冷卻速度對Al—Cu合金鑄錠宏觀組織的影響

白志國+楊勛剛+鄧鴻章

摘 要：文章以鋁銅合金作為實驗材料，開展了電磁模鑄的應用研究，研究了不同冷卻速度對于鑄錠質(zhì)量的影響規(guī)律。結(jié)果表明：冷卻速度過高或過低均不利于發(fā)揮磁場對于凝固組織的改善效果，冷卻速度0.47K/s條件下，獲得的鑄錠凝固質(zhì)量最佳。

關(guān)鍵詞：Al-Cu合金；冷卻速度；宏觀組織

中圖分類號：TG146 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）34-0073-02

1 概述

近幾十年來，人們發(fā)現(xiàn)在凝固的過程中綜合利用電磁場，能夠有效的控制凝固過程，達到改善晶粒組織，提高性能的目的。研究發(fā)現(xiàn)在金屬熔體凝固的過程中施加電磁場，在磁場的作用下，能夠促使熔體內(nèi)部的溶質(zhì)元素濃度分布和溫度場分布更為均勻，能夠加快過熱熔體的熱量耗散，有利于固液界面處溶質(zhì)元素的擴散，對于抑制枝晶組織的生長、細化晶粒組織、改善合金元素偏析和降低鑄錠內(nèi)部的縮孔縮松現(xiàn)象等都有顯著的效果[1-3]。目前關(guān)于金屬的電磁鑄造工藝主要集中于鋁、鐵等合金的連鑄過程中，電磁場在連鑄過程中的應用已經(jīng)得到了系統(tǒng)的研究，目前已經(jīng)發(fā)展成為了比較成熟的鑄造工藝[4-10]。而電磁場在模鑄條件下的應用的相關(guān)研究相對較少，尤其是對于模鑄條件下，電磁場對于鑄錠宏觀組織均勻性與鑄錠質(zhì)量等影響的研究較少，目前模鑄條件下的電磁鑄造工藝還不是很成熟，尚有待系統(tǒng)的研究和探索。在電磁模鑄過程中，冷卻速度會直接影響合金熔體中的溫度場分布和磁場的作用時間，同時對鑄錠的表面質(zhì)量有嚴重的影響。不同的冷卻速度會影響磁場的作用效果，因此探討冷卻條件對于電磁模鑄工藝的影響是很有必要的。為了在模鑄條件下獲得良好的鑄錠質(zhì)量，本實驗采用近似定向凝固的冷卻方式，主要考察了不同的冷卻速度下，行波磁場對于合金鑄錠的影響。

2 實驗方法

實驗采用的是行波磁場，磁場的電流為160A、頻率為20Hz。行波磁場會在合金熔體中產(chǎn)生軸向方向的環(huán)流，磁場的發(fā)生裝置和原理如圖1所示。本文探討的是冷卻速度對于電磁鑄造過程中鑄錠的影響，分別研究了空冷條件下（0.28K/s）、水冷條件下（0.47K/s）以及快速冷卻條件下（0.78K/s）磁場對于鑄錠質(zhì)量的影響。

3 結(jié)果與討論

不同冷卻速度下鋁銅合金鑄錠宏觀組織如圖2所示。其中圖2（a）是水冷條件下不施加任何磁場時的鑄錠宏觀組織圖。圖2（b）是不通水空冷條件下，施加磁場電流160A、頻率20Hz的行波磁場后得到的鑄錠宏觀組織圖。圖2（c）是水冷條件下，施加磁場電流160A、頻率20Hz的行波磁場處理過后得到的鑄錠宏觀組織圖。圖2（d）是快速冷卻條件下，施加磁場電流160A、頻率20Hz的行波磁場處理后的鑄錠宏觀組織圖，合金溶液的初始溫度均為700℃。

從圖2（a）中可以看出，枝晶的有兩個生長方向，沿著鑄錠軸向方向由底部向頂部生長和沿著鑄錠邊部向心部生長，這是由模鑄條件下鑄錠特有的近似定向凝固的冷卻方式?jīng)Q定的。靠近試樣的頂部和邊部的枝晶組織明顯要比底部的枝晶組織粗大，而處于試樣上部的中心位置存在一個明顯的集中縮孔缺陷，且靠近縮孔處的晶粒組織為相對細小均勻的等軸晶組織，這是由于凝固末期溶質(zhì)元素的富集和散熱速度的加快導致的。而從圖2（b）和（c）可以看出，施加行波磁場后，鑄錠的宏觀組織發(fā)生了顯著地變化，由未加磁場的粗大柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻牡容S晶組織，這說明行波磁場能夠促使宏觀晶粒組織由柱狀晶組織向等軸晶組織的轉(zhuǎn)變。對比圖2（b）和（c）可以看出，水冷條件下得到的鑄錠宏觀組織要明顯比空冷條件下的細小均勻。而從圖2（d）中我們可以看出，當冷卻速度為0.78K/s時，鑄錠底部獲得了細小均勻的組織，而鑄錠的中部和上部仍然為發(fā)達的枝晶組織，對比圖2（c）和（d）我們發(fā)現(xiàn)，快速冷卻條件下磁場的細化宏觀晶粒組織的效果要遠差于水冷條件下磁場的效果。因此結(jié)合圖2（b）、（c）和（d），我們發(fā)現(xiàn)，冷卻速度的快慢對于磁場細化均勻宏觀組織有顯著地影響，其規(guī)律表現(xiàn)為，在一定的磁場條件下，冷卻速度存在一個合適值，太慢的冷卻速度下，磁場雖然能夠有效促使柱狀晶組織向等軸晶組織的轉(zhuǎn)變，得到均勻的等軸晶組織，但是磁場細化晶粒組織的作用被嚴重削弱，最終獲得的是粗大均勻的等軸晶組織；而太快的冷卻速度下，磁場促使枝晶組織向等軸晶組織轉(zhuǎn)變的效果則被嚴重削弱，得到的則是相對細小的枝晶組織。試驗中，行波磁場水冷條件（0.47K/s）得到的鑄錠宏觀組織最好。仔細觀察我們還發(fā)現(xiàn)，在行波磁場水冷條件下，鑄錠的宏觀組織并不完全是細小均勻的等軸晶組織，在鑄錠的邊部和底部仍然存在細小的枝晶組織，這主要是由近似定向凝固條件下模鑄特有的冷卻邊界條件決定的。

4 結(jié)束語

本文探討了冷卻速度的變化對于鑄錠凝固組織的影響規(guī)律，對實驗結(jié)果進行了分析討論，得到了以下結(jié)論：冷卻速度會影響磁場對于凝固組織的改善效果，冷速過慢或過快均不利于磁場對于凝固組織的改善，只有在合適的冷卻速度下，磁場才能有效的細化晶粒均勻組織，0.47K/s的冷卻條件下獲得的鑄錠凝固組織最佳。

參考文獻：

[1]Sven Eckert， Petr A. Nikrityuk， Bernd Willers， Dirk R？biger， Natalia Shevchenko， Hieram Neumann-Heyme， Vadim Travnikov， Stefan Odenbach， Axel Voigt， Kerstin Eckert. Electromagnetic melt flow control during solidification of metallic alloys[J]. Eur. Phys. J. Special Topics， 2013， 220： 123-137.

[2]P.A. Nikrityuk， K. Eckert and G. Grundmann. Contactless Mixing of Liquid Metals[J]. Metall. Mater. Trans. B，2010，41（B）：94-111.

[3]A. Noeppel， A. Ciobanas， Wang X D， K. Zaidat， N. Mangellnck， O. Budenkova， A. Weiss， G. Zimmermann， Y. Fautrelle. Influence of Forced/Natural Convection on Segregation During the Directional Solidification of Al-Based Binary Alloys[J]. Metallurgical and Materials Transactions B， 2010， 41（B）： 193-208.

[4]毛斌，張桂芳，李愛武.連續(xù)鑄鋼用電磁攪拌的理論和技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2012.

[5]張興國.電磁鑄造技術(shù)的研究[D].大連：大連理工大學，2001.

[6]張北江.低頻電磁場作用下鋁合金半連續(xù)鑄造工藝與理論研究[D].沈陽：東北大學，2002.

[7]班春燕.電磁場作用下鋁合金凝固理論基礎研究[D].沈陽：東北大學，2002.

[8]賈非.電磁連續(xù)鑄造過程工藝優(yōu)化及組織性能研究[D].大連：大連理工大學，2002.

[9]王曉東.電磁力對金屬熔體驅(qū)動及運動形態(tài)控制的研究[D].大連：大連理工大學，2002.

[10]張勤.低頻電磁半連續(xù)鑄造鋁合金工藝及理論研究[D].沈陽：東北大學，2003.endprint