鑄件宏觀凝固組織的控制

1、北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院文獻(xiàn)綜述電磁場對鑄件宏觀凝固組織的控制學(xué)生姓名：_學(xué) 號：_專業(yè)班級：_批閱教師：_成 績：_2013年5月電磁場對鑄件宏觀凝固組織的控制摘要： 隨著電磁技術(shù)的發(fā)展，電磁場在控制金屬凝固、改善合金組織及性能等方面將越來越重要，電磁場在材料加工方面的應(yīng)用也越來越廣，到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了很多種電磁加工方法。施加復(fù)合電磁場有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1)在內(nèi)結(jié)晶器中施加行波攪拌磁場不但能夠顯著的改善鑄坯的凝固組織，而且電磁攪拌力引起的金屬熔體強(qiáng)制流動能夠提高管坯的內(nèi)表面以及皮下質(zhì)量，解決管坯內(nèi)表面不易進(jìn)行銑面處理的困難。2)在外結(jié)晶器側(cè)放置中頻約束線圈能夠消除管坯內(nèi)外表面的偏析瘤

2、以及波痕等缺陷。3)空心管坯電磁連鑄凝固過程的數(shù)值模擬結(jié)果表明：單獨(dú)在管坯外結(jié)晶器側(cè)放置中頻約束線圈或者單獨(dú)在管坯內(nèi)結(jié)晶器中放置行波攪拌磁場都容易造成凝固坯殼厚度不均勻，產(chǎn)生裂紋缺陷。通過在管坯內(nèi)外結(jié)晶器中施加合適的復(fù)合電磁場能夠改善凝固坯殼厚度不均勻的狀況，消除裂紋缺陷，而且電磁攪拌加速散熱能夠減小液穴深度，可以提高生產(chǎn)效率。關(guān)鍵詞：電磁制動；電磁攪拌；電磁超聲波；電磁熱處理；流體流動；凝固組織Abstract：With the development of electromagnetic technique，electromagnetic field plays an important

3、role in the control of metal solidification， the betterment of structure and performanceSince now，many kinds of electromagnetic methods have been used to material processingThe following merits can be acquired by the multi-electromagnetic fields：1)The stirring magnetic field can not only improve the

4、 solidification structure of the large·diameter hollow billet but also eliminate the inclusion and blow hole flaws and improve the inner-surface quality of the hollow billet to avoid the milling of the inner·surface2)The middle frequency magnetic field can restrain the segregation bud and

5、ripple mark of inner and outer surface of hollow billet3)The temperature field numerical simulation of electromagnetic continuous casting of the hollow billet shows that：Both the only medium frequency coil and the only stirring magnetic field arc easy to create the crack flaw because of the nonhomog

6、eneous of the solidification shellThe imposed multi-electromagnetic fields can not only improve the homogeneous of solidification shell to restrain the crack flaw but also speed-up the heat dissipation to decrease the melt pool and improve the production efficiencyKey words： electromagnetic brake；el

7、ectromagnetic stirring； electromagnetic ultrasonic waves； heat treatment under electromagnetic field；fluid flow；so1idification structure引言：柱狀晶是晶體擇優(yōu)生長形成的細(xì)長晶體，比較粗大，晶界面積較小，柱狀晶體排列位向一致，因而其性能也具有明顯的方向性，縱向好，橫向差。另外，柱狀晶生長過程中某些雜志元素。非金屬夾雜物和氣體被排斥在界面前沿，最后分布在柱狀晶與柱狀晶或柱狀晶與等軸晶的交界面處，形成性能“弱面”，凝固末期易于在該處形成熱裂紋。對于鑄錠而言，還易于在

8、以后的塑性加工或軋制過程中產(chǎn)生裂紋。因此，通常鑄件不希望獲得粗大的柱狀晶組織。但柱狀晶在軸向具有良好的性能，對于某些特殊的軸向受拉應(yīng)力的鑄件（如航空發(fā)動機(jī)葉片）則采用定向凝固技術(shù)控制單向散熱，獲得全部單向排列的柱狀晶組織，提高鑄件的性能和可靠性。內(nèi)部等軸晶區(qū)的等軸晶粒之間位向各不相同，晶界面積大，而且偏析元素、非金屬夾雜物和氣體的分布比較分散，等軸枝晶彼此嵌合，結(jié)合比較牢固，因而不存在“弱面”，性能比較均勻，沒有方向性，即各向同性。如果內(nèi)部等軸晶粗大、顯微縮松多、凝固組織不致密，則其力學(xué)性能顯著降低。細(xì)化等軸晶可以使雜志元素和非金屬夾雜物、顯微縮松等缺陷分散分布，因而可以顯著提高力學(xué)性能和抗疲

9、勞性能。生產(chǎn)上往往采取措施細(xì)化等軸晶粒，以獲得較多甚至全部是細(xì)小等軸晶的組織。一、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程為目標(biāo)，進(jìn)行了鑄坯的靜態(tài)澆鑄實(shí)驗(yàn)。通過選取適當(dāng)?shù)碾姶艛嚢鑵?shù)和澆鑄參數(shù)，對電磁攪拌改善鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量、促進(jìn)晶粒細(xì)化和成分均勻化問題進(jìn)行了研究。1.靜態(tài)澆鑄實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室澆鑄了70 mm×70 mm×350 mm的鑄坯。鋼種為Q235，其基本成分如表l所示。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，等軸晶率大幅度提高，晶粒也明顯細(xì)化，且基本消除了

10、中心疏松和縮孔等內(nèi)部缺陷(圖11)。電磁攪拌使得鋼液內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)流動，改善了從鑄坯中心至表層的傳熱，加速了鋼液中過熱的耗散，促進(jìn)等軸晶核的形成。這些等軸晶核由于攪拌所產(chǎn)生的流動而充滿鑄坯的液相穴，隨著進(jìn)一步冷卻以等軸晶方式生長，最終形成等軸晶凝固組織。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(圖12)。電磁攪拌強(qiáng)度是獲得最佳電磁攪拌效果的重要因素。通常認(rèn)為較低的電磁攪拌強(qiáng)度僅能控制柱狀晶向等軸晶的過渡，且效果不穩(wěn)定。增大攪拌強(qiáng)度，可以有效地提高等軸晶所占的比率，并可以完全避免小鋼錠結(jié)構(gòu)的形成，但當(dāng)攪拌強(qiáng)度

11、太大時(shí)，則會增加白亮帶形成的可能性。在單側(cè)線性電磁攪拌中，攪拌器兩側(cè)大小不同的電磁力所產(chǎn)生的扭矩導(dǎo)致了鋼液的渦漩流動，直接影響鑄坯凝固組織中的等軸晶比率。川崎制鐵所對中碳鋼和高碳鋼的研究表明，鋼液中的流動速度分別達(dá)到0.15和0.20 m/s時(shí)，鑄坯內(nèi)的等軸晶達(dá)到飽和4。同時(shí)，攪拌還產(chǎn)生了垂直于鋼液流動方向的電磁力分量，這個(gè)分量有利于增加鋼液的紊流、加快過熱的耗散，從而促進(jìn)晶核的形成和晶粒的增殖，提高鑄坯凝固組織中的等軸晶比率。二、電磁超聲波對金屬組織細(xì)化的作用利用強(qiáng)磁場和高頻電流的局部作用所產(chǎn)生的電磁超聲，考察了這種超聲波對細(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

12、水平斷面為25 mm×40 mm的矩形玻璃容器中，然后對其施加了垂直方向的靜磁場BDc。同時(shí)在容器的短邊附近插入一對銅制電極，并通入了頻率為2kHz的交流電流。在這種實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下，由于金屬液內(nèi)的交流電流和所施加的靜磁場的相互作用，將在液態(tài)金屬表面附近、集膚層厚度的范圍內(nèi)生成高頻電磁力FAc。這種周期性變化的電磁力將使液態(tài)金屬從平衡狀態(tài)開始振動，因此金屬的密度、壓力也隨之發(fā)微小擾亂。這種攪亂的傳播即生成電磁超聲波。實(shí)驗(yàn)中在金屬的長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。從高于液相溫度的250到合金完全凝固的170的溫度區(qū)間內(nèi)在有無電磁超聲波的條件下，對合金進(jìn)行了凝固得到的試

13、料的縱斷面經(jīng)研磨腐蝕后，對合金的宏觀及微觀凝固組織進(jìn)行了觀察。靜磁場和高頻電流分別是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有對冷卻曲線造成太大影響，施加了10 T強(qiáng)磁場的合金的冷卻速度比沒有施加強(qiáng)磁場的要大些。各實(shí)驗(yàn)條件下得到的宏觀及微觀凝固組織照片如圖15、16所示。0 T，0 A和10 T，0 A的條件下都得到了粗大的晶粒組織，而且其微觀組織都是由柱狀晶構(gòu)成。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)生的磁場的作用下生成的電磁力的

14、效果而引起的。與此相對應(yīng)，其微觀凝固組織也出現(xiàn)了少量等軸晶。10 T，90 A的條件下的合金的凝固組織得到了顯著細(xì)化。它的微觀凝固組織也全由等軸晶構(gòu)成。這是由于10 T的強(qiáng)磁場和交流電流的共同作用下生成的電磁超聲波的作用而引起的。利用這種電磁超聲波得到了基本為全等軸晶的試樣。 三、電場對奧氏體化40MnMoV性能的影響采用電場熱處理爐處理試樣，電場強(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

15、微硬度測試表明，電場奧氏體化，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(圖18)。沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明，常規(guī)淬火試樣的沖擊功為122 J，沖擊韌性為63 Jcm2；電場淬火試樣的沖擊功為151 J，沖擊韌性為755 Jcm2。對比可見，電場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，伸長率提高13，斷面收縮率提高147(表3)。由此可見，電場淬火可明顯提高

16、40MnMoV鋼的強(qiáng)韌性。 四、雙磁力驅(qū)動器對液態(tài)金屬流動的驅(qū)動與控制1.雙磁力驅(qū)動攪拌對初期凝固殼的影響連鑄過程中，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。研究表明：施加高頻電磁場能降低初期凝固點(diǎn)位置、抑制表面波動、改善鑄坯表面質(zhì)量；施加工頻或低頻電磁場可使凝固坯殼變薄、均勻。本研究通過在澆鑄過程中向Sn+3.5%Pb 合金中添加少量Sn+43%Pb合金的方法，借助于兩種合金在凝固組織上的差異，觀察施加永磁磁場對鑄坯凝固坯殼的影響。圖5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時(shí)（圖5a），僅開啟下磁力驅(qū)動器，轉(zhuǎn)速為35r/s（圖5b）以及施

17、加雙磁力驅(qū)動的凝固殼形狀，上驅(qū)動器轉(zhuǎn)速為20r/s，下驅(qū)動器轉(zhuǎn)速為35r/s（圖5b）3種條件下的凝固坯殼形狀?？梢娛┘与姶艌鲚^未施加電磁場時(shí)的初期凝固點(diǎn)的位置降低、凝固坯殼變薄，這是熔體在電磁力的作用下強(qiáng)迫對流的結(jié)果，這與施加交流電磁攪拌的情形相類似。由圖5b 可見只施加下磁力驅(qū)動時(shí)，凝固殼有一小部分突起，由于先前形成凝固殼的固相分?jǐn)?shù)不高，在下驅(qū)動器電磁力作用下金屬液沖刷凝固殼，致使凝固殼又變薄；當(dāng)施加雙磁力驅(qū)動時(shí)，由于電磁力作用范圍大了，使凝固殼變薄，且均勻。由圖5c可見，在雙磁力驅(qū)動器作用下，凝固殼生長可分成兩段：第一段，凝固殼較薄且長，這是電磁力作用使熔體溫度場充分均勻的結(jié)果；第二段，

18、凝固殼迅速增厚直至完全凝固。這一階段熔體的溫度接近固相線，熔體的潛熱大部分已被釋放，故而凝固較快。2. 雙磁力驅(qū)動器產(chǎn)生的磁力對凝固組織的影響圖6示出了在小型連鑄機(jī)上鑄出的未施加與施加永磁磁場Sn+3.5%Pb合金凝固組織照片。由圖6a可見未施加磁場時(shí)，鑄坯凝固組織基本由較粗大的柱狀晶組成。根據(jù)金屬凝固理論，結(jié)晶器內(nèi)通水冷卻，將在熔體內(nèi)形成較大的溫度梯度，滿足柱狀晶的生長條件。在連鑄過程中，施加轉(zhuǎn)速為20r/s下磁力驅(qū)動器時(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)動器轉(zhuǎn)速增加到35r/s時(shí)，即增大驅(qū)動的磁力，可得到大部分的等軸晶組織，如圖6c所示。當(dāng)向金屬液施加

19、雙磁力驅(qū)動時(shí)，上磁力驅(qū)動為20r/s，下磁力驅(qū)動為35r/s，得到凝固組織為100%的細(xì)等軸晶組織，如圖6d所示。五、電磁振蕩下梯度磁場對純A1凝固組織的影響1磁化力與重力反向圖3為第一組實(shí)驗(yàn)中試樣的宏觀組織圖3a為不加電流和磁場的凝固組織，晶粒都為粗大的等軸晶圖3b一h為強(qiáng)磁場復(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

20、看出細(xì)化區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大到試樣的整個(gè)縱截面，但在12高度處的邊緣部分沒有細(xì)化當(dāng)磁場進(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，且磁場強(qiáng)度越大，細(xì)化區(qū)域分布越靠近上端在10 T的強(qiáng)磁場下，試樣只在上部很小的區(qū)域發(fā)生了細(xì)化，這與Sugiura等用Pb-Sn合金實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)果(細(xì)化主要發(fā)生在電極附近)是一致的從以前的研究結(jié)果4-7J可知，在凝固的過程中，施加電磁振蕩細(xì)化作用主要限于電極附近，隨著與電極距離的增大，細(xì)化效果減弱而本實(shí)驗(yàn)中，電極位于樣品的上端，

21、然而細(xì)化晶粒分布在底都(圖3b，c)由圖3f_h可見，磁場梯度增大卻使細(xì)化區(qū)上移，這與磁化力抑制初生晶核下沉有關(guān)(即強(qiáng)磁場可以抑制“結(jié)晶雨”)2.磁化力與重力同向?yàn)榱诉M(jìn)一步證明磁化力和重力反向時(shí)磁化力對“結(jié)晶雨”的抑制行為，在lO T磁場下，進(jìn)行了磁化力和重力同向和反向的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖4，5所示對比圖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)且電極附近不細(xì)化在同一磁場下，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)一步說明細(xì)化區(qū)域的形成是晶粒下沉所致結(jié)論:宏觀凝固組織對鑄件的性能有直接的影響，表面細(xì)晶粒區(qū)較薄，對鑄件性能的影響較小。柱狀晶區(qū)和等軸晶區(qū)的寬度及二者的比例，晶粒的大小是決定鑄件性能的主要因素。通過強(qiáng)化非均質(zhì)形核和促進(jìn)晶粒游離以抑制凝固過程匯總柱狀晶區(qū)的形成和發(fā)展，就能獲得等軸晶組織。非均質(zhì)晶核數(shù)量較多，晶粒游離的作用越強(qiáng)，熔體內(nèi)部越有利于游離晶的殘存，則形成的等軸晶粒就越細(xì)。凡能強(qiáng)化熔體獨(dú)立形核，促進(jìn)晶粒游離及有助于游離晶的殘存與堆積的各種因素都將抑制柱狀晶區(qū)的形