題進行了研究。 靜態(tài)澆鑄實驗結(jié)果表明，不采用電磁攪拌時等軸晶率只有38；而在采用合理的攪拌參數(shù)和澆鑄參數(shù)的情況下，獲得了幾乎為100等軸晶的鑄坯。 鑄坯的硫印檢驗結(jié)果表明，電磁攪拌使硫化物分布變得分散，有利于整個鑄坯截面上硫化物分布均勻，特別是在角部附近，硫化物的分布變得更加均勻。電磁超聲波對金屬組織細化的作用 利用強磁場和高頻電流的局部作用所產(chǎn)生的電磁超聲，考察這種超聲波對細化金屬合金凝固組織的效果。 實驗裝置如圖13所示，將SnPb合金倒入水平斷面為25 mm40 mm的矩形玻璃容器中，然后對其施加了垂直方向的靜磁場BDc。同時在容器的短邊附近插入一對銅制電極，并通入

3、了頻率為2kHz的交流電流。在金屬的長邊壁的中心位置安裝了熱電偶，記錄了合金凝固的溫度履歷。 靜磁場和高頻電流分別是0 T，0 A、0 T，90 A、10 T，0 A、10 T，90 A的條件下所得到的凝固過程冷卻曲線如圖14所示?？梢钥闯?，由于交流電流的焦耳熱沒有對冷卻曲線造成太大影響，施加了10 T強磁場的合金的冷卻速度比沒有施加強磁場的要大些。 由各實驗條件下得到的宏觀凝固組織照片可看出：0 T，0 A和10 T，0 A的條件下都得到了粗大的晶粒組織；0 T，90 A的條件下，電極附近的晶粒比前兩種都得到了細化，這可能是由于高頻電流和其自身所產(chǎn)生的磁場的作用下生成的電磁力的效果而引起的；

4、10 T，90 A的條件下的合金的凝固組織得到了顯著細化。電場對奧氏體化40MnMoV性能的影響 采用電場熱處理爐處理試樣，電場強度設(shè)定為2 kVcm，不銹鋼電極板接高壓直流電源負極，試樣接電源正極，負極與正極相距10 mm，電壓為2 kV。所有試樣均以5min的速度加熱至860，保溫15 min。熱處理過程中始終通以氮氣保護。熱處理制度為200、120 min的低溫回火。 顯微硬度測試表明，電場奧氏體化，使淬火試樣的顯微硬度沿橫截面呈一定的梯度分布，即表面硬度較高，心部硬度較低，但相差不大(40 kgmm2)，且其各點的顯微硬度值均高于常規(guī)處理試樣的顯微硬度值。沖擊試驗結(jié)果表明，常規(guī)淬火試樣

5、的沖擊功為122 J，沖擊韌性為63 Jcm2；電場淬火試樣的沖擊功為151 J，沖擊韌性為755 Jcm2。對比可見，電場淬火試樣的沖擊性能比常規(guī)淬火試樣的沖擊性能提高了近20。拉伸試驗表明，電場淬火試樣低溫回火后的拉伸性能指標均高于常規(guī)工藝處理試樣，其中屈服強度提高167，抗拉強度提高15，伸長率提高13，斷面收縮率提高147。雙磁力驅(qū)動器對液態(tài)金屬流動的驅(qū)動與控制1.雙磁力驅(qū)動攪拌對初期凝固殼的影響 連鑄過程中，金屬液初期凝固點的位置直接影響到初期凝固坯殼的厚度、表面質(zhì)量和鑄坯能否成型。 本研究通過在澆鑄過程中向Sn+3.5%Pb 合金中添加少量Sn+43%Pb合金的方法，借助于兩種合金

6、在凝固組織上的差異，觀察施加永磁磁場對鑄坯凝固坯殼的影響。 圖示出了不同實驗條件下凝固坯殼的形狀，分別表示未施加電磁場時（圖5a），僅開啟下磁力驅(qū)動器，轉(zhuǎn)速為35r/s（圖5b）以及施加雙磁力驅(qū)動的凝固殼形狀，上驅(qū)動器轉(zhuǎn)速為20r/s，下驅(qū)動器轉(zhuǎn)速為35r/s（圖5b）凝固坯殼形狀。2. 雙磁力驅(qū)動器產(chǎn)生的磁力對凝固組織的影響 由圖6a可見未施加磁場時，鑄坯凝固組織基本由較粗大的柱狀晶組成。 在連鑄過程中，施加轉(zhuǎn)速為20r/s下磁力驅(qū)動器時等軸晶組織大幅減少，且柱狀晶組織分布在鑄坯中的外部，如圖6b所示。 當下驅(qū)動器轉(zhuǎn)速增加到35r/s時，即增大驅(qū)動的磁力，可得到大部分的等軸晶組織，如圖6c所

7、示。 當向金屬液施加雙磁力驅(qū)動時，上磁力驅(qū)動為20r/s，下磁力驅(qū)動為35r/s，得到凝固組織為100%的細等軸晶組織，如圖6d所示。電磁振蕩下梯度磁場對純A1凝固組織的影響圖3a為不加電流和磁場的凝固組織，晶粒都為粗大的等軸晶圖3b一h為強磁場復合電流產(chǎn)生振蕩下凝固的組織，與圖3a相比，復合場作用下的晶粒細化，但在不同條件下細化程度和分布各不同圖3b，c分別為(05 T，10 A)和(05T，15 A)電流下的凝固組織，細化區(qū)域主要分布在試樣的底端，并且在同一磁場下，隨著電流強度的增大，細化的區(qū)域和程度都增大圖3d為(1 T，10A)復合條件下的凝固組織可以看出細化區(qū)域進一步擴大到試樣的整個

8、縱截面，但在12高度處的邊緣部分沒有細化當磁場進一步增大到(15 T，10 A)條件時(圖3e)，試樣的全部區(qū)域都均勻細化進一步增大磁場到(6 T，10 A)和(10T，10 A)時，如圖39，h所示，細化區(qū)域主要分布在試樣縱截面的上部，且磁場強度越大，細化區(qū)域分布越靠近上端 2.磁化力與重力同向 為了進一步證明磁化力和重力反向時磁化力對“結(jié)晶雨”的抑制行為，在lO T磁場下，進行了磁化力和重力同向和反向的實驗，結(jié)果如下圖所示對比圖4和圖5可以看出，在相同的振蕩強度下，所得的凝固組織截然不同磁化力與重力反向時，細化區(qū)域分布在試樣的頂端(圖4)；磁化力與重力同向時，細化區(qū)域分布在試樣的底端(圖5

9、)且電極附近不細化在同一磁場下，振蕩強度越大，晶粒的細化區(qū)域越大上述現(xiàn)象進一步說明細化區(qū)域的形成是晶粒下沉所致在凝固過程中，對熔體時間電磁場，通過電磁場在凝固過程中，對熔體時間電磁場，通過電磁場與熔體作用產(chǎn)生的電磁力、熱效應(yīng)以及影響傳質(zhì)作用等與熔體作用產(chǎn)生的電磁力、熱效應(yīng)以及影響傳質(zhì)作用等途徑，對凝固組織形態(tài)及合金的力學性能都會有交大的途徑，對凝固組織形態(tài)及合金的力學性能都會有交大的影響。影響。電磁攪拌產(chǎn)生的金屬流動使樹枝晶前端斷裂或產(chǎn)電磁攪拌產(chǎn)生的金屬流動使樹枝晶前端斷裂或產(chǎn)生熔斷，造成大量破碎枝晶促進晶粒游離；同時，劇烈生熔斷，造成大量破碎枝晶促進晶粒游離；同時，劇烈流動可大大加速熔體內(nèi)部的傳熱，擴大凝固區(qū)域范圍；流動可大大加速熔體內(nèi)部