脈沖電場對純鐵熔體凝固過程影響的研究①

陳懷昊， 陳鵬飛， 李桂榮， 劉 明

(1.沙洲職業工學院， 江蘇 張家港 215600； 2.江蘇永鋼集團有限公司， 江蘇 張家港 215600；3.江蘇大學， 江蘇 鎮江 212013)

引 言

近年來，國、內外出現了一種將脈沖電場用于金屬液的凝固過程，以獲得細化的凝固組織，改善金屬的各項力學性能的方法；該方法因處理方法簡單、無污染、細化效果明顯，已經成為金屬凝固控制技術的重要發展方向。錢章秀等[1]研究了脈沖電場的施加方式對Al-Si合金凝固組織的影響，并只對凝固組織中的Si相進行了分析。王海川等[2]研究了脈沖電場作用下夾雜物尺寸的變化。李航等[3]通過脈沖電場研究了伍德合金的凝固組織中Cd相尺寸變化。王建軍等[4]發現脈沖電流能有效改善鋼的凝固組織，提高等軸晶率，減小二次枝晶間距。脈沖電場作為一種新的材料處理技術，備受冶金工作者關注。本文在已有的外場對金屬凝固組織改變的理論和實驗研究的基礎上，開展脈沖電場作用下對純鐵中夾雜物分布以及凝固組織晶粒度影響的研究，為外場對夾雜物的分布理論和金屬凝固組織細化的研究提供一定的實驗證明。

1 實驗裝置和方案

1.1 實驗裝置

脈沖電場處理純鐵熔體實驗裝置如圖1所示，可對純鐵熔體凝固過程中施加不同電壓的脈沖電場。

圖1 脈沖電場處理熔體裝置示意圖

1.2 實驗方案

本實驗脈沖電場電壓分別為0，4，8 V，脈沖處理時間均為60 s。實驗將裝有一定重量純鐵的剛玉坩堝放入高溫陶瓷纖維馬弗爐內，待純鐵升溫熔化，并進行撈渣處理；升溫至1540 ℃后，保溫60 min，為保證爐內還原性氣氛，全程通入Ar保護氣體。根據實驗方案，對純鐵熔體進行脈沖處理，待試樣處理完畢冷卻后將其取出，脈沖電壓值由小到大，對應的試樣編號分別為1、2、3。

對試樣用砂紙進行打磨、拋光后，利用光學電子顯微鏡觀察不同脈沖電場作用下純鐵中的夾雜物及其凝固組織，并用Image J軟件對凝固組織中夾雜物尺寸和晶粒的晶粒度進行分析。

2 結果與討論

2.1 脈沖電場對夾雜物尺寸的影響

圖2，3，4分別是試樣1，2，3經處理后，在光學電子顯微鏡下放大同一倍數后的凝固組織形貌以及經ImageJ軟件處理后的金相圖。

圖2 經0 V電場處理的試樣1

圖3 經4 V電場處理的試樣2

圖4 經8 V電場處理的試樣3

由圖2可以看出，未經電場處理過的純鐵試樣，夾雜物的顆粒較大，分布不均勻。由圖3和圖4可以看出經電場處理的試樣，夾雜物顆粒相對較少，顆粒細小，說明在電場的作用下，夾雜物在純鐵試樣的凝固過程中顆粒粒徑變小，且分布均勻。

繼續對圖2(b), 3(b), 4(b)用ImageJ軟件進行處理，可以得出夾雜物個數與像素值之間的關系，如圖5所示；隨著像素值的增大，夾雜物的個數呈逐漸減少趨勢。在沒有經過電場處理的試樣1中存在像素值超過200 Pixel的夾雜物顆粒，而經過4，8 V電場處理的試樣2，3中夾雜物顆粒的像素值最高分別在110，90 Pixel左右。根據夏軍武[5]給出的粒徑越大的顆粒所包含的像素值越高的觀點，電場處理后的純鐵熔體中夾雜物顆粒粒徑明顯小于未處理的，并且隨著電場強度的增加，夾雜物顆粒粒徑和個數均不斷減少。

圖5 夾雜物個數與像素值的關系

為了清晰地說明實驗得出的結論，使用ImageJ軟件對圖2(b)，3(b)，4(b)中的夾雜物顆粒進行測量，得出電場電壓所對應的顆粒粒徑平均尺寸，如表1所示。

表1 電場電壓值與夾雜物顆粒平均尺寸對照

由表1可知，施加4 V電場比不加電場夾雜物平均粒度減小了33%，施加8 V電場比不加電場夾雜物平均粒度減小了59.7%，且施加8 V電場比施加4 V電場夾雜物平均粒度減小了39.8%，說明電場的引入使得夾雜物得到了細化，且電場越大顆粒得到的細化效果越顯著。

2.2 脈沖電場對晶粒度的影響

脈沖電場作用于純鐵的凝固過程能使純鐵中晶粒得到細化，這對改善材料的綜合性能有很大的影響。圖6, 7, 8分別是試樣1,2, 3經處理后在光學電子顯微鏡放大同一倍數后的晶粒組織圖。

圖6 未經電場處理的試樣1晶粒組織圖

圖7 經4 V電場處理試樣2的晶粒組織圖

圖8 經8 V電場處理試樣3的晶粒組織圖

對比圖6, 7, 8可以看出，未經脈沖電場處理的試樣晶粒粗大，而經脈沖電場處理試樣的晶粒細小。經處理后的微觀組織晶界較多，表明晶粒被分割得很小。其原因是在電磁力的攪動下，成長中的枝晶被破碎，晶核數目增加，使晶粒細化；尤其是在脈沖電壓為8 V時，出現了大量的細小晶粒。

為了證實脈沖電場對晶粒的細化作用，利用ImageJ軟件對試樣1, 2, 3進行定量分析。分別選取其中具有代表性的20個晶粒，根據測量出的晶粒總面積計算出平均晶粒面積，得出電場電壓值所對應的平均晶粒面積，如表2所示。

表2 不同電場電壓對應純鐵凝固組織晶粒面積統計表

從表2可以看出施加4 V電場比不加電場晶粒度減小了58.6%，施加8 V電場比不加電場晶粒度減小了64.9%；而施加8 V電場比施加4 V電場晶粒度減小了15.2%。當金屬熔體中有脈沖電流通過時，會在沿垂直于電流的方向產生脈沖壓力，金屬熔體在脈沖壓力作用下被反復壓縮而發生振蕩[6]，促進了熔體的流動，破碎了枝晶，使凝固質點增多，促進了形核條件，且電場電壓越大顆粒得到的細化效果越顯著。但從平均晶粒面積的變化中看出，隨著電場強度的提高，晶粒細化的面積減少量在減小，這是由于電場強度越大，熔體中原子移動速度越快，給晶核的長大提供了有利的條件。

3 結束語

本研究對不同脈沖電場對金屬熔體凝固組織夾雜物及晶粒度的細化效果做了分析和比較，并利用ImageJ軟件對凝固組織進行了夾雜物顆粒和晶粒度的分析，為優化電場對凝固組織的影響提供了相關的技術參數。主要結論如下：

1) 對于純鐵試樣中的夾雜物顆粒，在凝固過程中施加4 V電場比不加電場夾雜物平均粒度減小了33%，施加8 V電場比不加電場夾雜物平均粒度減小了59.7%，且施加8 V電場比施加4 V電場夾雜物平均粒度減小了39.8%；電場強度越大，夾雜物細化效果越明顯，分布越均勻。

2)對純鐵熔體凝固過程施加4 V脈沖電場比不加電場晶粒度減小了58.6%，施加8 V電場比不加電場晶粒度減小了64.9%，而施加8 V電場比施加4 V電場晶粒度減小了15.2%；晶粒細化的效果隨著電場強度的增加已不再明顯。