電磁場(chǎng)對(duì)鑄件宏觀凝固組織的控制

1、 電磁場(chǎng)電磁場(chǎng)對(duì)鑄件宏觀凝固組織的控制對(duì)鑄件宏觀凝固組織的控制小組成員： 朱澤郎 張金垚 黃志鵬 劉彥寧 隨著電磁技術(shù)的發(fā)展，電磁場(chǎng)在控制金屬凝固、隨著電磁技術(shù)的發(fā)展，電磁場(chǎng)在控制金屬凝固、改善合金組織及性能等方面將越來(lái)越重要，電改善合金組織及性能等方面將越來(lái)越重要，電磁場(chǎng)在材料加工方面的應(yīng)用也越來(lái)越廣，到目磁場(chǎng)在材料加工方面的應(yīng)用也越來(lái)越廣，到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了很多種電磁加工方法。前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了很多種電磁加工方法。電磁攪拌改善鑄坯內(nèi)部質(zhì)量采用Q235鋼種，以模擬連鑄小方坯的凝固過(guò)程為目標(biāo)，進(jìn)行了鑄坯的靜態(tài)澆鑄實(shí)驗(yàn)。通過(guò)選取適當(dāng)?shù)碾姶艛嚢鑵?shù)和澆鑄參數(shù)，對(duì)電磁攪拌改善鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量、促進(jìn)

2、晶粒細(xì)化和成分均勻化問(wèn)題進(jìn)行了研究。 靜態(tài)澆鑄實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不采用電磁攪拌時(shí)等軸晶率只有38；而在采用合理的攪拌參數(shù)和澆鑄參數(shù)的情況下，獲得了幾乎為100等軸晶的鑄坯。 鑄坯的硫印檢驗(yàn)結(jié)果表明，電磁攪拌使硫化物分布變得分散，有利于整個(gè)鑄坯截面上硫化物分布均勻，特別是在角部附近，硫化物的分布變得更加均勻。電磁超聲波對(duì)金屬組織細(xì)化的作用 利用強(qiáng)磁場(chǎng)和高頻電流的局部作用所產(chǎn)生的電磁超聲，考察這種超聲波對(duì)細(xì)化金屬合金凝固組織的效果。 實(shí)驗(yàn)裝置如圖13所示，將SnPb合金倒入水平斷面為25 mm40 mm的矩形玻璃容器中，然后對(duì)其施加了垂直方向的靜磁場(chǎng)BDc。同時(shí)在容器的短邊附近插入一對(duì)銅制電極，并通入

3、了頻率為2kHz的交流電流。在金屬的長(zhǎng)邊壁的中心位置安裝了熱電偶，記錄了合金凝固的溫度履歷。 靜磁場(chǎng)和高頻電流分別是0 T，0 A、0 T，90 A、10 T，0 A、10 T，90 A的條件下所得到的凝固過(guò)程冷卻曲線如圖14所示。可以看出，由于交流電流的焦耳熱沒(méi)有對(duì)冷卻曲線造成太大影響，施加了10 T強(qiáng)磁場(chǎng)的合金的冷卻速度比沒(méi)有施加強(qiáng)磁場(chǎng)的要大些。 由各實(shí)驗(yàn)條件下得到的宏觀凝固組織照片可看出：0 T，0 A和10 T，0 A的條件下都得到了粗大的晶粒組織；0 T，90 A的條件下，電極附近的晶粒比前兩種都得到了細(xì)化，這可能是由于高頻電流和其自身所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的作用下生成的電磁力的效果而引起的；

4、10 T，90 A的條件下的合金的凝固組織得到了顯著細(xì)化。電場(chǎng)對(duì)奧氏體化40MnMoV性能的影響 采用電場(chǎng)熱處理爐處理試樣，電場(chǎng)強(qiáng)度設(shè)定為2 kVcm，不銹鋼電極板接高壓直流電源負(fù)極，試樣接電源正極，負(fù)極與正極相距10 mm，電壓為2 kV。所有試樣均以5min的速度加熱至860，保溫15 min。熱處理過(guò)程中始終通以氮?dú)獗Ｗo(hù)。熱處理制度為200、120 min的低溫回火。 顯微硬度測(cè)試表明，電場(chǎng)奧氏體化，使淬火試樣的顯微硬度沿橫截面呈一定的梯度分布，即表面硬度較高，心部硬度較低，但相差不大(40 kgmm2)，且其各點(diǎn)的顯微硬度值均高于常規(guī)處理試樣的顯微硬度值。沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明，常規(guī)淬火試樣

5、的沖擊功為122 J，沖擊韌性為63 Jcm2；電場(chǎng)淬火試樣的沖擊功為151 J，沖擊韌性為755 Jcm2。對(duì)比可見(jiàn)，電場(chǎng)淬火試樣的沖擊性能比常規(guī)淬火試樣的沖擊性能提高了近20。拉伸試驗(yàn)表明，電場(chǎng)淬火試樣低溫回火后的拉伸性能指標(biāo)均高于常規(guī)工藝處理試樣，其中屈服強(qiáng)度提高167，抗拉強(qiáng)度提高15，伸長(zhǎng)率提高13，斷面收縮率提高147。雙磁力驅(qū)動(dòng)器對(duì)液態(tài)金屬流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)與控制1.雙磁力驅(qū)動(dòng)攪拌對(duì)初期凝固殼的影響 連鑄過(guò)程中，金屬液初期凝固點(diǎn)的位置直接影響到初期凝固坯殼的厚度、表面質(zhì)量和鑄坯能否成型。 本研究通過(guò)在澆鑄過(guò)程中向Sn+3.5%Pb 合金中添加少量Sn+43%Pb合金的方法，借助于兩種合金

6、在凝固組織上的差異，觀察施加永磁磁場(chǎng)對(duì)鑄坯凝固坯殼的影響。 圖示出了不同實(shí)驗(yàn)條件下凝固坯殼的形狀，分別表示未施加電磁場(chǎng)時(shí)（圖5a），僅開(kāi)啟下磁力驅(qū)動(dòng)器，轉(zhuǎn)速為35r/s（圖5b）以及施加雙磁力驅(qū)動(dòng)的凝固殼形狀，上驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)速為20r/s，下驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)速為35r/s（圖5b）凝固坯殼形狀。2. 雙磁力驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的磁力對(duì)凝固組織的影響 由圖6a可見(jiàn)未施加磁場(chǎng)時(shí)，鑄坯凝固組織基本由較粗大的柱狀晶組成。 在連鑄過(guò)程中，施加轉(zhuǎn)速為20r/s下磁力驅(qū)動(dòng)器時(shí)等軸晶組織大幅減少，且柱狀晶組織分布在鑄坯中的外部，如圖6b所示。 當(dāng)下驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)速增加到35r/s時(shí)，即增大驅(qū)動(dòng)的磁力，可得到大部分的等軸晶組織，如圖6c所

7、示。 當(dāng)向金屬液施加雙磁力驅(qū)動(dòng)時(shí)，上磁力驅(qū)動(dòng)為20r/s，下磁力驅(qū)動(dòng)為35r/s，得到凝固組織為100%的細(xì)等軸晶組織，如圖6d所示。電磁振蕩下梯度磁場(chǎng)對(duì)純A1凝固組織的影響圖3a為不加電流和磁場(chǎng)的凝固組織，晶粒都為粗大的等軸晶圖3b一h為強(qiáng)磁場(chǎng)復(fù)合電流產(chǎn)生振蕩下凝固的組織，與圖3a相比，復(fù)合場(chǎng)作用下的晶粒細(xì)化，但在不同條件下細(xì)化程度和分布各不同圖3b，c分別為(05 T，10 A)和(05T，15 A)電流下的凝固組織，細(xì)化區(qū)域主要分布在試樣的底端，并且在同一磁場(chǎng)下，隨著電流強(qiáng)度的增大，細(xì)化的區(qū)域和程度都增大圖3d為(1 T，10A)復(fù)合條件下的凝固組織可以看出細(xì)化區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大到試樣的整個(gè)

8、縱截面，但在12高度處的邊緣部分沒(méi)有細(xì)化當(dāng)磁場(chǎng)進(jìn)一步增大到(15 T，10 A)條件時(shí)(圖3e)，試樣的全部區(qū)域都均勻細(xì)化進(jìn)一步增大磁場(chǎng)到(6 T，10 A)和(10T，10 A)時(shí)，如圖39，h所示，細(xì)化區(qū)域主要分布在試樣縱截面的上部，且磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，細(xì)化區(qū)域分布越靠近上端 2.磁化力與重力同向 為了進(jìn)一步證明磁化力和重力反向時(shí)磁化力對(duì)“結(jié)晶雨”的抑制行為，在lO T磁場(chǎng)下，進(jìn)行了磁化力和重力同向和反向的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如下圖所示對(duì)比圖4和圖5可以看出，在相同的振蕩強(qiáng)度下，所得的凝固組織截然不同磁化力與重力反向時(shí)，細(xì)化區(qū)域分布在試樣的頂端(圖4)；磁化力與重力同向時(shí)，細(xì)化區(qū)域分布在試樣的底端(圖5

9、)且電極附近不細(xì)化在同一磁場(chǎng)下，振蕩強(qiáng)度越大，晶粒的細(xì)化區(qū)域越大上述現(xiàn)象進(jìn)一步說(shuō)明細(xì)化區(qū)域的形成是晶粒下沉所致在凝固過(guò)程中，對(duì)熔體時(shí)間電磁場(chǎng)，通過(guò)電磁場(chǎng)在凝固過(guò)程中，對(duì)熔體時(shí)間電磁場(chǎng)，通過(guò)電磁場(chǎng)與熔體作用產(chǎn)生的電磁力、熱效應(yīng)以及影響傳質(zhì)作用等與熔體作用產(chǎn)生的電磁力、熱效應(yīng)以及影響傳質(zhì)作用等途徑，對(duì)凝固組織形態(tài)及合金的力學(xué)性能都會(huì)有交大的途徑，對(duì)凝固組織形態(tài)及合金的力學(xué)性能都會(huì)有交大的影響。影響。電磁攪拌產(chǎn)生的金屬流動(dòng)使樹(shù)枝晶前端斷裂或產(chǎn)電磁攪拌產(chǎn)生的金屬流動(dòng)使樹(shù)枝晶前端斷裂或產(chǎn)生熔斷，造成大量破碎枝晶促進(jìn)晶粒游離；同時(shí)，劇烈生熔斷，造成大量破碎枝晶促進(jìn)晶粒游離；同時(shí)，劇烈流動(dòng)可大大加速熔體內(nèi)部的傳熱，擴(kuò)大凝固區(qū)域范圍；流動(dòng)可大大加速熔體內(nèi)部