水平電磁連鑄鉛白銅棒材的組織演變

水平電磁連鑄鉛白銅棒材的組織演變

鉛白銅組合的主要成分是銅、鋅、銅。含鉛白銅具有良好的物理性和切割性，耐腐蝕性好，加工成型好。它是制造設(shè)備、財(cái)力、日用品、通信等常用材料。然而,因?yàn)椴牧现衅ЫM織鉛的存在,使其進(jìn)行熱塑性加工困難,但是用傳統(tǒng)的冷加工方法又不經(jīng)濟(jì)。于是人們寄希望于水平連鑄方法。但是,水平連鑄工藝的影響因素較多,傳統(tǒng)的水平連鑄工藝生產(chǎn)的鑄坯因無二次冷水,不可避免地存在晶粒粗大、組織及合金元素分布不均勻等缺陷,嚴(yán)重制約著鑄坯質(zhì)量的提高。因此,深入研究鉛白銅水平電磁連鑄技術(shù),對改善其質(zhì)量等具有重要意義。電磁場的特點(diǎn)有傳遞的能流密度大、無接觸、可控制等。隨著電磁技術(shù)和水平連鑄技術(shù)的發(fā)展,電磁場逐漸被應(yīng)用到水平連鑄過程中。近年來,電磁技術(shù)廣泛地被用于控制液態(tài)金屬的流動(dòng)及凝固成型,許多從事這方面研究的學(xué)者都取得了不錯(cuò)的成果?；陔姶艌鲈诟纳撇牧辖M織、性能方面的優(yōu)勢,為了生產(chǎn)高致密鑄坯,改善鑄坯組織性能,優(yōu)化鑄造工藝,本實(shí)驗(yàn)通過研究在水平連鑄過程中施加不同頻率、強(qiáng)度的電磁場對鉛白銅棒材組織和鉛元素偏析的影響規(guī)律,總結(jié)出最佳工藝參數(shù),為生產(chǎn)高質(zhì)量的鉛白銅鑄坯提供技術(shù)支撐。1試驗(yàn)過程及試驗(yàn)結(jié)果當(dāng)電磁場以一定的速度切割液態(tài)金屬時(shí),便產(chǎn)生感應(yīng)電流,這時(shí)液態(tài)金屬相當(dāng)于載流導(dǎo)體,在外加電磁場的作用下產(chǎn)生洛倫茲力,該力能夠驅(qū)使其實(shí)現(xiàn)有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)。電磁攪拌技術(shù)的實(shí)質(zhì),是借助洛倫茲力的作用強(qiáng)化鑄坯液穴中金屬液的運(yùn)動(dòng),通過改善凝固過程中液態(tài)金屬的流場、溫度場來細(xì)化晶粒、增加等軸晶率、減少偏析等,從而提高鑄坯的質(zhì)量。在本次試驗(yàn)時(shí),主要考察利用水平電磁連鑄的方法生產(chǎn)出規(guī)格為直徑Φ200mm的圓錠的組織性能變化,重點(diǎn)研究不同電磁場頻率和強(qiáng)度對合金棒材宏觀組織及鉛元素偏析的影響。試驗(yàn)時(shí)固定拉坯速度為32.24mm/min,一次冷卻水流量為6~8m3/min,無二次冷卻水,以避免鑄坯產(chǎn)生熱裂。施加電磁場后爐溫一度下降達(dá)到850℃,后陸續(xù)升高到980℃,然后進(jìn)行水平電磁連鑄得到橫截面直徑為Φ200mm的細(xì)晶組織鑄坯。試驗(yàn)過程中,頻率分別選取10、25、30、40、50Hz5個(gè)值,電流強(qiáng)度分別取120、160和200A3個(gè)值,共獲取15組數(shù)據(jù)對應(yīng)的試驗(yàn)鑄坯。試驗(yàn)后對每一組工藝參數(shù)下的鑄錠分別取樣(另外還截取1個(gè)未施加電磁場的試樣),進(jìn)行宏觀組織和合金元素Pb的分布分析,其中宏觀組織試樣均取自鑄坯橫截面,經(jīng)粗磨、精磨、拋光后用40%的HNO3水溶液腐蝕,直接拍照觀察,照片的上下部對應(yīng)鑄坯的上下部。本試驗(yàn)所用鉛白銅合金材料所含合金元素主要有Cu、Ni、Co、Zn、Pb、Mn,其化學(xué)成分及含量見表1。2結(jié)果和分析2.1磁體對合金鑄造軸的宏觀組織的影響2.1.1電磁對鑄錠晶的作用和組織的影響固定其他工藝參數(shù),考查電磁場強(qiáng)度對鉛白銅棒材凝固組織的影響,得出當(dāng)頻率為30Hz時(shí)的組織最佳,為考察分析方便,這里選擇頻率為30Hz的組織重點(diǎn)進(jìn)行分析,結(jié)果如圖1所示。圖1a是未施加電磁場時(shí)鉛白銅棒材橫截面的宏觀凝固組織。在未施加電磁時(shí),金屬液主要通過自然對流和熱傳導(dǎo)向結(jié)晶器散發(fā)熱量,由于冷卻水的激冷作用,在鑄錠中存在很大的溫度梯度。因此,除了鑄錠外側(cè)由于激冷作用產(chǎn)生少量的等軸晶外,整個(gè)橫截面上基本都是柱狀晶,鑄錠橫截面上方是細(xì)小的柱狀晶,下方是粗大的柱狀晶,穿晶現(xiàn)象很明顯。并且凝固組織周向均勻性很差,最后凝固點(diǎn)位置在橫截面幾何中心向上偏移11.5cm處。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是由于在水平連鑄過程中,由于受重力的作用,鑄錠頂部區(qū)域與石墨模具之間產(chǎn)生的氣隙大大地增加了熱傳導(dǎo)時(shí)的熱阻,使鑄錠頂部區(qū)域的溫度梯度降低,故頂部區(qū)域出現(xiàn)細(xì)小的柱狀晶;而在鑄錠的底部區(qū)域,冷卻水對其產(chǎn)生很大的溫度梯度,促進(jìn)了柱狀晶的生長,故鑄錠底部區(qū)域都是粗大的柱狀晶。同時(shí)由于重力使鑄錠下表面與結(jié)晶器間的接觸壓力大于鑄錠上表面,于是鑄錠下表面的冷卻強(qiáng)度大于上表面,因此底部區(qū)域晶粒的生長速度較大,這樣便造成了最后凝固點(diǎn)位置的上移。當(dāng)施加了電磁場后,組織主要由等軸晶組成,最后凝固點(diǎn)由靠近上表面(幾何中心上方11.5cm處)下移到鑄錠中心位置。當(dāng)電流強(qiáng)度為120A時(shí),鑄錠熔池內(nèi)的電磁力尚弱,電磁攪拌強(qiáng)度不足,故鑄錠中尚有少量柱狀晶存在,如圖1b所示。當(dāng)強(qiáng)度增大到160A時(shí),攪拌作用增大,使凝固界面前沿的溫度梯度逐步降低,進(jìn)而可有效抑制柱狀晶生長和擴(kuò)大等軸晶區(qū),鑄錠橫截面幾乎全部為均勻細(xì)小的等軸晶,如圖1c所示。當(dāng)強(qiáng)度超過200A時(shí)試樣宏觀組織中出現(xiàn)少量細(xì)柱狀晶,這是因?yàn)殡S著電流強(qiáng)度的增加,凝固殼重熔、移出攪拌器外側(cè),結(jié)果攪拌速度反而降低,并且此時(shí)由于高溫熔體的作用,部分形核核心被重熔,細(xì)化作用受到抑制,如圖1d所示?？傊?施加電磁場后,由于電磁場與熔體內(nèi)部產(chǎn)生的感應(yīng)電流的相互作用,在熔體中產(chǎn)生洛倫茲力。它使液態(tài)金屬發(fā)生強(qiáng)制對流,一方面抵消了重力對凝固結(jié)晶過程的影響,加速了熔池內(nèi)部的熱量交換,同時(shí)感生電流在鑄坯表層產(chǎn)生感應(yīng)加熱,使熔池內(nèi)部溫度分布趨于均勻,凝固界面前沿的溫度梯度和成分過冷減小,削弱了枝晶生長條件,益于等軸晶生長;另一方面金屬液的對流沖刷以及攪拌還促使了結(jié)晶器壁晶粒的游離,使凝固界面前沿的枝晶產(chǎn)生局部的溫度起伏,造成枝晶易被折斷和熔斷,成為新的彌散晶核,晶粒在游離過程中,受到溫度和成分?jǐn)_動(dòng)的作用,易發(fā)生枝晶重熔,游離晶粒間同時(shí)還會(huì)發(fā)生相互碰撞磨圓、碰撞粘合和自旋運(yùn)動(dòng),使其生長表現(xiàn)出各向同性,最終在較低的溫度梯度下同時(shí)凝固,促進(jìn)了柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變,最終組織表現(xiàn)為均勻細(xì)小的等軸晶。2.1.2不同頻率對織機(jī)組織的影響考查電磁場頻率對鉛白銅棒材凝固組織的影響,在所做的電流強(qiáng)度分別為120,160,200A的幾組對比實(shí)驗(yàn)中,選擇攪拌效果最好的160A的組織進(jìn)行分析,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知,在電磁場作用下,鑄坯宏觀組織明顯細(xì)化,且分布變得均勻。當(dāng)頻率為50Hz時(shí),晶粒雖然不是特別粗大,但尚有枝晶組織存在,如圖2a所示。當(dāng)頻率下降到40Hz時(shí),枝晶的尺寸明顯減小,并且數(shù)量增加,如圖2b所示。當(dāng)頻率為30Hz時(shí),獲得了細(xì)小均勻的組織,如圖2c所示。但進(jìn)一步降到25和10Hz時(shí),獲得的組織又不如30Hz的好,如圖2d、2e所示。這是因?yàn)榇鸥袘?yīng)強(qiáng)度在金屬熔體中隨頻率而降低,電磁攪拌力也降低了。當(dāng)頻率f較高時(shí),電磁場的集膚深度δ很小,電磁力主要集中于熔體的表面附近區(qū)域。于是在相同電流強(qiáng)度下,對熔體內(nèi)部的強(qiáng)制對流作用也較弱。隨著頻率的降低,集膚深度δ逐漸增加,電磁場對熔體的攪拌作用范圍隨之逐漸增大。當(dāng)頻率進(jìn)一步降低至10Hz時(shí),熔體內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化率逐漸下降,電磁場的分布雖然趨近均勻,但其強(qiáng)迫對流作用也相應(yīng)減弱,晶粒的細(xì)化效果變得不明顯。因此,在電磁場強(qiáng)度一定的情況下,可以通過調(diào)節(jié)頻率的值,在熔體中獲最大的磁感應(yīng)強(qiáng)度,使電磁場的攪拌作用最強(qiáng),從而可以最大程度改善鑄錠組織。本次試驗(yàn)得出,電流強(qiáng)度為160A時(shí)的組織最優(yōu),而最佳的頻率范圍為25~30Hz。2.2pb在連鑄過程中的分布圖3為施加電磁場前后鉛白銅鑄坯橫截面鉛分布的情況。圖3a,3b,3c為未加電磁場時(shí)上中下3個(gè)部位Pb的分布狀況,可見未攪拌時(shí)鑄錠橫截面下方枝晶發(fā)達(dá),Pb主要沿柱狀晶方向定向排列,由于晶粒較粗大,Pb顆粒尺寸也較大;施加磁場后,Pb顆粒明顯變小,柱狀晶消失,Pb分布均勻而無方向性。仔細(xì)研究還發(fā)現(xiàn),常規(guī)水平連鑄時(shí),Pb在橫截面上沿徑向方向上的分布大致呈現(xiàn)出表面及鄰近芯部區(qū)域含量偏高,芯部及內(nèi)側(cè)臨近表面區(qū)域含量偏低的情形,同時(shí)橫截面下半部分的Pb含量較高,這種現(xiàn)象是負(fù)偏析和比重偏析的共同作用。由前面分析可知,水平連鑄時(shí),合金凝固易形成粗大的樹枝晶,由于枝晶相互交錯(cuò)形成較大的晶間通道,Pb便富集于這些晶間通道內(nèi)。當(dāng)鑄坯受冷收縮時(shí),在凝固收縮力和液態(tài)金屬靜壓力等的共同作用下,內(nèi)部富含Pb的液相便通過晶間通道流向鑄坯邊部,形成比較嚴(yán)重的反偏析。圖3d,3e,3f為電磁場作用下Pb的分布情況,可知在施加了電磁場后,Pb在鑄錠中的分布趨于均勻,宏觀偏析得到了抑制。當(dāng)施加160A的電磁場后,組織發(fā)生了由粗大的柱狀晶向細(xì)小的等軸晶的轉(zhuǎn)變,組織的非枝晶化程度提高,晶粒明顯細(xì)化,這不僅減弱了枝晶偏析,而且使粗大枝晶的枝晶臂相互“搭接”形成的晶間通道大量減少,使內(nèi)部富含Pb的液相流向鑄坯邊部的阻力大大增加,抑制了熔體在兩相區(qū)內(nèi)的遠(yuǎn)程流動(dòng),從而抑制了反偏析。3不同電磁場強(qiáng)度和頻率下,各有作用1)鉛白銅在普通水平連鑄過程中,鑄錠上下表面組織不均勻,最后凝