電磁場對復雜黃銅凝固組織及性能的影響

鄭冰芳, 趙惠芬

(寧波金田銅業(集團)股份有限公司,浙江 寧波 315034)

0 前 言

在銅加工中,熔鑄鑄坯是決定銅材內在質量和性能的最關鍵因素之一.目前某司黃銅棒錠坯生產多采用水平連鑄技術,凝固組織中柱狀晶發達,由于后道加工率較小及其遺傳性作用,對后序加工和產品性能均有影響[1-2],因此,對改善鑄態組織新工藝的研究非常迫切.

李新濤[3-5]將旋轉磁場、工頻磁場和中頻磁場的電磁攪拌應用于銅管坯水平連鑄,改善了鑄坯的結晶組織、表面質量和力學性能.可見,將交變電磁場引入連鑄過程,可以改善材料的表面質量、細化晶粒、增加鑄坯等軸晶率、提高鑄坯的加工和力學性能[6].

基于電磁場對材料結晶過程的影響,本試驗將中頻電磁場應用于黃銅連鑄中,探索電磁連鑄在黃銅生產中應用的效果和適用性.試驗中,分別進行了普通水平連鑄和加電磁場水平連鑄,研究電磁場作用下黃銅水平連鑄鑄坯的凝固組織、力學性能和物理性能等,為下一步黃銅的加電磁場水平連鑄生產提供合理的電磁場設計和優化鑄造工藝.

1 試 驗

試驗原理和連鑄電磁成型裝置結構如圖1所示.試驗裝備包括1.5 t級工頻有芯感應爐、水平連鑄機、電磁成型結晶器、水冷系統、拉坯控制系統和中頻電源等.將HPb58-2鉛黃銅鑄造成φ40 mm的棒材,選用不同的電流、頻率,并施加電磁場進行工業生產,考察電流頻率、電流強度對鉛黃銅棒坯凝固組織、密度和力學性能的影響.

圖1 結晶系統裝置圖

2 結果與討論

2.1 電磁場對鑄坯表面質量的影響

圖2為未施加電磁場和施加電磁場鑄坯的外觀形貌.從圖2(a)中可以看出,未施加電磁場的鑄坯表面比較粗糙,周向振痕較深,脫鋅致氧化鋅富集區較大.從圖2(b)中可以看出,施加電磁場后,鑄坯表面的周向振痕明顯減弱,同時材料表面變得更加光滑,脫鋅致氧化鋅富集區明顯減小.根據電磁感應理論可知,水平電磁連鑄鑄坯表面質量提高的主要原因是:當線圈中通過交變電流時,交變電流在周圍空間產生交變磁場,處在交變磁場中的金屬將產生感應電流,交變磁場和感應電流相互作用,產生指向金屬液內部的電磁壓力.在水平連鑄條件下,電磁壓力抵消了部分重力和金屬液的靜壓力,從而減小了初始坯殼與石墨模具之間的摩擦力,提高了連鑄坯的表面質量.同時,感應電流的熱效應也影響了結晶器的傳熱過程,進而改善了液態金屬的初始凝固狀態,在一定程度上提高了鑄坯的表面質量[6-7].

圖2 試驗鑄坯外觀形貌

2.2 電磁場對鑄坯結晶組織的影響

圖3為拉速400 r/min、不同頻率與不同電流強度下試驗鑄坯的顯微組織照片.從圖3中可以看出,未施加電磁場時,鑄坯凝固組織均勻性很差,有明顯的粗大柱狀晶存在.從圖3(b)～圖3(d)中可以看出,當施加電磁場后,粗大的柱狀晶得到了顯著的細化,成為細小均勻的等軸晶,鑄坯凝固組織均勻性得到明顯改善.隨著電磁連鑄電源輸出電流的增大(0 A→10 A→100 A),等軸晶組織呈現逐漸均勻的趨勢,而鑄坯內部的柱狀晶組織則趨向短粗化,并進一步地向等軸晶化發展.當電源表觀電流為100 A時,鑄坯斷面已無柱狀晶組織.從鑄坯斷面的晶粒數量來看,隨輸入電流的增大,晶粒明顯增多、細化.同樣,隨著輸出頻率的提高,也有類似的趨勢.

圖3 拉速400 r/min、不同頻率和不同電流強度下的顯微組織

2.3 電磁場對鑄坯密度的影響

圖4為拉速400 r/min,不同頻率和不同電流強度下的試驗棒坯密度變化圖.圖4中,0 Hz代表未加電磁鑄造時的試樣密度.

圖4 相同拉速400 r/min、不同頻率和不同電流強度下試驗棒坯的密度變化

從圖4中可以看出,電磁鑄造使試驗棒坯的密度增加,提高了棒坯凝固組織的致密性.當頻率為30 Hz和50 Hz時,材料的密度最穩定,且基本大于未加電磁場時的試樣密度.當電流相同、頻率不同時,隨著電流的增大,試驗棒坯的密度有先減小后增大的趨勢.當電流分別為10 A、80 A和100 A時,試驗棒坯的密度分布較好.特別是80 A和100 A時,試樣的密度除了60 Hz時,均高于未加電磁場時的密度.由此可見,30 Hz/80 A、50 Hz/80 A、30 Hz/100 A和50 Hz/100 A時的試樣較好.

試驗棒坯密度上述變化的主要原因為:電磁場的攪拌作用促進了銅液中氣體釋放,并使棒坯組織細化和等軸晶率提高,進而使其致密度提高.但頻率會影響磁場分布及金屬熔體受力,頻率越高,磁場在金屬中的滲透能力就越差.熔體受力大小由電流和磁感應強度共同決定.熔體內部的磁感應強度隨頻率的升高而減小,感應電流卻隨之增加,熔體受力并不會隨頻率增加單調變化.因此,在頻率為20 Hz和60 Hz時,熔體受力變化復雜,導致結晶不穩定,鑄錠的密度變化較大.

2.4 電磁場對鑄坯抗拉強度及延伸率的影響

表1為拉速400 r/min、普通連鑄和電磁連鑄生產(不同頻率與不同電流強度)試驗鑄坯的抗拉強度與延伸率的關系.

從表1中可以看出,電磁連鑄坯料與普通連鑄坯料相比，其抗拉強度和延伸率提高,且提高幅度與輸入電流強度成正比.在連鑄中施加電磁場后,鑄坯的抗拉強度平均提高了5～10 MPa,延伸率平均提高了1%.這主要是因為電磁場作用下鑄坯晶粒細化和均勻化的結果.晶粒細化使晶界面積增加,對位錯運動阻礙增強,同時晶粒均勻化使其在塑性變形時的協調性增強,會抑制裂紋萌生和擴展,進而強度和塑性提高,提高了材料的抗拉強度和延伸率.

表1 拉速為400 r/min,不同頻率和不同電流強度下的抗拉強度和延伸率的變化Tab.1 Tensile strength and elongation change under different frequency and different intensity of electrical current at drawing speed 400 r/min

抗拉強度和延伸率均較為優益的電磁連鑄工藝參數分別為10 A,20 Hz,400 r/min;20 A,20 Hz,400 r/min;10 A,30 Hz,400 r/min;60 A,60 Hz,400 r/min;60 A,20 Hz,300 r/min.結合上面的分析得出:頻率為20 Hz,30 Hz,電流為10 A,80 A,100 A時電磁鑄造的效果最好.

3 結 論

(1) 在黃銅HPb58-2A棒坯水平連鑄生產線上施加電磁場,細化了黃銅HPb58-2A棒坯的凝固組織,提高了組織均勻性和材料致密性.材料的組織變得更加均勻,致密性變得更好,抗拉強度及延伸率也有一定的提高.

(2) 對復雜黃銅HPb58-2A棒坯水平連鑄生產線上施加高電流的電磁場,能有效提高材料的綜合性能.

參考文獻:

[1] 肖恩奎,李耀群.銅及銅合金熔煉與鑄造技術[M].北京:冶金工業出版社,2007:148.

[2] 馬宏聲.有色金屬錠坯生產技術[M].北京;化學工業出版社, 2007:314.

[3] Li Xintao, Guo Zhaoxiang, Zhao Xiangwei,et al.Continuous casting of copper tube billets under rotating electromagnetic field[J].MatSciEngA, 2007, 460: 648-651.

[4] 李新濤,李丘林,李廷舉,等.電磁場對水平連鑄紫銅管表面質量及組織性能的影響[J].中國有色金屬學報,2004,14(12):2060-2065.

[5] 李丘林,李新濤,李廷舉,等.空心銅管坯水平電磁連鑄過程的電磁效應研究[J].西安交通大學學報,2005,39(9):1003-1006.

[6] 江建明,黃錦峰,余建波,等.電磁連鑄對黃銅凝固組織和性能的影響[J].上海金屬,2009,31(5):28-33.

[7] Cao Zhijiang, Jia Fei, Zhang Xingguo,et al.Microstructure and mechanical characteristics of electromagnetic direct- chill casting 2024 aluminum alloys [J].MatSciEngA,2002, 327:133-137.