行波磁場強度對于鋁銅合金鑄錠組織的影響

楊勛剛 張川豫

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，研究了不同行波磁場強度對于鑄錠質量的影響規律。結果表明：磁場的電流強度越高，對于鑄錠組織的改善效果越顯著。

關鍵詞：鋁銅合金；行波磁場；磁場強度

中圖分類號：TG146.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）20-0096-02

Abstract： In this paper， using aluminum-copper alloy as experimental material， the application of electromagnetic die casting was studied， and the effect of different traveling wave magnetic field intensity on the quality of ingot was studied. The results show that the higher the current intensity of the magnetic field is， the more significant the improvement effect on the microstructure of the ingot is.

Keywords： aluminum-copper alloy； traveling wave magnetic field； magnetic field strength

1 概述

近年來的研究發現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。N. Ramachandra[1]研究了金屬熔體中流場行波磁場作用下的變化規律，發現行波磁場可以在熔體中產生軸向的宏觀對流，這種流場能夠改變熔體中濃度場和溫度場的分布，并對凝固過程中晶粒生長界面的形狀有直接的影響。V. Metan[2]研究了行波磁場對Al-Si合金凝固過程中晶粒尺寸的細化效果，磁場的強度越大所獲得的細小等軸晶區域的面積越大，且晶粒的平均尺寸也越小。 等[3]在Al-Ni合金定向凝固的過程中施加行波磁場，研究發現行波磁場會在合金熔體中產生強制的環流，環流的方向對于晶粒的生長和合金元素的偏析均有顯著的影響，通過控制磁場的大小和方向能夠控制晶粒的尺寸形態。蘇彥慶等[4]研究了行波磁場下熔體中電磁力的變化規律，研究發現，在行波磁場作用下熔體中電磁力的增長與熔體中合金溶液的長度的增長成線性關系。為了在模鑄條件下獲得良好的鑄錠質量，本實驗采用近似定向凝固的冷卻方式，主要考察了不同的行波磁場電流強度對于合金鑄錠的影響。

2 實驗方法

實驗采用的是行波磁場，實驗中，行波磁場的頻率保持不變，為20Hz，合金溶液的初始溫度為700℃，冷卻水位高度為10mm、水流量為20L/min。實驗中分別考察了磁場電流為60A、100A和160A時，行波磁場對于細化鑄錠宏觀和微觀組織的影響。

3 結果與討論

不同磁場強度下鋁銅合金鑄錠宏觀組織如圖1所示。其中圖1（a）（b）（c）則分別為施加磁場電流為60A、100A和160A的行波磁場處理后的鑄錠宏觀組織圖。

由圖1可知，當施加的行波磁場電流強度為60A時，我們發現鑄錠中部區域的組織基本一致，為近似等軸狀的組織，底部和邊部的枝晶生長有一定的方向性，這和不加磁場時的晶粒生長方式有一定的類似。鑄錠的上部為粗大發達的枝晶組織，且鑄錠的上部同樣出現了嚴重的集中縮孔現象，說明電流強度為60A的行波磁場對于鑄錠凝固過程的控制和改善效果有限。當施加的行波磁場的電流強度為100A時，鑄錠的宏觀組織與未加磁場時的宏觀組織有顯著的區別，除卻邊部和底部能夠觀察到少量的枝晶組織外，晶粒組織主要為不規則粗大的等軸晶組織，晶粒的生長沒有明顯的方向性，這說明100A的行波磁場能夠有效的控制鑄錠的凝固過程，促使柱狀晶向等軸晶的轉變，但是對于晶粒尺寸的細化效果有限。當施加的行波磁場的電流強度為160A時，整個鑄錠截面上的組織呈現為細小均勻的等軸晶組織，說明160A的行波磁場能夠有效的控制和改善鑄錠的凝固過程，不僅能夠有效地促使柱狀晶向等軸晶的轉變，同時還能有效的細化晶粒組織。

根據上述宏觀組織的分析結果，我們又對比了磁場電流強度為60A和160A的鑄錠微觀組織變化情況。不同磁場強度下鋁銅合金鑄錠微觀組織和晶粒尺寸分布狀況如圖2所示。

當行波磁場的電流為60A時，鑄錠不同區域的微觀組織并沒有太顯著的區別，鑄錠的微觀晶粒組織為不規則的棒狀和枝狀組織，晶粒普遍比較粗大，尺寸分布也不均勻，晶粒尺寸主要介于200-800μm之間，平均尺寸為515.50μm。當行波磁場的電流為100A時，鑄錠不同區域的微觀組織沒有太顯著的區別，微觀晶粒組織的形貌不是很統一，主要由不規則的多邊形組織組成，同時也存在少量的粗大枝晶組織，晶粒尺寸主要介于200-600μm之間，平均尺寸為433.64μm。當行波磁場的電流為160A時，鑄錠的微觀組織發生明顯的變化，主要為不規則球形組織和少量的細枝晶組成，不同區域的晶粒組織形貌基本一致，晶粒的尺寸比較細小，分布也比較均勻，晶粒尺寸主要介于150-400μm之間，平均晶粒尺寸為251.67μm。因此，隨著行波磁場強度的增加，鑄錠的微觀組織變得更加細小均勻，磁場強度越高，細化效果越好。

4 結束語

本文探討了行波磁場強度對于鑄錠凝固組織的影響規律，對實驗結果進行了分析討論，得到了以下結論：隨著行波磁場強度的增加，鑄錠的組織更加均勻，改善效果越顯著。

參考文獻：

[1]N. Ramachandran， K. Mazuruk， M. P.Vo1z. Use of Traveling magnetic fields to control melt convection [C]. Part of the SPIE Conference on Materials Research in Low Gravity II. 2009.

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