電磁分離技術(shù)綜述

電磁分離制備顆粒增強金屬基復(fù)合材料綜述1電磁分離的原理自1954年Leenov等［1］提出電磁力對導(dǎo)電流體中非導(dǎo)電物體能產(chǎn)生擠壓作用而使其與熔體分離這一理論以來，電磁凈化技術(shù)發(fā)展引起人們越來越多的關(guān)注.置于電磁場中的熔體將受到電磁力的作用，當(dāng)浸沒于熔體內(nèi)的異質(zhì)相顆粒導(dǎo)電性較差時，顆粒內(nèi)部、顆粒周圍與熔體內(nèi)的電流分布不同致使異質(zhì)相顆粒和熔體受到的電磁力大小不同，因此異質(zhì)相顆粒在熔體內(nèi)受到某一方向合力而在熔體中定向運動，異質(zhì)顆粒受到的力被稱為電磁斥力，其受力示意圖如圖1所示［2］。在熔體中形成壓力梯度，導(dǎo)電率小的顆粒受到擠壓而向外表面產(chǎn)生遷移和富集，最終分布在鑄件的表面。。一電磁力?—電磁斥力圖1電磁場熔體內(nèi)異質(zhì)顆粒受力示意圖：B磁場.I電流Fig.1Schemeofthefor<esontheparti<lesinthemullL］】alunderrniniignLli「field:Bisiffieldajn!IlIhTric「umnlLeenOV在假定一個導(dǎo)電率如的固體球粒子浸沒在一個導(dǎo)電率為乃勺流體中，在電磁場的作用下推導(dǎo)出球體粒子所受的合力為:3。一。一"2乂（2^）x/pf其中電磁壓力：手=-里2日02電磁分離技術(shù)的工藝方案近年來，電磁分離凈化技術(shù)得到了一定程度的完善，不同形式電磁場的金屬熔體凈化處理方案有直流電場正交穩(wěn)恒磁場［2］、交流電場［3］、交變磁場［4、5］、行波磁場［6、7］以及超強磁場［8、9］等.在這些分離方案中，外加交變磁場是實施起來最方便的一種，這種方案不需要在熔體中通入電流，沒有電極污染問題，而且分離效率受夾雜顆粒粒徑影響最小.利用外加高頻交變磁場凈化鋁合金的工藝最早是由El-Kaddah等提出的，這是一種從單側(cè)施加磁場的方法，其優(yōu)點是外加磁場的施加以及磁感應(yīng)強度的大小可以通過電源來調(diào)節(jié)，使用方便，但是在集膚層區(qū)域以外作用力比較小，夾雜的分離比較困難.Yamao等［4］從理論上論證了利用線圈感應(yīng)磁場進行電磁分離的可操作性。電磁分離方法制備的原位梯度材料主要有兩種：圓棒狀（或管狀）和塊狀梯度材料［10］。圓棒狀原位梯度材料是將交變電流通入圓柱狀感應(yīng)線圈內(nèi)，從而在置于感應(yīng)線圈內(nèi)的熔體中產(chǎn)生交變電磁場來制備原位梯度材料，制備示意圖如圖2a所示。而塊狀梯度材料是將通電熔體置于穩(wěn)恒磁場中，磁場與電流正交從而在熔體中產(chǎn)生洛倫茲力來制備梯度材料，制備示意圖如圖2b所示。

HhhIM.H?-l*<M*hw.H.ri*ls(運F.E1：4-七壬志*d：*](H)，棒狀琲度材料(b)墳狀枚段"叫圖2電磁分離制備原位梯度材料原理示意圖Fig.2Processprinciple(>f]>iv])arallojiursilnFGMs]>v^l^clrojnagji^licse^jmralioJijnelhijd:(a)i..yluidricalFGMs(]>)R^dajigularF(；Ms直流電場正交穩(wěn)恒磁場是應(yīng)用最早的工藝方案。這種方法的優(yōu)點是電流和磁場施加方便，易于改變電磁力的大小，且不存在電場和磁場的藕合問題；不足之處是需在熔融金屬中插入電極，易對熔體產(chǎn)生浸漬污染，且只能制成線性梯度的顆粒分布，這限制了該方法的應(yīng)用。交流電場的方案的優(yōu)點是不需外加磁場，可采用工頻電源，且相比于正交的電場和磁場的方案，夾雜遷移距離短，分離器利用率高；但缺點是為了有效去除細(xì)小夾雜物(l~20〃m)，需要通過大的交變電流，但在大的交變電流下熔體的流動為紊流，分離效率、能量的利用率低。交變磁場方案去除效率對顆粒尺寸的依賴性很小，更適合分離小尺寸夾雜；無需另設(shè)回路來導(dǎo)通外加電流或感生電流，易于實施，無需引入電極，不產(chǎn)生電極污染，是無接觸的潔凈處理過程，磁感應(yīng)強度大小調(diào)節(jié)方便。因此有著良好的應(yīng)用前景。HhhIM.H?-l*<M*hw.H.ri*ls(運F.E1：4-七壬志*d：*](H)，棒狀琲度材料(b)墳狀枚段"叫3使用交變磁場的電磁分離技術(shù)的進展中頻［11］、高頻［12］交流磁場都被應(yīng)用于SiC顆粒增強的鋁基圓柱形鑄件的制備。高頻(30KHZ-200KHZ)的應(yīng)用減小了透入深度及電磁力作用區(qū)域，只能在表面得到很薄的顆粒聚集層。降低頻率至3KHZ增加了作用深度，然而卻引起了金屬液體的激烈攪拌，阻礙了顆粒沿指定方向的遷移。SlawomirGolak等［13］使用間歇交變磁場來解決這一問題，粘滯力減慢金屬流動，但是充模后金屬長時間保持液體狀態(tài)，重力沉積帶來了負(fù)面影響。SlawomirGolak等的另一篇文獻里［14］，利用在模具上添加導(dǎo)體單元、拋物線型線圈等措施獲得更均勻的磁場分布，從而減弱液體的攪拌流動。GatingsystemNonconduciivcmoldCastingConductiveelementsofthemold陳東風(fēng)[15]等在電磁凈化金屬熔體研究的基礎(chǔ)上，進一步研究了電磁凈化在制備表層復(fù)合材料方面的應(yīng)用，選用Al-5%Fe合金熔體，加人Mn做變質(zhì)劑來改變鐵相的形態(tài)，通過改變施加高頻磁場時間的長短來控制富鐵相在熔體中沿徑向的遷移，使之在電磁力的作用下遷移到表層，制取預(yù)想的自生表層復(fù)合材料。GatingsystemNonconduciivcmoldCastingConductiveelementsofthemoldLEENOVD,KOLINA.Theoryofelectromagnetophoresis.I.Magnetohydrodynamicforcesexperiencedbysphericalandsymmetricallyorientedcylindricalparticles[J].JChemPhys,1954,22(4):683-688.張國志，辛啟斌,張輝彥，等.關(guān)于液態(tài)金屬電磁凈化的討論[J].材料與冶金學(xué)報,2002,1(1):31-35.楊桂香，錢熔，倪紅軍.利用高頻磁場連續(xù)分離鋁熔體中夾雜物的理論分析[J].鋁加工，2002,25(3):1-3,49.YAMAOF,SASSAK,IWAIK,etal.Separationofinclusionsinliquidmetalusingfixedalternatingmagneticfield[J].Tetsu-to-Hagane,1997,83(1):30-35.鐘云波，任忠鳴，鄧康，等.行波磁場凈化液態(tài)金屬時矩形管及三角形管內(nèi)夾雜去除效率的理論解析[J].金屬學(xué)報，1999,35(5):503-508.翟秀靜，范立志，孫中祺，等.電磁分離鋁熔體中不同粒徑夾雜顆粒的研究[J].分子科學(xué)學(xué)報，2001,17(1):23-26.鐘云波，任忠鳴，鄧康，等.行波磁場凈化液體金屬的電磁力參數(shù)[J].中國有色金屬學(xué)報,1999,9(3):482-487.鐘云波,任忠鳴，鄧康,等.金屬凈化技術(shù)的一種革命性方法一一電磁凈化法[J].包頭鋼鐵學(xué)院學(xué)報，1999,18(9):363-368.BEATRICEP,PASCALEG.Electromagneticparticleseparationfromconductingliquidflowsusinghighstaticmagneticfield[A].TheSeventhSymposiumofEPM[C].Paris:[sn],1997.97-102宋長江，電磁分離制備原位梯度材料，鑄造技術(shù)，2009,Vol.30No.5:674-677.K.TakahashiandS.Taniguchi,“Fabricationofaluminium-matrixcompositeslocallyreinforcedwithSiCparticlesbyusingelectromagneticforc”,J.Jpn.Inst.LightMetals,vol.55,no.10,pp.483-488,2005.Y.Kanno,S.Taniguchi,S.Shimasaki,andN.Yoshikava,“Fabricationofaluminum-matrixcompositeslocallyreinforcedwithSiCparticlesbyusingintermittentA.C.magneticfield,”J.Jpn.Inst.LightMetals,vol.57,no.1,pp.12-18,2007.A.Konrad,“Thenumericalsolutionofsteady-stateskineffectproblems-Anintergrodifferentialapproach,”IEEETrans.Magn.,vol.MAG-17,no.1,pp.1148-1152,Jan.1981.SlawomirGolak,RomanPrzylucki.HomogenizationofElectromagneticForceFieldDuringCastingofFunctionallyGradedComposites.IEEETRANSACTIONSONMAGNETICS[J].2011,47(12):4701-4706.陳東風(fēng)，曹志強，張婷，楊森電磁分離制備過共晶AI-5%Fe自生表層復(fù)合材料.功能