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第6 3 卷第1 期 2 0l1 年2 月 有色金属 N o n f e I U O U SM e t a l s V 0 1 ．6 3 ，N o ．1 F e b ．20ll D O I 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 0 2 1 1 ．2 0 1 1 ．0 1 ．0 0 4 旋转磁场对A l C u 合金凝固组织动力学行为的影响 杨效田1 ，李霞2 ，李锡恩3 ，李文生1 1 ．兰州理工大学材料科学与工程学院，兰州7 3 0 0 5 0 ； 2 ．兰州交通大学化学与生物 工程学院，兰州7 3 0 0 7 0 ；3 ．兰州商学院教务处，兰州7 3 0 0 0 0 摘要以A I ． 4 ％～5 ％ c u 合金为试验材料，研究旋转磁场环境对A l - c u 合金凝周组织的影响。将装于d d 6 m m 坩埚中 A 1 ．C u 合金在电阻炉中加热熔化。然后迅速放置于旋转磁场之中，让其在旋转磁场巾冷却凝同。采用光学显微镜观察合金凝固组 织变化。结果发现，旋转磁场对合金的凝同组织产生明显的细化效果，使粗大的树枝晶破碎，凝同组织小再是树枝晶结构．而呈现 近等轴晶颗粒。分布较均匀，晶问距也明硅减小。同时发现．不同的磁场强度对合金的凝固组织形貌存不同的影响，从细化晶粒角 度讲．1 0 0 V 电压产生的磁场蛀有利于晶粒细化，过高或过低的磁场强度都不利于晶粒细化。 关键词金属材料；A I - c u 合金；旋转磁场；凝同组织 中图分类号T G I l l ．4文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 l 2 0 1 1 o l 一0 0 1 4 0 5 随着环境科学的发展，现代材料要求经济性、功 能性和环境协调性相统一。围绕这一主题，世界各 国都在大力发展材料的研究和制备新技术。近2 0 年来，物理场处理技术作为一种环保、经济、具有很 大发展潜力的技术备受关注。至今，世界各国科研 人员分别用超声波，电场，磁场以及上述场的混合场 对不同金属的凝固行为做了大量的研究，结果发现， 在合金的凝固过程中施加交、直流电场或磁场，有着 细化晶粒、改善组织的作用，因此受到极大关 注一。’。然而，由于至今对其影响机理没有达到统 一的认识，使该技术没能得到广泛的应用。 A I ．C u 合金尤其是含铜4 ％一5 ％的A I ．C u 合 金，其力学性能优良，完全可替代钢铁材料用于制造 汽车等的结构件，具有很大的市场潜力。采用旋转 磁场对A I ．C u 合金在凝固过程中进行处理，结果取 得了令人满意的效果。 1实验方法 选用结晶温度区间较宽，热裂倾向较大的A l 一 4 ％一5 ％ C u 合金为试验材料，将试验配置好的 材料装于直径1 6 m m 陶瓷管中，在电阻加热炉中加 热熔化，过热至7 5 0 ℃，保温2 0 r a i n ，使合金均匀化， 收稿日期2 0 1 0 0 6 一们 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 0 8 0 4 0 1 9 作者简介杨效田 1 9 7 1 一 。男．甘肃豢安县人，讲师．博士。主要从 事材料制备及表面1 程等方面的研究。 然后迅速取出置于旋转磁场中让其冷却凝固，另一 相同条件下的试样作为对比试样让其在自然条件下 冷却凝固。制成币1 6 m m 5 0 r a m 的试样。在试样制 备过程中从加热开始到凝固采用N i C r 热电偶监控 温度，记录凝固过程温度。自行研制的磁场发生装 置示意如图l 所示。 l 一旋转磁场发乍器；2 一炉体；3 一热电偶 4 一温度记录仪；5 一坩埚；6 一熔融金属液；7 一三相调压器 图l实验装置示意 F i g ．1 S c h e m eo fe x p e r i m e n t a lf a c i l i t y 图l 中旋转磁场由一个5 k W 的三相异步电动 机的定子线圈产生。定子线圈与一个5 k W 的三相 调压器相连接，通过调压器控制电流强度以及改变 磁场强度。该装置还可通过三相电压的换相器改变 旋转磁场的旋转方向。试验中旋转磁场的旋转速率 选用7 8 ．5 r ／s 。每隔Jr a i n 改变1 次旋转方向．磁场 强度通过调节电压来控制。设定电压为5 0 ，1 0 0 ， 1 5 0 V 。 1几’●VJ。阳凶 万方数据 第1 期 扬效口等旋转磁场对A l c u 台盒凝周组织动力学行为的影响 2 试验结果与讨论 首先对试样做X 射线分析。测得c u 质量分数 为42 6 2 ％，符合设定的材料要求。 图2 给出了未经处理的试样的凝固组织。图中 大块的白色相为“- A I 基体，晶界问黑色体为C u A I ， 共晶体组织。这是正常凝固条件下典型的凝固组 织，从图2 可见，树枝晶非常明显，枝晶细长发达。 田2 未经处理的原样的横向组织l1 0 0 x r l g2M e t a l l o g r a p ho rb mr s a m p l eb yr o t a t i n g m a g n e t i ct m a t m e n t 圈3 分别给f } } r 经5 0 ，1 0 0 ，1 5 0 V 旋转磁场处理 后的试样的凝固组织。从图3 可以看出，旋转磁场 改变合金的凝固组织形貌表现非常明显，细小的枝 晶侧臂部分逐渐消失 在1 0 0 V 试样已经看不到枝 晶 。使凝固组织不再表现为树枝晶组织．而呈现 为梅花状和近等轴晶颗粒．而且分布较均匀。同时 发现，加入磁场强度的不同，所得到的凝固组织也不 同。当磁场强度较小，为5 0 V 时，组织相对于原样 相l 大，但已不再表现} I { 树枝品r ，而显玳为粗大的柱 状鼎．丰H 埘原样粗而短，有向等轴晶发展的趋势。当 磁场强度增加到1 0 0 V 时，组织已盟小为排列整齐 的细长柱状品和等轴品。说明礁场强度对粗大柱状 晶进一步破碎细化，使组织变得更加细小。当磁场 强度增加到1 5 0 V 时．树枝晶和柱状晶都不再表现 那么明显，明显向团球状和片状发展。组织比较粗 大。同时图片还显示，5 0 V 和1 5 0 V 时晶粒根部曲率 开始变小．某些枝晶杆部出现凹凸不平，某些枝晶根 部直径缩减，并在金属液流动力作用下发生弯曲．甚 至粗长的枝晶扦也会局部重熔而使其直径缩减并发 生弯曲变形。某些弯雌变形和缩颈严重的枝晶臂在 热扰动和固液相速度差的作用下脱离母体，一些较 大的枝品碎段随流动的金属液流至熔体的其他部 位，成为新的晶核生长成大晶粒。大晶粒周围的许 多小球形晶粒则是由于成分过冷形成的小晶核生长 而成，此时还可观察到某些由弯曲严重的枝晶碎段 因弯曲的两部分互相搭接台并牛长而成的大而圆的 晶粒，其合并生长的痕迹清晰可见。在碎晶生长和 新棱生成和生长的同时，还伴随着细小碎晶的重熔． I O O V 时枝晶已全部碎断和粒化。晶粒几乎全部演 变成球状晶和椭球状晶和短柱状晶，成规律分布在 熔体中。这时可以看到有些柱状晶较细而有些较粗 大．这是由于碎断和合并长大同时进行的结果。固 液相达到平衡．在晶粒碎段生长成大等轴晶的同时． 新结晶的品核则生妊成较小的等轴晶．故熔体内晶 粒尺寸大小不等。试验还发现．当磁场为1 5 0 V 时． 晶粒易在熔体内聚集，分散性转而降低。 3 动力学机理探讨 a ，0 v ． b I c o v ； c 一1 5 0 v 田3 经旋转磁场处理的试样横向组织f 1 0 0 F i B3M e I H ”B “p hc fH n 一日a “p kb ym t a l i n g “a g “e l j ㈨H l I 电磁力通过改变未凝闻金属液的流动情况埘凝 l 嗣组织产生作川“。’～金埔试样熔体披在旋转磁 场中凝周时．金属的内部会产生涡流．这种涡流和磁 场的相互作用会在金属内部产，十一种扭矩。此力矩 反比于试样电I ；【【，假设长为 、p 衽为R 的圆柱体试 样破靠以角速度∞旋转的磁场强耻为Ⅳ的磁场巾 豳”／．、h吖时叮nqH竭魁一耧黼溅戮 万方数据 有色金属 第6 3 卷 心时．试样所受的扭转力矩盯为“M 1 t ／4 I ／ P m L ∥／／。，其中H 与线圈中的电流成正比关系，即 H 4 w n ，／ 1 0 1 k l ，则M Ⅱ／4 J ，口 m 衄4 k 2 I 。， 这里L 为通电线圈蟓线管的长度，P 为熔体电阻．k 4 ．1 t n ／ 1 0 1 ，n 为线圈的匝数。由r 式可知，置于 旋转磁场中的熔体随R 的变化，也随着变化，并月 呈四次方函数瘦化关系。对于熔融的单位d R 处的 体积熔体，随其距中心处的距离币同，则其所受的扭 矩村也不问．这样就会在R 的方向f 备竖直柱面问 存在一个扭矩差d M ” I ／p w L R ’K 2 ，2 d R ，如| 弩I4 所币。 这种扭矩差的存在，叉使并柱面之问存在切向 的速度差“，依牛顿榭i 性体的流变忭，在单位柱面的 单位川妊上，各柱面问的流体可近似看作层流流动。 则流体中的切腑力r 与流培之问的流动法线方向的 遵度梯度成正比⋯，即r t l d v ／d c r ，式巾口为与流 速垂直方向上的流层厚度，即刚中的d R 。或可用r t T d y ／d t 式表示“，式中y 为切向应变。 由此可知，各单位柱面问和各单俄柱面内都存 在切向剪切山．当这种剪切力大到一定值时，即切垃 变达到枝晶碎断值时，就能有力地碎断沿径向 R 方 向 长大的树枝品，同时也破坏r 熔体巾原于刚的 有序排列．抑制原子的脚聚“，使熔体形成更多的 形核质心。 图4 旋转液体单位受力分析 F i g4 F o r c ed i a g r a mo ft o t a l i n gl i q u i d 同时由于切『旬速度的存在，则对单位熔体产生 离心山，这种离心力的大小等于瞬时向心力9 。”1 ， 其大小也随R 的增大．成正比关系，即F ⋯2 ／R m W 。R ．这种离心力的存在．不断使熔体处于向外扩 展的趋势。同时随R 的增大，F ，也相应增大，这样， 一方面使各流团之间产生“松弛力”，使熔体难于形 成大的原子团簇．同时也拉断或切断已形成的桂晶， 亦即使熔体中存在更多的细小的形核质心。另一方 面，由于处于最外层的金属熔体在离心时受到坩埚 壁的阻挡，受到反冲，向内运动，内层熔体紧随向外 冲击，这样层崖挤压，使熔体不断冲刷．混合均匀，并 且这种冲刷混合，同时加大熔体“湍流化”，使各流 团之间沿R 方向产生反复的粘性摩擦阻力”1 ，r ‘ 一州 p 。虬 ／d y ，式中d y 一垂直 纵向 方向的单位 长度，即熔体单位厚度；P 。一密度；虬一径向 R 方 向 速度；s 一湍流黏度。 这种粘性摩擦阻力的存在也有利于抑制和碎断 精纵向和横向生长的枝晶。再者，由于存流团之问 的“松弛”以硬整个熔体中的紊流，增大了熔体热扩 敞牢．可起到快速消散过热的作用。特别是紊流会 造成温度波动，如果波动的振幅较大．则晶粒平均牛 长速度降低，而且使固液界面移动前会出现周期性 的重熔现象。枝晶端部液体紊流所造成的热脉动的 升高．会使枝品臂熔断，并且将断臂带入液体中去， 使液体巾晶粒倍增，而且趋于均匀分布，从而细化品 粘，推动柱晶一等轴晶转J 韭”“”。 舰察已凝吲的试样外观．试样的顶部 为自由 端 有明显的沿嘲l 周方向的流痕．i 『l i 且中心部有下 凹的趋势。这正符合t 述理论的分析。 } 述的讨论足基于电磁搅拌理论从流体动力学 和理论力学角度出发，考虑r 湍流存在下的电磁场 影响合金凝固的理论而作出的分析。事实上电磁场 影响台金凝同的力学因素银多，比如建立在层流基 础上的电磁悬浮理论等，有人做过专门探讨，限于篇 幅，这里不作讨论。 依据理论分析结合试验图片．1 乜磁力对金属液 的作用加速r 金届液的旋转摩擦、剪切．加快散热， 使试样迅速凝固。这样先析出午u 就来不及向树枝品 发展而聚集到一起，在各自的定位置凝固。在金 属液凝嘲生长过程中先结晶块受到旋转金属液流的 冲击，一是难以形成象束加磁场时形成的树枝品，二 足对已形成的部分树枝晶也不断冲击．破碎成型细 小的柱状晶和近等轴晶。随着激磁电压增大．合力 增大，搅拌作用加强，剪切冲刷作用加强，晶粒得到 细化，如1 0 0 v 电压图片所示。然而，当磁场产生的 感鹰电磁力太大时．叉会带动这衅小颗粒往一起聚 集，从而叉会聚集合并生长成大的晶粒，使组织呈现 为片团状。但足，冲刷力仍然存在，所以树技品不能 表现得那么明显。这些现象从所做的试样1 5 0 V 电 压下凝固照片中就可以看出。 另外，当磁场较大时，磁场力使熔体快速流动． 各处温度基本上是均匀的．初生晶可在整个熔体内 同时非均质形核．但彤核后的生长过程则受到流体 万方数据 第1 期杨效H 1 等旋转磁场对A l - c u 合金凝同组织动力学行为的影响 1 7 流动的强烈影响。在晶体的优势生长方向上，生长 排出的溶质很快被流体带走，且由于嘲液界喵的速 度崖，使由溶质二次分配建垃的浓度边界层极薄，引 起的成分过冷度较小，从而使优势牛长方向的生长 速度受到限制，导致非优势生长品向．与优辨生长品 向的生长速度差变小，使品粒按等轴方式生长成球 状或椭球状晶体。棒状品可能是由于在液卡H 线以上 温度开始搅拌熔体时，在剪切速率不很大的条件下， 部分初生晶仍叮能以枝晶形式生长，但在随后的金 属液的冲刷和搓磨作用下，其枝晶臂很快熔蚀或折 断所致。当磁场强度太大，达到1 5 0 V 时，初生晶演 变为团状晶和玫瑰状晶，这是由于交变旋转磁场搅 拌使金属浆料经历了由正向运动到静止再到反向运 动的过程，破坏了原来的稳定流场，使浆料所受的沿 径向分布的剪切速率随时间而变化，在合适的磁场 参数下 1 0 0 V ，这种搅拌制度对初牛卡u 的均匀分布 和整齐排列起到了重要作用，并强化丫流体对初生 晶的冲刷和搓磨作用，减缓了晶粒生长速度并有助 于晶粒的球化。当磁场强度较大时，这种交替磁场 力的变化会瞬时改变晶粒原有的方向性，特别对柱 状6 矗会形成一个旋转力矩。由前面的分析町知，沿 径向各处的电磁强度不同，也就是说沿径向各处的 l ； 粒受到的旋转／J 钳i 不I 司，这样各I ； 粒问会相互碰 撞、挤压、聚集、融合，各6 矗粒f u J 就会搭接合并，所以 1 5 0 V 磁场强度下，组织呈现团状晶和玫瑰状晶。 4结论 未加旋转磁场的窄冷试样的凝同组织表现为树 枝晶发达，枝品相 J { 明显。加入磁场后，组织变得粗 大，组织都有向等轴晶发展的趋势，组织的树枝晶不 再表现得那么明硅。 加入磁场强度的不同，所得到的凝I 1 组织也不 同。当磁场强度较小 5 0 V ，组织相对于原样粗大， 但已不再表现出树枝晶，而I j l 硅示出的短柱状晶相 对原样粗而短，已表现出向等轴晶发展的趋势。当 磁场强度增加到I O O V 时，组织细化，已显示为排列 整齐的柱状晶和等轴晶。而随着磁场强度的进一步 增大，1 5 0 V 时晶粒易在熔体内聚集，分散性转而降 低，明显向团球状和片状发展，组织比较粗大。旋转 磁场的导入会在金属液体内部产生电磁力作用，这 对于晶粒的细化是有作用的。在搅拌过程中，可导 致枝品的熔断、切断。细化晶粒。改变晶粒形貌，推 动枝品向柱晶、等轴晶转变。 参考文献 [ 1 】罗大伟，郭 进，阎志明，等．强磁场下A I ．M n 合金凝固过程的研究[ J ] ．稀有金属材料与工程，2 0 0 9 ，3 8 s 1 5 5 3 5 5 6 ． [ 2 ] 班春燕，陈丹丹，韩逸．等．强磁场对A I ．2 ．8 9 ％F e 合金凝固组织的影响[ J ] ．金属学报，2 0 0 8 ，4 4 9 1 0 1 2 2 4 1 2 3 0 ． [ 3 ] 杨院生．刘清民．焦育宁，等．液态金属电磁场离心凝固的力场分析[ J ] ．金属学报。1 9 9 4 ，3 0 1 7 2 0 8 2 1 2 ． [ 4 ] 龙春仙，班春燕。巴启先，等．电磁场对A I 一1 8 ％S i 合金凝吲组织的影响[ J ] ．铸造2 0 0 6 ．5 5 7 7 3 9 7 4 1 ． 【5 ] 范金辉，翟稿杰．物理场对金属凝阔组织的影响 J ] ．中国有色金属学报，2 0 0 0 ．1 2 s 1 l l 1 7 ． [ 6 ] X UG u a n g j i 。W A N GZ h i h u a ．Y I NJ i a n j u n 。e la 1 ．E f f e c to fR e t a n g l ew a v ep u l s ec u r r e n to ns o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r eo fZ A 2 7a l l o y [ J 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dB i o l o g i c a lE n g i n e e r i n g ，L a n z h o uJ i a o t o n gU n i v e r s i t y ，L a n z h o u7 3 0 0 5 0C h i n a ； 3 ．A c a d e ，n i cA d m i n i s t r a t i o n ．L a n z h o uU n i v e r s i t yo fF i n a n c ea n dE c o n o m i c s ，L a n z h o u7 3 0 0 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t W i t hA I ． 4 ％～％5 C ua l l o ya se x p e r i m e n tm a t e r i a l ，t h ee f f e c to fr o t a t i n gm a g n e t i cf i e l do nt h es o l i d i f i c a t i o n s t r u c t u r ei si n v e s t i g a t e d ．T h et e s tm a t e r i a lk e p ti nc e r a m i ct u b eo f 1 6 m mi sh e a t e dt om e l ti nr e s i s t a n c e 。h e a t e d f u m a c e ．a n dt h e ni sq u i c k l yr e m o v e di n t ot h er o t a t i n gm a g n e t i cf i e l da l l o w i n g t os o l i d i f y ．T h es o l i d i f i c a t i o n s t r u c t u r ei so b s e r v e db yt h eo p t i c a lm i c r o s c o p e ．T h er e s u l t ss h o wt h a t t h es o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r eo ft h ea l l o yi s e v i d e n t l yr e f i n e dw i t hr o t a t i n gm a g n e t i cf i e l d ．T h es t r u c t u r ei sc h a n g e df r o mc o l u m n a rs t r u c t u r ei n t on e a r 。e q u i a x e d c r y s t a lo rp a r t i c l ea sf l o w e r ，a tt h es a m et i m e ，t h ep a r t i a la r n ls p a c i n gi sc l e a r l yr e d u c e d ．T h ed i f f e r e n te f f e c to nt h e s o l i d i f i c a t i o ns t r u c t u r ecanb ea c h i e v e dw i t ht h ed i f f e r e n tm a g n e t i cf i e l ds t r e n g t ha n dt h em a g n e t i cf i e l ds t r e n g t h g e n e r a t e db yt h ev o l t a g eo fIO O Vi so p t i m a l ，b u tt h eo v e r t o p o ru n d e rm a g n e t i cf i e l ds t r e n g t hi st h ed i s a d v a n t a g ef o r r e f i n i n gg r a i n s ．． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；r o t a t i n gm a g n e t i cf i e l d ；A I C ua l l o y ；s o l i d i f i c a t i o n s t r u c t u r e 上接第1 3 页，C o n t i n u e df r o mP 1 3 D e f o r m a t i o nB e h a v i o u ra n dM i c r o s t r u c t u r eC h a r a c t e r i s t i co fH 6 2B r a s sA l l o y D u r i n gC o n t i n u o u sE x t r u s i o nP r o c e s s S U IX i a n ．S O N GB a o y u n ，L IB i n g ，Y U NX i n b i n g S c h o o lo fM a t e r i a l sS c i e n c e ＆E n g i n e e r i n g ．D a l i a nJ m o w n gU n i v e r s i t y ，D a l i a n1 16 0 2 8 ，L i a o n i n g ，C h i n a A b s t r a c t T h ed e f o 珊a t i o nb e h a v i o ro fH 6 2b r a s sa l l o yi nt h ec o n t i n u o u se x t r u s i o np r o c e s si si n v e s t i g a t e d ，a n d t h e m i c r o s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i ci sa n a l y z e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tm e t a lf l o wi nt h ec o n t i n u o u se x t r u s i o np r o c e s si s d i f l ．e r e n tf 而mc o n v e n t i o n a le x t r u s i o n ．T h e r ei sas e v e rs h e a rb a n di np l a s t i cd e f o r m a t i o nz o n e ． W i t hd e f o r m a t i o n a n dt e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g ．t I l ed y n a m i cc r y s t a l l i z a t i o ni sd e m o n s t r a t e d ．T h eh o m o g e n e o u sg r a i nc anb ea c h i e v e d T h en o n - u n i f o r m i t yo fp l a s t i cd e f o r m a t i o ni sd e c r e a s e d ，a n d i n t e r - m e t a l b i n d i n gc a p a c i t y i se n h a n c e m e n t ． C o n t i n u o u se x t r u s i o ni m p r o v e dm i c r o s t r u c t u r eo fm a t e r i a le f f e c t i v e l y ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；H 6 2b r a s sa l l o y ；c o n t i n u o u se x t r u s i o n ；d e f o r m a t i o nb e h a v i o r 万方数据
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