旋轉磁場對合金凝固組織形成的影響

摘 要：在合金澆注過程中施加由電磁攪拌器產生的旋轉磁場，能夠顯著地細化晶粒，抑制初生相的生長，同時對于消除宏觀偏析及促進柱狀晶向等軸狀晶轉變也有很好的效果。

關鍵詞：旋轉磁場 凝固組織 初生相

中圖分類號：TG113 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（c）-0116-02

追溯到20世紀初，人們在合金凝固過程中施加相應的磁場，同時還嘗試著運用磁場來對凝固的金屬進行攪拌，而這樣就可以改變冶金組織[1，2]。強烈的電磁攪拌不但克服了直接接觸金屬液的機械攪拌所造成的卷入氣渣等方面的缺點[3]，還在液相流動對凝固過程中祈禱的作用效果有很大程度的提高，進而在流動對凝固影響的研究中逐步形成一個重要的途徑[4]。本文闡述旋轉磁場對細化初生相，消除宏觀偏析，獲得等軸晶的作用效果。

1 旋轉磁場對合金組織的影響

1.1 旋轉磁場對過共晶鋁合金初生硅的細化

旋轉磁場對初晶硅的細化表現在三個方面。

（1）電磁攪拌抑制初晶硅各向異性生長。初晶硅的生長屬于小平面生長，在無外接干擾的情況下，初晶硅會遵循擇優生長原則長成粗大板塊狀。加入旋轉磁場后，在電磁攪拌作用下，初晶硅表面形成較多的機械孿晶，產生分支，同時加快溶質的擴散，促進溫度場的均勻化，增加初晶硅厚度，從而在一定程度上抑制初晶硅擇優生長，促使其向球團化轉變[5]。

（2）初晶硅中存在許多如孿晶，位錯，亞晶界等缺陷[6]。在旋轉磁場的作用下，由于初生si和周圍熔體的電導率不同而產生了相對運動，初生相受到金屬液的沖擊。凝固開始時，這些初生枝晶將被碎斷而形成更小晶粒[7]。這些游離晶隨著熔體一同流動，并在低溫下各自長成新的游離晶，增加了晶粒的數目[8]。

（3）熔體溫度場均勻化。當合金液開始析出初生硅晶核時，由于液體各處溫度基本相同，初生硅可在整個液體內同時非均質形核，從而細化初生硅[5]。另外在變質處理后，再外加旋轉磁場作用，效果更佳[9]。

1.2 旋轉磁場促進柱狀晶向等軸晶形態轉變

鋁合金的鑄造宏觀組織，分兩類：等軸晶和柱狀晶。柱狀晶區含有縱“弱面”，軋制時易沿弱面開裂而產生廢品；而等軸晶沒有明顯增加的弱面，加工時不易開裂，性能的方向性小。故希望能盡量促進柱狀晶向等軸晶的形態轉變，縮小柱狀晶區。

Al（4%～5%）Cu合金為試驗材料，研究旋轉磁場對Al-Cu合金凝固組織的影響。結果發現，旋轉磁場對合金的凝固組織產生明顯的細化效果，凝固組織呈現近等軸晶顆粒，分布較均勻，晶間距也明顯減小。[10]

產生該現象的原因是由于在磁場的作用下，鑄型中金屬液流動，是靠近型壁處為層流，中心為絮流。層流前沿速度取決于旋轉磁場強度，隨著磁場強度增大，層流速度快，對型壁上晶體沖刷力大，從型壁上沖刷下來的晶體多，有利于等軸晶的形成細化晶粒。另外，隨著磁場強度的增加，會對中心絮流層造成溫度波動，會降低晶粒的平均生長速度，同時使固液界面出現周期性的重熔現象。枝晶端部液體絮流造成的熱脈動的升高，會使枝晶臂熔斷，使液體中晶粒倍增，從而細化晶粒，推動柱狀晶向等軸晶轉變[10～15]。

1.3 旋轉磁場對金屬凝固過程中成分偏析的影響

在旋轉磁場條件下對Sn-Bi合金[16]的研究表明，旋轉磁場有顯著的細化晶粒和消除組織不均的現象。

通過實驗對比研究了常規條件下和旋轉磁場條件下Pb-50%Sn，Pb-58%Sn亞共晶合金和Pb-64%Sn，Pb-68%Sn過共晶合金凝固組織的形貌特征，發現旋轉磁場具有消除宏觀偏析、碎斷和細化枝晶、加快固液界面的溶質擴散速度以及在合金中產生團狀組織等作用。[17]

在旋轉磁場的作用下，合金熔體先歸于磁場做磁力線運動，熔體每一點都產生感生電動勢，感生電流，因而會受到一個電磁力，在熔體內產生兩種運動。一種以鑄件中心為軸，沿磁場旋轉方向在水平面做圓周運動，另一種沿著圓柱體半徑方向在豎直平面形成兩個流環[18]。旋轉磁場會引起熔體內產生的感生電流對合金具有加熱作用[19]，從而使冷卻速度都較常規條件下慢，延緩了冷卻速度。

所以，旋轉磁場會引起熔體內部劇烈運動，導致金屬熔體的強迫流動，使熔體內部溫度場和溶質場均勻化，加速熔體中溶質原子的擴散，克服了常規條件下組織分布不均的問題[16]；同時降低了擴散層的厚度，加快了凝固邊界層溶質富集區過多的傳輸和擴散。降低了成分偏析的概率。

2 外加旋轉磁場的應用前景

隨著現代工業和環境科學的發展，現代材料要求經濟學，功能性和環境協調性相統一。圍繞這一主題，世界各國都在大力發展材料的研究和制備技術。近20年來，物理場處理技術作為一種環保，經濟，具有很大發展潛力的技術備受關注。至今，世界各國研究人員分別用超聲波，電場，磁場以及上述場的混合場對不同金屬的凝固行為做了大量的研究，結果發現，在合金的凝固過程中施加交，直流電場或磁場，有著細化晶粒，改善組織的作用[20]，此外，該項技術的開發與應用還對新材料的開發利用以及節約稀土等稀缺資源都有著重大貢獻，因此受到了極大關注。然而，作為一個新技術，至今還未對其影響機理達到統一認識，是該技術沒能得到廣泛的應用。但這也從另一個方面也說明了旋轉磁場的的研發與應用有很大的拓展空間，有待大家的共同努力。

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