電磁攪拌對Cu-Ni-Fe-Al 合金晶粒尺寸的影響

李冬生，劉 英，張亞楠，柴登鵬，梁玉冬，劉 丹

（中鋁鄭州有色金屬研究院有限公司，河南鄭州 450041）

銅合金因其良好的耐蝕抗污性能，很早就開始在海洋工程中應用，隨著技術發展以及服役環境的更高要求，耐蝕銅合金不斷地更新換代，從早期的紫銅到耐蝕性更高的青銅、黃銅，以及應用最為廣泛的白銅，銅合金耐蝕性能不斷提高[1，2]。

銅合金中添加Ni 元素可以有效提高合金的腐蝕電位和鈍化能力，增強合金耐腐蝕性能。由于Ni 和Cu 可以形成無限固溶體，在常溫下Cu-Ni合金為α 單相固溶體。隨著含鎳量的增加，合金耐腐蝕性能逐漸增強。相關研究表明，Ni 對銅合金表面形成鈍化膜有一定的改善作用，在鈍化膜Cu2O點陣結構中，Ni2+進入Cu+空缺位置，Cu2O 膜的離子阻力增加，同時使正孔消失，電子阻力隨之變大，Cu+被Ni2+取代，導致正孔消失，電子阻力隨之變大[3，4]。在此基礎上通過添加第三種元素如鐵、鋁、錳、鋅等，將具有更好的耐海水腐蝕性能，同時抗沖刷腐蝕、抗氯離子和氨蝕能力很好，廣泛應用于海洋工程中冷凝管和管道用管的制造[5]。

電磁攪拌法是利用電磁感應力的作用將析出的樹枝晶破碎成顆粒狀，屬于非接觸式攪拌[6，7]。電磁攪拌有如下優點：（1）加強金屬液對流，促使樹枝晶破碎形成等軸晶，提高形核率，減少中心偏析、縮松等缺陷，改善合金凝固組織；（2）無需直接接觸金屬熔液就可以讓其不同程度地流動，避免了金屬液二次污染，保證了金屬液的純凈；（3）降低金屬熔體中心過熱度，降低合金液溫度梯度；（4）非接觸式攪拌避免卷入氣體，促進各種夾雜上升或下沉，凈化金屬液；（5）電磁攪拌促進金屬液流動，溶質擴散，成分均衡；（6）控制方便，操作簡單，只需設置攪拌電流、攪拌方向、攪拌頻率等參數可控制金屬液的流動方式，從而制得不同質量的半固態金屬[8-11]。

本文采用真空熔煉+熔模鑄造法，在Cu-Ni-Fe-Al 耐蝕合金的凝固過程中，對其施加電磁攪拌，并考察攪拌電流、攪拌頻率等相關參數對Cu-Ni-Fe-Al 耐蝕合金晶粒尺寸的影響，以期開發出適合耐蝕銅合金應用的真空電磁鑄造新工藝，為解決傳統熔鑄工藝Cu 合金存在的晶粒粗大問題提供新的技術途徑。

1 試驗設備與方法

1.1 試驗設備

本試驗選用的設備分別為沈陽真空研究所的VIF-200kg 真空熔煉爐（如圖1 所示），湖南科美達電器股份有限公司的5-60Hz 電磁攪拌器（如圖2 所示），合金鑄錠所采用的熔模如圖3 所示。

1.2 試驗方法

圖1 VIF-200kg 真空爐

圖2 電磁攪拌器

圖3 Cu-Ni-Fe-Al 合金熔煉用模殼

試驗材料為公司內自主研發Cu 基耐蝕合金，其主要成分及各元素質量分數分別為76%Cu，14%Ni，4%Fe，3%Al（質量分數）。使用真空中頻感應爐將爐料熔化、精煉后澆注到預熱過的精密模殼中，靜置30s 后進行電磁攪拌。控制熔煉溫度為1350℃，澆鑄溫度1250℃，真空度5×100～0.5×10-1Pa，模殼預熱溫度為850℃，電磁攪拌方向：正轉+反轉，電磁攪拌電流：200～300A，電磁攪拌頻率：5～30Hz。試樣的微觀組織采用金相顯微鏡進行觀察，晶粒組織采用 5gFeCl3+10mlHCl+100mlH2O 混合溶液腐蝕得到。

2 試驗結果及分析

2.1 普通鑄造與電磁鑄造的對比

試驗首先對比普通鑄造和電磁攪拌鑄造兩種鑄造方式對合金晶粒大小的影響。金相樣品選取了不同鑄件相同位置的標記樣品，樣品微觀組織如圖4 所示。圖4a、c 所示為普通鑄造試樣不同倍數下金相組織，從圖中可以看出，普通鑄造的Cu-Ni-Fe-Al 合金組織中枝晶非常發達，晶粒大小在1000μm 以上，形成了粗大的樹枝晶。圖4b、d 為電磁鑄造Cu-Ni-Fe-Al 合金不同放大倍數下微觀組織圖片，其中，電磁攪拌工藝參數為300A/15Hz。從圖中可以看出，采用電磁攪拌工藝后，鑄造合金中枝晶被打碎，明顯呈等軸晶，晶粒尺寸在200μm左右。試驗表明，采用電磁攪拌對晶粒有顯著的細化效果。這主要是由于電磁攪拌器的感應線圈在輸入三相交流電后會激發產生一個按一定相序向前移動的行進磁場，置于行進磁場內的液態金屬將產生感生電流，液態金屬作為載流導體，在外加磁場的作用下產生電磁力，在這個電磁力的驅動下，液態金屬沿著行進磁場的方向作直線運動，實現對金屬液的攪拌，有利于合金凝固過程中枝晶臂的破碎，減少柱狀晶的形成，擴大等軸晶區，從而實現細化晶粒，改善合金凝固組織[12-14]。

圖4 Cu-Ni-Fe-Al 合金微觀組織照片

2.2 電磁攪拌參數對晶粒大小的影響

電磁攪拌主要是通過調節電流和攪拌頻率來控制攪拌工藝，從而實現對合金微觀組織的調控，起到細化晶粒的作用。在電磁攪拌鑄造過程中，電磁場的物理效應會使導電金屬液的受力狀態和能量關系發生變化，從而影響熔體的平衡和運動。試驗開展了200A 和300A 電流下不同頻率的電磁鑄造試驗，頻率分別選取5Hz、10Hz、15Hz 與20Hz，攪拌時間均為5min，研究電磁攪拌的電流參數和攪拌頻率對晶粒大小的影響。

圖5 為電磁攪拌電流為200A 時，不同頻率下攪拌5min 后Cu-Ni-Fe-Al 合金微觀組織，圖6 為電磁攪拌電流為300A 時，不同頻率下攪拌5min后Cu-Ni-Fe-Al 合金微觀組織。

從圖5 中的200A 攪拌電流下不同攪拌頻率的微觀組織照片可以看出，當攪拌頻率從5Hz 增加到20Hz 時，鑄件的晶粒尺寸有所減小。從圖6中也可以看出，在300A 電磁攪拌電流下，當攪拌頻率從5Hz 增加到20Hz 時，鑄件晶粒尺寸減小更為明顯。這是因為隨著電磁攪拌頻率的增加，電磁場方向變化加快，金屬熔體受到的電磁力改變較快，熔體流向反復改變，有利于溶質的對流，減小偏析，同時枝晶臂更易折斷，形成更多的形核晶，從而細化晶粒尺寸。

結合圖5 和圖6 可以看出，當電磁攪拌頻率相同時，攪拌電流從200A 增加到300A 時，合金晶粒尺寸均有明顯細化，尤其是當電磁攪拌頻率為15Hz 和20Hz 時，攪拌電流的增加對合金鑄件晶粒細化的效果更明顯，從圖5 和圖6 的c、d 圖中可以看出，電流增加后晶粒變的更細小均勻，分布更密集，形狀全部趨于等軸狀。這是因為隨著電流的提高，電磁場強度增大，金屬熔體受到的電磁力增大，攪拌強度大，合金熔體流動性增強，微觀溫度起伏變大，枝晶折斷與重熔更多，細化晶粒效果更明顯。

圖5 攪拌電流200A 下不同頻率攪拌后Cu-Ni-Fe-Al 合金微觀組織

圖6 攪拌電流300A 下不同頻率攪拌后Cu-Ni-Fe-Al 合金微觀組織

2.3 電磁攪拌對鑄件不同位置晶粒一致性的影響

試驗對2.1 和2.2 部分電磁攪拌Cu-Ni-Fe-Al合金（電磁攪拌參數為300A/15Hz）不同位置進行取樣，觀察電磁攪拌對鑄件不同位置攪拌后凝固效果的影響，樣品取樣位置、樣品編號和對應的微觀組織如圖7 所示。從圖7 中可以看出，鑄件不同位置晶粒尺寸分布較為均勻，改變了通常順序凝固形成的三層結構，即外表面細晶層、中間柱狀晶層和內表面的等軸晶層的組成。

這主要是由于經過電磁攪拌后，Cu 合金的宏觀組織不再是明顯的三晶區，而是比較圓整、均勻的等軸晶，說明電磁攪拌可以促進柱狀晶向等軸晶轉變，關于轉變機理的研究主要認為合金熔體受到剪切力和擴散的雙重影響[13，16]。首先，熔融的金屬液態在電磁場中會產生洛倫茲力，洛倫茲力帶動熔體沿特定方向流動，從而使剛剛凝固的枝晶側臂受到較大的剪切力，細弱的根部容易斷裂，脫離主臂隨流動的熔體進入溶液，成為新的二次晶核，促進了新的晶粒形核；其次，強烈的對流使枝晶臂端溶質富集減弱，液相中溶質濃度的微觀起伏與對流引起的溫度起伏共同作用，導致枝晶二次臂的熔斷。也有研究者認為高溫下金屬枝晶容易在剪切應力下彎曲，在該處形成晶界，液體侵入晶界導致側壁斷裂從枝晶上脫落，形成非枝晶形態；電磁攪拌可使溫度梯度減小，促使晶核以等軸生長方式長大[17，18]。以上因素共同作用，促使合金在電磁攪拌作用下實現柱狀枝晶向等軸晶的轉變，鑄件晶粒尺寸得到細化。

3 結論

圖7 電磁攪拌Cu-Ni-Fe-Al 合金（300A/15Hz）鑄件不同位置微觀組織形貌

對Cu-Ni-Fe-Al 耐蝕合金凝固過程中施加電磁攪拌，能明顯改善合金凝固組織，細化合金晶粒；且在電磁攪拌的影響因素中，電流強度相比于攪拌頻率對晶粒的細化作用的效果更為明顯。同時，調整電磁攪拌工藝參數，能使鑄件得到成分均勻、晶粒一致的等軸晶結構，改變了通常順序凝固形成的三層結構。