電流在電磁攪拌制備SiC/C19400復合材料中的影響

廖鈺敏，李 紅，馮曉杰，胡 蓉

（廣東松山職業技術學院，廣東 韶關 512126）

隨著我國高速鐵路等交通事業的發展，導電用銅合金不但需要良好的導電導熱性能，對其強度、耐磨性能等綜合性能更是提出了更高要求。其中強化方法有細晶強化、復合強化等，在合金中引入彌散的硬質顆粒，增加合金力學性能的同時還能起到細化晶粒的作用，在前期研究中已經對SIC-C19400合金的制備進行了研究探索，發現SIC能起到很好的細化晶粒的效果，并且對其強度有一定的增強作用[1,2]。但是傳統的顆粒增強復合材料制備方法在成分控制技術上有一定困難，較少研究者對電磁攪拌技術制備顆粒增強復合材料進行研究[3,4]。電磁攪拌進行合金制備有許多傳統方法不具備的優點[5]，例如無接觸、參數化，能夠實現較好的攪拌效果等特點，該技術因其獨特優點而開始廣泛應用于鋼鐵制造行業。本文以電磁攪拌制備為技術手段，SIC/C19400復合材料為研究對象，采用數值模擬的手段，就攪拌過程進行數值模擬研究，探究電流在電磁攪拌過程中[6,7]，對復合材料的性能的影響，以期獲得高質量的SIC-C19400復合材料，支持我國高強高導材料的研究。

1 數值模擬

模擬采用ANSYS軟件，進行建模及模型計算。其三維圖形如圖（a）所示，因熔體完全置于磁場內，不同橫截面受電磁影響幾乎相同，為便于計算，將模型簡化成二維結構進行數值模擬，二維模型如圖二2（a）所示。在有限元軟件中對模型進行模擬計算前，需對模型進行網格劃分，網格結構的精細程度會對計算產生較大影響，單元網格大，計算簡便，但是模擬容易發生較大偏差，與真實結果相差大；網格精細，模擬計算仿真度更高，但是過于細小的單元則會大大增加單元數量，從而使計算速度減慢。綜合考慮仿真程度及技術速度后對二維模型進行計算前的單元網格劃分，如圖2（b）所示。

圖1 攪拌器模型及實物圖

圖2 二維模型及網格劃分

為了簡化模擬過程，對模型進行了幾個假設[8]：①視熔融金屬為不可壓縮的牛頓流體；②磁雷諾數Rem遠小于1，流體的動態變化不影響磁場分布；③不考慮位移電流，?D/?t 。

模擬電磁攪拌的條件如下。攪拌器內徑為100mm的圓柱形空間，高度足夠，熔體鑄坯直徑為60mm,高度為60mm。并設置參數，模擬條件為330V工頻交流電，攪拌時間為15s.頻率為15hz，實驗模擬了熔體在加載不同電流強度（30A、40A、50A、60A）下進行電磁攪拌的情況，觀察攪拌過程中，內部磁場強度及洛倫茲力的分布情況。

2 模擬結果

圖3為加載不同電流強度（30A、40A、50A、60A）時，磁感應強度分布情況，可以根據磁力線分布及顏色來觀察磁場強度的大小。由于線圈通入的是交變電流，每個位置的電流方向和強弱都會隨著時間不斷地進行周期性的變化，在進行數值模擬的動態變化過程中，可以觀察到磁感應線圍繞著模型的磁場圓心做固定角速度的旋轉，從磁力線強度來觀察，電流越高，磁感應強度越大。如圖3所示。

圖3 磁感應強度分布圖

為了更為精確了解磁場強度及其分布情況，實驗沿著熔體橫截面直徑方向對磁場強度進行了數值統計，其結果如圖4所示。從圖4中可以看出，無論電流大小，磁場強度都具有沿直徑方向，中心處的磁場強度為接近0值，隨著直徑增大方向線性增大的趨勢在頻率（15Hz）不變的前提下，電流強度越大，磁場強度越大，在最外緣處（距離熔體中心30mm處）達到最大值。就模擬的數值來看，電流為30A時，熔體最外緣磁場強度為70.2mT；電流為40A時，熔體最外緣磁場強度為93.4mT，電流為50A時，熔體最外緣磁場強度為116.5mT，當電流增加到60A時，磁場強度增加到139.5mT,比30A時增加了99%。從而可以看出，增加電流強度對磁場強度的增加非常有效。

圖4 為不同電流下磁場強度隨直徑分布圖

圖5為加載不同電流值時熔體內部洛倫茲力矢量分布圖。洛倫茲力的產生，必須具備幾個前提，第一是有磁場，其次是運動電荷，由于僅熔體區域存在相對于磁運動的感應電流，所以洛倫茲力僅出現在熔體所在范圍內，而不是像磁力線分布在整個內部空間中。根據安培定律和洛倫茲力可以表示為：

式中B為磁感應強度;μ為金屬液的磁導率;Je為感應電流;F為電磁體積力。從式（2）中可以看出，洛倫茲力的大小與感應電流、磁感應強度B均成正比，此外從式(1)也能看出，感應電流與磁感應強度成正比，磁感應強度越大，電流也會增加，所以B對洛倫茲力的增加起到了有效的作用。

將式(1)代入式(2)可式（3）

式（3）變形后，可以得到式子（4）

f1為回旋驅動力，在電磁攪拌的過程中，能夠實現攪拌熔體的作用，f2為垂直于金屬表面的法相力，垂直指向軸心，從圖5中可以看到，洛倫茲力的方向分布是不規則的，有垂直熔體軸線的，有指向軸線的，也有與軸線成角度的，從而實現多方向運動，實現紊流。在研究對象SiC/C19400復合材料中，SiC增強顆粒在金屬基體中的分布影響著整個材料的最終性能，這樣的運動狀態，對SiC的成分控制和均勻化都能起到很好的促進作用，進一步使材料溫度場和溶質場均勻化，更有利于等軸晶的形成。同時，對這些力做分解，均可分解為切向力及徑向力，切向力主演作用在于使得熔體英運動，徑向力可以減小熔體鑄坯對容器內壁的壓力，從而減小了熔體鑄坯與模具之間的摩擦力，有利于提高鑄錠表面質量，有效的運動在組織細化和熔體均勻化上均具有重要作用[9,10]。

圖5 洛倫茲力分布圖

3 結論

①通過ANSYS模擬發現，磁場強度隨電流強度增加而升高，在模型橫截面內，磁場強度從中心向直徑增大方向增加，當電流為60A，熔體鑄坯直徑30mm處磁感應強度達到139.5mT，比30A時提高了98%。②同時根據模擬動態過程可以觀察到洛倫茲力的分布情況，同樣是從中心向熔體直徑增大方向增加，并且在最外緣處達到最大值，且洛倫茲力方向規律性分布，各個方向的洛倫茲力可以增加熔體的攪拌效果，優化組織性能。③本研究僅進行了理論模擬研究，為實驗提供了理論支撐，能夠簡化實驗，提高實驗的效率。后續階段的研究中，將采用實驗手段對理論結果進行驗證，以期獲得性能良好的復合材料性能。