電流在金屬凝固過程中的應(yīng)用課件(PPT 22頁)

1、電流在金屬凝固過程中的應(yīng)用第1頁，共22頁。電流影響金屬凝固組織的研究現(xiàn)狀連續(xù)電流的作用脈沖電流的作用連續(xù)電流作用機制分析 電流影響液態(tài)金屬凝固組織的理論分析脈沖電流作用機制分析 總結(jié)第2頁，共22頁。控制液態(tài)金屬凝固過程以細化其凝固組織的方法化學(xué)細化法：如孕育處理，即在金屬熔體內(nèi)添加少量其他物質(zhì)以促進形核和抑制生長物理細化法：如電磁攪拌、機械振動等外加物理場法：如施加超聲場、電場、磁場等。細小均勻的等軸晶組織具有優(yōu)良的加工性能和力學(xué)性能20世紀80年代，Misra K在多元合金凝固過程中施加直流電，試驗后發(fā)現(xiàn)凝固組織得到了改善。20世紀90年代初，Nakada M 首次使用脈沖電流處理Sn

2、Pb二元合金的凝固過程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)凝固組織多為細小球狀的等軸晶。第3頁，共22頁。電流凝固電流凝固技術(shù)是在金屬凝固過程中或在金屬凝固前給金屬熔體施加選定的電流, 如直流電流、交流電流或脈沖電流等, 從而改變金屬凝固組織和性能。該技術(shù)具有無污染、操作方便、效果顯著等優(yōu)點, 受到了材料工作者的高度重視, 并顯示出十分廣闊的應(yīng)用前景。第4頁，共22頁。電流處理前后對比 電脈沖處理前后鑄鐵三角試樣斷口第5頁，共22頁。金屬熔體的兩種通電方式電極插入方式主要有兩種：一是將兩個電極分別插入金屬熔體的兩端進行通電處理；二是在熔體一端將兩個電極平行插入熔體中。兩種通電形式在匹配的參數(shù)內(nèi)都能顯著細化凝固組織。但從

3、工業(yè)安裝應(yīng)用方面講，平行電極比上下電極方便，且平行電極的細化效果好于上下電極，所以多采用平行電極金屬熔體的兩種通電方式第6頁，共22頁。在液態(tài)熔體中施加電場能夠引起熔體中不同性質(zhì)的的離子產(chǎn)生運動，從而導(dǎo)致熔體成分的變化。通過電場對液態(tài)金屬影響的研究建立了電遷移理論，在濃度梯度、焦耳熱和洛倫茲力的共同作用下產(chǎn)生的電遷移對溶質(zhì)分配系數(shù) k0具有重要的影響，由此導(dǎo)致： 提高局部細化效果 成分的聚集導(dǎo)致凝固溫度發(fā)生變化 減小成分過冷傾向1 電流影響金屬凝固組織的研究現(xiàn)狀1.1 連續(xù)電流的作用第7頁，共22頁。印度學(xué)者Misra研究了3040mAcm-2直流電流對過共晶PbSb15Sn7合金凝固組織的影

4、響，發(fā)現(xiàn)凝固組織不僅得到了細化，而且變得更均勻。Flemings發(fā)明了制備非晶組織的凝固控制技術(shù)，這一技術(shù)的核心內(nèi)容是對開始凝固的金屬進行高電壓大電流的放電操作，使所得的凝固組織明顯細化，晶粒形狀為表面光滑的球形或準球形。同時研究發(fā)現(xiàn)開始放電時間對晶粒細化效果影響很大，開始放電時間越晚，晶粒細化效果越差。國內(nèi)外學(xué)者做過的一些相關(guān)的研究第8頁，共22頁。開始作用時間 初 生 相 無電流作用 樹枝狀凝固剛開始15s 球狀凝固過程后半段 樹枝狀初生相的形貌特征與電流開始作用時間的關(guān)系第9頁，共22頁。顧根大對電流作用下金屬定向凝固行為進行了系 統(tǒng)的研究，通過對AlCu4.5，SnBi5和Al-Si合

5、金的試驗結(jié)果表明，合金界面成分分配系數(shù)隨電流密度增大而減小，凝固組織隨著電流密度的增大而進一步細化。近年來，Ahmed等人通過進一步的試驗，發(fā)現(xiàn)電流密度為50400 mAcm-2時，超耐熱合金的組織發(fā)生如下變化： 得到細化 相的形貌發(fā)生改變 偏析和氣孔率得到抑制第10頁，共22頁。Nakada等首先研究了大密度脈沖電流對過共晶Sn90Pb10合金凝固過程的作用，所用電容器電壓為3Kv，脈沖間隔為20s，熔體凝固時開始放電，最后凝固組織由樹枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，并且發(fā)現(xiàn)等軸晶的數(shù)量隨電容器的充電電壓升高而增多。李建明等通過對近共晶Sn60Pb40合金凝固過程的研究，進一步肯定了電脈沖在凝固過程中具有

6、細化凝固組織的作用。1.2 脈沖電流的作用 國內(nèi)外學(xué)者做過的一些相關(guān)的研究第11頁，共22頁。Barnak等人主要研究了脈沖電流密度對共晶Pb-Sn合金凝固組織的影響,所采用的脈沖電流密度為1501500Acm-2,脈沖有效放電時間為60s,在整個凝固過程中施加電脈沖,得到以下結(jié)果: 過冷度T增加 共晶團尺寸顯著減小。共晶層片間距沒有顯著變化, 而且,電脈沖對初生富Pb枝晶的形貌、尺寸沒有明顯作用不同脈沖電流密度處理對Sn-Pb合金過冷度T的影響不同電流密度對Sn-Pb合金共晶團尺寸的影響第12頁，共22頁。唐勇等研究了電脈沖對高熔點金屬-鋼鐵凝固組織的影響作用,研究者認為電脈沖的主要作用是減

7、小柱狀晶的尺寸和改善珠光體的形貌, 其中引人注意的是有關(guān)珠光體形貌的改善, 因為通常鋼中的珠光體是由固-固相變而形成的, 這表明電脈沖不僅對液態(tài)金屬在凝固過程的相轉(zhuǎn)變有作用, 而且對凝固以后固態(tài)金屬的相轉(zhuǎn)變也有著一定的作用。第13頁，共22頁。2 電流影響液態(tài)金屬凝固組織的理論分析2.1 連續(xù)電流作用機制分析電遷移效應(yīng)即液態(tài)金屬中的各種離子在電場力的作用下發(fā)生定向遷移的現(xiàn)象。由于各種金屬離子所帶電量的不同，從而在定向遷移過程中的運動速度也不同，由此引起液態(tài)金屬的流動速度為：式中： ；j為電流密度； 為液態(tài)金屬的密度；g為重力加速度； 為粘度系數(shù)；為熱膨脹系數(shù)； 為傳熱系數(shù)；R為熔體半徑； 為溶

8、質(zhì)分配系數(shù)。液態(tài)金屬的流動最終導(dǎo)致凝固過程中溶質(zhì)分配系數(shù)k 的變化，k的變化將對凝固組織產(chǎn)生很大影響，樹枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶組織, 枝晶形貌也由樹枝狀轉(zhuǎn)變?yōu)閳A形或近圓形。 第14頁，共22頁。焦耳熱效應(yīng)電流通過金屬熔體時，將產(chǎn)生焦耳熱效應(yīng)，從而將導(dǎo)致熔體溫度的變化，T為式中： 為材料的電阻率, 為熔體的密度，c 為比熱容，t 為通電時間。對于凝固體系來說，焦耳熱相當(dāng)于內(nèi)熱源，它將使凝固系統(tǒng)的整體冷速降低，過冷度減小。對于固液共存的凝固狀態(tài)而言，由于液體金屬的電阻率比同材質(zhì)的固體金屬高數(shù)倍， 所以固相將是電流優(yōu)先選擇的通道, 因而固相內(nèi)產(chǎn)生的熱效應(yīng)將大于相鄰的液相。因此完全有可能導(dǎo)致固相的重熔，降低

9、固液界面的溫度梯度，促進熔體的同時凝固、均勻長大，從而最終的結(jié)晶組織比較細小均勻。 第15頁，共22頁。Peltier 效應(yīng)電導(dǎo)率不同的兩種材料接觸時，接觸面上會有接觸電位差，進而產(chǎn)生了附加的熱量, 這一效應(yīng)被稱為Peltier效應(yīng)，相應(yīng)的這一熱量稱為Peltier 熱，用QP 表示，其大小與通過界面的電流密度j 成正比，其比例系數(shù)稱為Peltier 系數(shù)，如下式。在凝固過程中, 由于固液兩相的電導(dǎo)率存在明顯的差異，所以在電流作用下，固液界面會產(chǎn)生Peltier 效應(yīng)。由此產(chǎn)生的Peltier 熱將導(dǎo)致固液界面上的凸出部分熔化，從而使界面趨于光滑圓整，因此可以理解電流作用將促進球形或準球形晶粒

10、的形成，抑制樹枝晶生長的試驗事實。第16頁，共22頁。由于凝固系統(tǒng)中處于熔點附近的原子實質(zhì)上處于一種近程有序狀態(tài)，當(dāng)電流作用凝固體系時，這些近程有序團的結(jié)構(gòu)、尺寸和數(shù)量都會隨著所加電場的強度、方向而發(fā)生變化, 這種現(xiàn)象稱為起伏效應(yīng)，它包括結(jié)構(gòu)起伏、能量起伏和溫度起伏，而根據(jù)結(jié)晶的熱力學(xué)條件和動力學(xué)條件可知，凝固體系中的結(jié)構(gòu)起伏、能量和溫度起伏都有助于晶體的生長，使凝固方式趨向于勻質(zhì)形核和同時凝固，同時也細化了晶粒。起伏效應(yīng)第17頁，共22頁。2.2 脈沖電流的作用機制磁致收縮效應(yīng)當(dāng)導(dǎo)體中有變化的電流通過時，由于電磁感應(yīng)原理，將產(chǎn)生一個變化的磁場，在磁場的作用下，導(dǎo)電流體會出現(xiàn)向其中心軸收縮的現(xiàn)

11、象，即磁致收縮效應(yīng)。通過計算，單位面積熔體所受到的磁壓力為：式中： 流過熔體的總電流；R為導(dǎo)電熔體的半徑； 為真空磁導(dǎo)率：r為熔體內(nèi)任意一點到軸線的距離。在磁壓力的作用下， 熔體反復(fù)被壓縮(不斷地前進和后退)。熔體的這種運動， 可使熔體迅速失去過熱，從而增加過冷度 將對原子的擴散產(chǎn)生影響； 抑制晶核長大，碎斷樹枝晶。 第18頁，共22頁。脈沖電流的一個顯著特點就是其突變性，作用時間非常短，大概為數(shù)十s 到數(shù)百s 。當(dāng)高充電電壓產(chǎn)生的高密度脈沖電流瞬間通過導(dǎo)電熔體時，將引起大量電子的快速定向漂移，形成強大的沖擊波作用?？梢韵胂?，當(dāng)沖擊波足夠大時，就完全有可能摧毀凝固過程中已經(jīng)開始長大的樹枝晶，產(chǎn)生很多形核質(zhì)心，從而達到細化凝固組織的目的，但目前關(guān)于脈沖電流沖擊波的理論研究還遠遠不夠。沖擊波作用第19頁，共22頁。 電流對金屬的凝固過程可以產(chǎn)生明顯的良性作用，細化晶粒、改善凝固組織、提高力學(xué)性能 凝固前的金屬熔體中存在很多類固相原子團簇，而這些原子團簇將最終影響到凝固組織的優(yōu)劣，如何對這種預(yù)結(jié)晶金屬熔體中的原子團簇進行有效的處理是目前研究和探討的重點。 作為一種新工藝，電流特別是脈沖電流的磁致收縮和沖擊波作用