材料加工與成型1

1、材料加工與成型黃光勝黃光勝Tel: 65112239(O) ,mail: ; 1.1材料及其分類材料（materials) 通常是指可以用來(lái)制造有用的物品、構(gòu)件、器件等的物質(zhì)。材料是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，材料技術(shù)的發(fā)展是人類社會(huì)進(jìn)步的基礎(chǔ)。人類歷史上材料共經(jīng)歷了5次革命（根據(jù)日本町田輝史）：第一次：石器時(shí)代青銅時(shí)代公元前4000年第二次：青銅時(shí)代鐵器時(shí)代公元前1350-1400年第三次：鐵器時(shí)代合金化時(shí)代公元1500年第四次： 合成材料時(shí)代20世紀(jì)初期第五次： 新材料設(shè)計(jì)與制備加工工藝時(shí)代20世紀(jì)末期問(wèn)：金屬礦產(chǎn)資源不可再生，當(dāng)用完時(shí)，結(jié)構(gòu)材料如何發(fā)展？材料技術(shù)的種類

2、很多，根據(jù)分類方法的不同而異，按照大的分類，材料技術(shù)主要包括以下幾類技術(shù)：(1)制備技術(shù)，如高分子材料合成技術(shù)、粉體制備、人工晶體、材料復(fù)合技術(shù)等；(2) 加工與成型技術(shù)加工與成型技術(shù)，如凝固成形、塑性加工、注射成形、連接技術(shù)等；(3)改質(zhì)改性技術(shù)如各種熱處理技術(shù)等；(4)防護(hù)技術(shù)，如涂層處理、鋼板鍍鋅等；(5)評(píng)價(jià)表征技術(shù)，如力學(xué)性能試驗(yàn)、成形性試驗(yàn)、無(wú)損探傷、顯微結(jié)構(gòu)分析等；(6)模擬仿真技術(shù)，如組織性能預(yù)報(bào)、過(guò)程仿真技術(shù)等；(7)檢測(cè)與監(jiān)控技術(shù)，如在線檢測(cè)技術(shù)、實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)等。材料科學(xué)與工程的四個(gè)基本要素 先進(jìn)的材料制備與加工技術(shù)，既對(duì)新材料的研究開發(fā)與實(shí)際應(yīng)用具有決定性的作用，也可有效

3、地改進(jìn)和提高傳統(tǒng)材料的使用性能，對(duì)傳統(tǒng)材料的更新改造具有重要作用。性能工藝成分結(jié)構(gòu)鑄造分類 一次塑性加工以生產(chǎn)原材料（管、板、型、棒等）為主的加工，如軋制、擠壓等加工。 二次塑性加工以生產(chǎn)零件極其毛坯為主的加工，如鍛造，沖壓。通常二次加工所用原材料是經(jīng)一次加工的，但大型鍛件多用鑄錠直接鍛造。二次塑性加工根據(jù)所用原材料又分：體積成形變形屬于三向應(yīng)力狀態(tài)板料成形變形屬于平面應(yīng)力狀態(tài) 連接技術(shù)包括焊接技術(shù)、機(jī)械連接、粘接等，而我們這兒特指焊接。 焊接分類熔化焊固態(tài)焊釬焊 廣泛用于航空航天、造船、汽車、橋梁、電子信息、高層建筑金屬結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。u液態(tài)成型u固態(tài)成形/型u焊接u粉末冶金內(nèi)容：基本工藝、新工

4、藝（重點(diǎn)）、質(zhì)量控制要點(diǎn)等參考書：1. 毛衛(wèi)民，金屬材料成形與加工，清華大學(xué)出版社，2008。2. 謝建新，材料先進(jìn)制備與成形加工技術(shù)，科學(xué)出版社，2007。主要內(nèi)容 砂型鑄造（氣孔及質(zhì)量控制） 消失模鑄造 電磁凝固 金屬半固態(tài)加工 連續(xù)鑄軋 其它特殊凝固砂型鑄造工藝過(guò)程簡(jiǎn)介造型過(guò)程中，型砂在外力作用下成型并達(dá)到一定的緊實(shí)度或密度而成為砂型。如圖是型砂緊實(shí)后的結(jié)構(gòu)示意圖，它是由原砂和粘結(jié)劑(必要時(shí)還加入一些附加物)組成的一種具有一定強(qiáng)度的微孔一多孔隙體系，或者叫毛細(xì)管多孔隙體系。1. 鑄型中的氣體來(lái)源（1）型腔和型砂孔隙中原來(lái)有的空氣受熱膨脹，通常在鑄鐵澆注溫度下體積要增加四五倍；（2）鑄型尤

5、其是濕型存在較多的水分(包括自由水、吸附水和晶格水等)，在金屬液的熱作用下水分汽化和遷移，水由液態(tài)轉(zhuǎn)變成1360的過(guò)熱蒸汽時(shí)體積膨脹達(dá)7000多倍；（3）粘結(jié)劑、附加物和雜質(zhì)中有機(jī)物質(zhì)受熱、分解與燃燒，產(chǎn)生大量氣體；（4）無(wú)機(jī)物受熱分解等也會(huì)產(chǎn)生許多氣體。此外，隨著金屬一鑄型界面作用進(jìn)行的還會(huì)有由化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體；（5）金屬凝固時(shí)也將放出氣體。侵入性氣孔也叫外因氣孔，是濕型鑄件中最常見(jiàn)的一種缺陷。它的體積較大，形狀不圓整，有時(shí)近似梨形。它常出現(xiàn)在鑄件上部靠近型(芯)壁或澆注位置處。主要是由于砂型(芯)中的氣體侵入金屬中造成的，梨形氣孔小端的位置表明氣體由該處進(jìn)入鑄件。有時(shí)氣孔內(nèi)壁不光滑類似縮

6、孔表面，這與型腔內(nèi)部存在某種程度的冒泡現(xiàn)象有關(guān)。90 90 90時(shí)氣泡在砂型表面生長(zhǎng)過(guò)程 防止侵入性氣孔應(yīng)主要從增加氣體進(jìn)入金屬液的阻力和使氣泡容易從金屬液中浮出等方面人手。（1）減少砂型(芯)在澆注時(shí)的發(fā)氣量，（2）使?jié)沧r(shí)產(chǎn)生的氣體容易從砂型（芯）中排出、例如保證砂型有必需的透氣性，多扎出氣孔，使用薄壁或空心和中間填焦炭塊的砂芯，避免大平面在水平位置澆注，設(shè)置出氣口，適當(dāng)提高澆注溫度和注意引氣等。（3）提高氣體進(jìn)入金屬液的阻力。例如保證直澆道有所需的高度和金屬液在型內(nèi)的上升速度，在砂芯(型)表面施用涂料以減小砂型（芯）表面孔隙等。防止侵入性氣孔的措施（1）金屬鑄型界面產(chǎn)生氣體的反應(yīng)A水蒸氣

7、與合金元素的反應(yīng) 在金屬液的熱作用下，鑄型中迅速產(chǎn)生出大量水蒸氣。未能及時(shí)通過(guò)鑄型排出去的高溫水蒸氣，在界面處與金屬液表面接觸，將使后者氧化。金屬液中元素Me與氧的親和力若比氫大，就會(huì)被氧化，如鐵碳合金中Fe、C、Si、Mn、A1等元素都能與H2O發(fā)生作用，分別產(chǎn)生FeO、SiO、MnO、A12O3等氧化物，使鑄件表面產(chǎn)生夾雜物或形成氧化膜和H。即 mMe+nH2OMemOn+2nH生成的H，一部分?jǐn)U散進(jìn)入金屬中，使其中的氫含量增加，一部分聚合成分子氫后，從砂型中排出。鐵被氧化使鋼中局部FeO含量增高。 無(wú)機(jī)粘結(jié)劑或石灰石砂中的碳酸鹽在900左右分解，產(chǎn)生C02： MeCO3MeO十C02 樹

8、脂砂中的尿素，烏洛托品(CH 2)6N4)與高溫金屬接觸后，首先分解出(NH3)，氨又繼續(xù)分解：2NH3N2十3H2 樹脂中烷烴的分解：CH4 C+2H2 CnH2n+2 nC+(n+1)H2B 型砂組分的分解 澆注開始后，型腔及界面處的氣體壓力迅速提高，高于大氣壓力，將大氣成分排擠掉，因而鑄型是在缺氧條件下被加熱的。在充填鑄型的初始階段，界面上及砂粒間空氣中的自由氧，使合金成分氧化，造型材料中的自由碳(煤粉等)及有機(jī)物將燃燒至自由氧耗盡為止。 經(jīng)氧化熱分解反應(yīng)后，界面上形成一些活性氣相成分，主要有H2O、H2、CO、CO2幾種加上鑄型表面層中殘存的固體碳將繼續(xù)相互作用，使氣相達(dá)到熱力學(xué)平衡。

9、有機(jī)物鑄型的熱分解速度比無(wú)機(jī)物快得多，澆往后型內(nèi)氣體中含O2迅速降低，而H 2迅速上升。分解產(chǎn)生的碳往往造成鑄件表面增碳。 無(wú)機(jī)物鑄型的反應(yīng)速度較慢，由含O2、CO2較高的氧化性氣氛轉(zhuǎn)變?yōu)橐訦2和CO2為主的還原性氣氛的速度較慢，所以通常砂型鑄造時(shí)金屬易氧化，且鑄件表面形成脫碳層。C 固體碳的燃燒及氣化反應(yīng)反應(yīng)性氣孔的成因尚無(wú)統(tǒng)一的說(shuō)法，目前有由氫、氮及CO引起針孔的學(xué)說(shuō)。鑄鋼件的針孔區(qū)由溶解在金屬液中的氣體在鑄件成形過(guò)程中析出而形成的氣孔。析出氣孔多呈細(xì)小圓形、橢圓形或針頭形，成群分布在鑄件整個(gè)斷面上或某個(gè)局部區(qū)域內(nèi)，孔壁光亮，鋁合金鑄件的析出氣孔通常表現(xiàn)為針孔，在鑄件熱節(jié)或厚截面處較嚴(yán)重。

10、在澆注、充型過(guò)程中因氣體卷入金屬液中而在鑄件內(nèi)形成氣孔。卷入氣孔一般為孤立存在的大氣孔，形狀通常為圓形或橢圓形，位置不定，一般在鑄件中上部。材質(zhì)：ZL105地點(diǎn)：四川盆地缺陷：氣孔（1）鋁合金鑄件 2012年2月20日，央企鞍鋼旗下重型機(jī)械有限責(zé)任公司鑄鋼廠鑄造車間發(fā)生噴爆事故。砂型制作完成后，23時(shí)30分開始進(jìn)行鋼水澆注，23時(shí)36分左右，在第二罐鋼水澆注即將結(jié)束時(shí)發(fā)生砂型型腔噴爆，造成13人死亡、17人受傷。 鑄造的是東芝水電（杭州）有限公司承制的美國(guó)一個(gè)抽水蓄能電站的水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的上冠或下環(huán) 。 澆鑄一個(gè)環(huán)狀鋼件，使用的模具就是這個(gè)外直徑約10米的砂型鑄造的產(chǎn)品要180T鋼水。 傷勢(shì)較

11、輕的吊車工徐金興回憶說(shuō)，事發(fā)時(shí)他正在傾倒鋼水罐中的鋼水，“正好是往回打罐的時(shí)候，忽然間那玩意兒就飛回來(lái)了，給我彈了個(gè)跟頭。當(dāng)時(shí)眼前一片漆黑，啥也看不著?！?受傷工人冉明當(dāng)時(shí)離鋼水罐只有七八米的距離。他回憶說(shuō)：“里面鋼水動(dòng)了，我就開始轉(zhuǎn)身跑。剛跑兩三步，鋼水就飛出來(lái)了，我感覺(jué)臉火辣辣的，然后就接著跑。反正現(xiàn)在回憶不出當(dāng)時(shí)怎么跑的了，身上著著火我就跑?！?事故發(fā)生后，多位工人推測(cè)事故原因，不外乎以下幾點(diǎn)：鑄造型腔干燥度不夠；鋼水溫度過(guò)高；澆鑄速度太急；或是環(huán)境溫度過(guò)低，工序設(shè)計(jì)中沒(méi)有注重外模保溫。 一些專家介紹，可能是由于鑄造腔體本身不均勻，鋼水灌注后遭遇水分，形成大量氣體，從而導(dǎo)致爆炸。 國(guó)家安

12、監(jiān)總局通報(bào)稱，事故系型腔內(nèi)部或底部殘余水分過(guò)高，鋼水進(jìn)入型腔后，殘余水分受熱，短時(shí)間內(nèi)迅速膨脹，造成砂型型腔噴爆。2.2.1 緒論原理消失模鑄造（又稱實(shí)型鑄造）是將與鑄件尺寸形狀相似的泡沫模型粘結(jié)組合成模型簇，刷涂耐火涂料并烘干后，埋在干石英砂中振動(dòng)造型，在負(fù)壓下澆注，使模型氣化，液體金屬占據(jù)模型位置，凝固冷卻后形成鑄件的新型鑄造方法 。 Expendable Pattern Casting （EPC) Lost Foam Casting(LFC) 是一種近無(wú)余量、精確成型的工藝。 容易清潔生產(chǎn)。 為鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了充分的自由度。原先要由多個(gè)零件加工組裝的構(gòu)件，采用LFC工藝后可以通過(guò)分片制

13、模然后粘合的辦法整體鑄出。1合金種類 幾乎所有的鑄鐵、鑄鋼和非鐵合金(即有色合金，如鋁合金、鎂合金、銅合金等)都可以采用LFC法生產(chǎn)。在我國(guó)生產(chǎn)消失模鑄件中，絕大部分是鑄鐵和鑄鋼件，鋁合金鑄件微乎其微，而美、德、日等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家鋁合金鑄件卻占主導(dǎo)地位。 由于消失模樣熱解產(chǎn)物會(huì)造成增碳、黑渣等缺陷，在鑄造低碳鋼鑄件以及要求致密度極高的汽車球鐵保安件時(shí)，廢品率還比較高，選用時(shí)應(yīng)該特別慎重。 2鑄件大小和壁厚 LFC法一般都在流水線上組織批量生產(chǎn)，鑄件的最大尺寸受模具和砂箱大小的限制，適合的鑄件質(zhì)量通常從幾公斤至幾百公斤，如果采用專用砂箱，也可以鑄造成噸的大件。如果單件、小批生產(chǎn)，則可以生產(chǎn)質(zhì)量為幾

14、噸甚至幾十噸的大件。鑄件的壁厚受泡沫塑料珠粒大小的限制，一般要求最小壁厚的截面上至少有3顆珠粒，因此鑄件的最小壁厚應(yīng)大于3mm。 3生產(chǎn)批量 由于模具的設(shè)計(jì)、制造周期長(zhǎng)，成本高，因此要求鑄件有一定的生產(chǎn)批量，不然分?jǐn)偟矫總€(gè)鑄件上的費(fèi)用將使鑄件價(jià)格變得昂貴，難為用戶所接受。通常要求LFC法的生產(chǎn)批量為數(shù)千件或者更多。批量較小或單個(gè)試制件的模樣可以通過(guò)板材數(shù)控加工的辦法分塊制造粘合而成。 4結(jié)構(gòu)形狀 LFC法對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)形狀的適應(yīng)性比其他方法都強(qiáng)，而且越是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，原來(lái)用砂型鑄造時(shí)需要使用的砂芯越多、機(jī)加工量越大的鑄件，采用消失模鑄造技術(shù)的優(yōu)越性就越突出，經(jīng)濟(jì)效益也就越顯著。模樣是用泡沫塑料制成的，

15、它是以合成樹脂為母材、內(nèi)部具有無(wú)數(shù)微小氣孔(也稱泡孔)結(jié)構(gòu)的塑料，其主要特點(diǎn)如下。 1)質(zhì)地輕。消失模鑄造模樣材料的密度僅為1625kgm3。 2)泡沫塑料的泡孔互不連通，可防止空氣對(duì)流，因此不易傳熱和吸水，起著隔熱、隔水作用。 3)泡沫塑料的種類很多，譬如聚氯乙烯、聚苯乙烯、酚醛和聚氨酯泡沫塑料等，但選作鑄造模樣用的泡沫塑料，必須是發(fā)氣量較小、熱解殘留物少的泡沫塑料。通常都采用聚苯乙烯泡沫塑料(Expendable Polystyrene，簡(jiǎn)稱EPS)作為鑄造的模祥材料。 4)鑄造模樣發(fā)泡聚苯乙烯還具有成形加工方便、資源豐富、價(jià)格比較低等優(yōu)點(diǎn)，因此它成為目前應(yīng)用最廣的一種模樣材料。采用聚苯乙

16、烯珠粒在模具中發(fā)泡成形的模樣制造工藝流程。 涂料的配制及干燥是獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的重要環(huán)節(jié)之一。在生產(chǎn)中，經(jīng)常出現(xiàn)由涂料性能不穩(wěn)定或指標(biāo)不恰當(dāng)而造成鑄件質(zhì)量不穩(wěn)定、廢品率上升的現(xiàn)象，這加深了人們對(duì)涂料重要性的認(rèn)識(shí)。消失模鑄造涂料的作用可以歸納如下。 1)可以降低鑄件表面粗糙度值。采用優(yōu)質(zhì)涂料后，鑄件的表面租糙度值可以降低二三個(gè)等級(jí),從而提高鑄件的表面質(zhì)量和使用性能。 2)有助于防止或減少鑄件粘砂、砂眼等缺陷，因?yàn)橥繉咏⒘艘坏滥突鹦浴峄瘜W(xué)穩(wěn)定性高的屏障，將金屬液與干砂隔開來(lái)。 3)有利于提高鑄件落砂、清理效率。 4)能使金屬液流動(dòng)前沿氣隙中模樣熱解的氣體和液體產(chǎn)物順利地通過(guò)，排到鑄型中去，但又要防

17、止金屬液的滲入，這是防止鑄件產(chǎn)生氣孔、金屬滲透和碳缺陷十分重要的條件。 5)能提高泡沫模樣的強(qiáng)度和剛度，防止模樣在運(yùn)輸、填砂振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生變形和破壞，這對(duì)提高鑄件尺寸精度和成品率至關(guān)重要。u強(qiáng)度u透氣性u(píng)涂刷性u(píng)不流淌性u(píng)粘度u觸變性現(xiàn)有消失模鑄造涂料一般以棕剛玉、鋯英粉、鋁礬土等為耐火骨料，成本較高。石英粉是最便宜的耐火填料之一，具有較高的熔點(diǎn)和燒結(jié)溫度。 共用三種石英粉耐火骨料，其粒形均為多角形，粒度集中在0.075mm左右，粒度分布見(jiàn)表1。膨潤(rùn)土為四川鹽亭鈉質(zhì)膨潤(rùn)土，其吸藍(lán)量為39，使用前兩天，將其調(diào)制成膨潤(rùn)土漿，并加入膨潤(rùn)土量3%的Na2CO3。聚乙烯醇（PVA）使用前在沸水中熬煮成10%

18、膠體水溶液。羧甲基纖維素鈉（CMC）使用前24h配制成5%的水溶液。載體為自來(lái)水。 EPS模樣造型襯板澆注EPS模樣 造型 100磨球 60磨球 40磨球磨球的消失模鑄造實(shí)例 與黑色鋼鐵合金相比，鋁、鎂合金消失模鑄造技術(shù)難度更大，如鋁合金消失模鑄造存在如下主要特征及技術(shù)難點(diǎn)。液態(tài)鋁合金的熔化溫度比黑色鋼鐵合金的低許多，而金屬液澆注時(shí)模樣的熱解汽化將吸收大量的熱量，造成合金流動(dòng)前沿溫度下降，故過(guò)度冷卻易形成冷隔、皮下氣孔等鑄件缺陷。因此，足夠的澆注溫度和澆注速度對(duì)獲得優(yōu)質(zhì)鋁合金鑄件至關(guān)重要，尤其是薄壁鋁鑄件。為了達(dá)到汽化泡沫模樣、順利填充澆注的目的，鋁合金消失模鑄造的澆注溫度往往需要在800以上

19、。而此時(shí)，高溫鋁液的吸(氫)氣性強(qiáng)，易使鑄件產(chǎn)生針孔(鑄件的致密性差)。必須加強(qiáng)高溫鋁液的除氣精煉處理。鋁合金鑄件較好的澆注溫度應(yīng)在750左右，因?yàn)榇藭r(shí)高溫鋁液的吸(氫)氣性較小。為此需要采用適于鋁合金的低溫汽化的泡沫模樣材料。 2001年6月8日，Mercury Castings公司建立了第一條工業(yè)上自動(dòng)化程度很高的壓力凝固消失模鑄造生產(chǎn)線。以降低鋁合金鑄件的氣孔率。其特點(diǎn)是重力澆注后，將砂箱放入壓力容器內(nèi)密封，充入10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，讓鋁合金液體在壓力下凝固，產(chǎn)生的縮孔和氣孔程度是傳統(tǒng)消失模鋁合金鑄件的1/100，是金屬型鋁合金鑄件的1/10。 涂有耐火材料的模樣和澆道系統(tǒng)放入底部開孔的砂箱

20、內(nèi)，填入干砂，上部密封，將砂箱放在金屬液的上方，升液管置于金屬液內(nèi)，打開砂箱項(xiàng)部的真空，使砂箱內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，金屬液在壓差的作用下上升代替模樣族。 經(jīng)振動(dòng)緊實(shí)后的消失模鑄型砂箱，被放入(或推入)可控氣氛和壓力下的“低壓鑄造”工位。雙層砂箱在抽真空的同時(shí)，液態(tài)鎂合金在可控氣壓下完成澆注 充型、冷卻凝固。其實(shí)質(zhì)是真空消失模鑄造與反重力低壓 鑄造的有機(jī)結(jié)合。 具有低壓鑄造與真空消失模鑄造的綜合技術(shù)優(yōu)勢(shì)，使得鎂合金消失模鑄造在可控的氣壓下完成充型過(guò)程，大大提高了鎂合金溶液的充型能力，消除了鎂合金重力消失模鑄造常出現(xiàn)的澆不足缺陷。 鎂合金液體在可控的壓力下充型，可以控制液態(tài)金屬的充型速度，讓金屬液平穩(wěn)流動(dòng)，

21、避免紊流，減少卷氣，這樣最終的鑄件可以進(jìn)行熱處理。 采用真空低壓消失模鑄造時(shí)，直澆口即為補(bǔ)縮短通道，液態(tài)鎂合金在可控的壓力下進(jìn)行補(bǔ)縮凝固，鎂合金鑄件的澆注系統(tǒng)小，成品率高。 在整個(gè)充型冷卻過(guò)程中，液態(tài)鎂合金不與空氣接觸，且泡沫模樣的熱解產(chǎn)物對(duì)鎂合金鑄件成形時(shí)的自然保護(hù)作用，消除了液態(tài)鎂合金澆注充型時(shí)的氧化燃燒現(xiàn)象，可鑄造出光整、優(yōu)質(zhì)、復(fù)雜的鎂合金鑄件。 材料電磁工藝是指將電場(chǎng)或磁場(chǎng)引入到材料的制備或加工過(guò)程中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料制備或加工過(guò)程和產(chǎn)品質(zhì)量的控制及材料組織和性能的改善。 20世紀(jì)60年代初期即已經(jīng)開始了電磁冶金的研究，特別是在20世紀(jì)80年代以后，我國(guó)的高等院校和研究單位也相繼開展了這

22、方面的工作，把電磁場(chǎng)引入到實(shí)際鑄造生產(chǎn)過(guò)程中，同時(shí)對(duì)電磁鑄造、 電場(chǎng)作用下的凝固、電磁攪拌和電磁離心鑄造等新技術(shù)開展了研究。2.3.1材料電磁工藝 所采用的電場(chǎng)或者磁場(chǎng)按照其特征可以分類如表所示。有些工藝將電場(chǎng)或者磁場(chǎng)單獨(dú)使用，而有些則使用多個(gè)磁場(chǎng)或者將電場(chǎng)和磁場(chǎng)同時(shí)引入。1. 電場(chǎng)中的凝固技術(shù) 電場(chǎng)控制凝固技術(shù)發(fā)展的時(shí)間不長(zhǎng)，它是對(duì)液態(tài)金屬施加單一的電場(chǎng)，使金屬在電場(chǎng)中冷卻凝固，可以得到有別于常規(guī)凝固條件下的組織。所施加的電場(chǎng)可以是直流電場(chǎng)、交流電場(chǎng)或脈沖電場(chǎng)。 已有的研究表明，在金屬凝固過(guò)程個(gè)施加常規(guī)的直流或交流電場(chǎng)有助于改善凝固組織，減少宏觀凝固缺陷。但是，對(duì)電場(chǎng)在凝固過(guò)程中的作用機(jī)理還

23、不十分清楚。 這類技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)60年代，它是利用電磁力實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬的約束成形，在無(wú)成形模具的條件下完成金屬的熔煉與成形的技術(shù)，也稱電磁鑄造或電磁模等。 感應(yīng)器中通入交變電流后，在熔體內(nèi)會(huì)感生渦流，在較高的頻率下，感應(yīng)電流主要集中在液態(tài)金屬的表層部分，其方向在每一瞬間都與感應(yīng)器中的電流方向相反。因此，這個(gè)感應(yīng)電流與外加磁場(chǎng)交互作用，在液態(tài)金屬的側(cè)表面內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)指向液態(tài)金屬內(nèi)部的電磁壓力。通過(guò)控制液態(tài)金屬表層部分的磁場(chǎng)強(qiáng)度可以控制電磁壓力的大小，使電磁壓力、液態(tài)金屬靜壓力、表面張力達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，這樣才可以使液態(tài)金屬能夠達(dá)到合適的形狀及保持較好的穩(wěn)定性，同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)金屬與模壁之間的“軟接”顯

24、著提高鑄件表面質(zhì)量。感應(yīng)器在液態(tài)金屬表面產(chǎn)生電磁壓力的同時(shí)，在金屬液表面和內(nèi)部都產(chǎn)生電磁攪拌力金屬液內(nèi)部的電磁攪拌力將引起金屬液的流動(dòng)，改善鑄件內(nèi)部的組織形態(tài)。 就一般情況而言，電磁攪拌與電磁鑄造相似，都起源于交流感應(yīng)器所產(chǎn)生的洛倫茲力。但是，電磁攪拌器在設(shè)計(jì)上，會(huì)使熔體深處直至固-液界面處產(chǎn)生對(duì)流，而不僅限于在熔體表面產(chǎn)生電磁力。因此，電磁攪拌所采用的交流磁場(chǎng)的頻率一般較低。 20以紀(jì)60年代初報(bào)道了利用交流電磁場(chǎng)使得商用鋼錠的晶粒組織顯著細(xì)化；電磁攪拌還可以明顯改善鑄件的冶金質(zhì)量，并消除宏觀成分偏析。 實(shí)際生產(chǎn)中使用的電磁攪拌器可以分為兩類：線性攪拌器和旋轉(zhuǎn)攪拌器。后者又包括兩種：一種是在

25、感應(yīng)線圈內(nèi)通交變電流產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的傳統(tǒng)方法；另一種是旋轉(zhuǎn)永滋體法，該方法采用由高性能永磁材料組成的感應(yīng)器，可以在內(nèi)部產(chǎn)生很高的磁場(chǎng)強(qiáng)度。 電磁攪拌產(chǎn)生的金屬液流動(dòng)使樹枝晶前端發(fā)生折斷或產(chǎn)生熔蝕作用，造成大量枝晶碎片作為晶核；同時(shí)，劇烈的流動(dòng)可大大加速液心的傳熱而使過(guò)熱度迅速消失，兩相區(qū)擴(kuò)大；流動(dòng)還可以加速傳質(zhì)過(guò)程使凝固界面前沿?cái)U(kuò)散邊界層減薄而濃度梯度增大，兩相區(qū)成分過(guò)冷增加。這些都有利于等軸晶的發(fā)展和晶?；?。因此，電磁攪拌是擴(kuò)大鑄坯等軸晶帶的有效措施。 電磁攪拌對(duì)鑄坯表層質(zhì)量、中心縮孔疏松以及鑄坯中心的偏析都有良好的改善作用。因此，電磁攪拌技術(shù)已被工業(yè)鑄造領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。 原理：在合金的凝固過(guò)程

26、中，同時(shí)施加一個(gè)穩(wěn)恒的磁場(chǎng)以及一個(gè)交變電場(chǎng)，二者互相垂直。因此，在熔體內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)電磁體積力，其方向垂直于上述電、磁兩場(chǎng)確定的平面并不斷變化。電磁體積力迫使熔體中的導(dǎo)電粒子發(fā)生振動(dòng)，從而導(dǎo)致液體中氣孔的形成與長(zhǎng)大；最后，這些氣孔破碎會(huì)產(chǎn)生數(shù)干個(gè)大氣壓級(jí)的強(qiáng)有力的沖擊波沖擊波的壓力有利于晶粒細(xì)化及彌散分布、除氣作用以及提高充型能力。與機(jī)械振動(dòng)不同的是，電磁振蕩法對(duì)熔體基本無(wú)污染，且對(duì)熔體的作用均勻一致，易于控制。 作用：電磁振蕩能使宏觀組織細(xì)化和均勻化，晶過(guò)細(xì)化可能導(dǎo)致強(qiáng)度的提高。 電磁離心鑄造是近些年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)鑄造技術(shù)。它將離心鑄造和電磁攪拌結(jié)合起來(lái)，利用金屬熔體隨模具的轉(zhuǎn)動(dòng)與外加直流磁場(chǎng)的交互作用而產(chǎn)生電磁力，在電磁力的作用下，金屬熔體產(chǎn)生與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生