旋转磁场对Al_Cu合金凝固组织动力学行为的影响

第63卷 第1期2011年2月有 色 金 属Non ferrou sM etal sVol 63,N o 1 Feb .2011DO I :10.3969/j .iss n.1001-0211.2011.01.004旋转磁场对A l Cu 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730050; 2.兰州交通大学化学与生物工程学院,兰州730070; 3.兰州商学院教务处,兰州730000)摘 要:以A l (4%~5%)Cu 合金为试验材料,研究旋转磁场环境对A l Cu 合金凝固组织的影响。

将装于 16mm 坩埚中A l Cu 合金在电阻炉中加热熔化,然后迅速放置于旋转磁场之中,让其在旋转磁场中冷却凝固。

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固组织产生明显的细化效果,使粗大的树枝晶破碎,凝固组织不再是树枝晶结构,而呈现近等轴晶颗粒,分布较均匀,晶间距也明显减小。

同时发现,不同的磁场强度对合金的凝固组织形貌有不同的影响,从细化晶粒角度讲,100V 电压产生的磁场最有利于晶粒细化,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 l Cu 合金;旋转磁场;凝固组织中图分类号:TG111 4 文献标识码:A 文章编号:1001-0211(2011)01-0014-05收稿日期:2010-06-01基金项目:国家自然科学基金资助项目(50804019)作者简介:杨效田(1971-),男,甘肃秦安县人,讲师,博士,主要从事材料制备及表面工程等方面的研究。

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20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[1-5]。

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 l Cu 合金尤其是含铜4%~5%的A l Cu 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 l Cu 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 (4%~5%)Cu 合金为试验材料,将试验配置好的材料装于直径16mm 陶瓷管中,在电阻加热炉中加热熔化,过热至750 ,保温20m i n ,使合金均匀化,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 16mm 50mm 的试样。

在试样制备过程中从加热开始到凝固采用N i Cr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1所示。

1-旋转磁场发生器;2-炉体;3-热电偶;4-温度记录仪;5-坩埚;6-熔融金属液;7-三相调压器图1 实验装置示意F i g 1 Sche m e of experi m enta l facility图1中旋转磁场由一个5k W 的三相异步电动机的定子线圈产生。

定子线圈与一个5k 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78 5r /s 。

每隔lm 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50,100,150V 。

2 试验结果与讨论首先对试样做X 射线分析。

测得Cu 质量分数为4 262%,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 l 基体,晶界间黑色体为CuA l 2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。

图2 未经处理的原样的横向组织(100 )F i g 2 M e tall ograph of fore sa m ple by ro tati ngm agnetic treat m ent图3分别给出了经50,100,150V 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100V 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50V 时,组织相对于原样粗大,但已不再表现出树枝晶了,而显示为粗大的柱状晶,相对原样粗而短,有向等轴晶发展的趋势。

当磁场强度增加到100V 时,组织已显示为排列整齐的细长柱状晶和等轴晶。

说明磁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150V 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,50V 和150V 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,甚至粗长的枝晶杆也会局部重熔而使其直径缩减并发生弯曲变形。

某些弯曲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,一些较大的枝晶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合并生长而成的大而圆的晶粒,其合并生长的痕迹清晰可见。

在碎晶生长和新核生成和生长的同时,还伴随着细小碎晶的重熔,100V 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,新结晶的晶核则生长成较小的等轴晶,故熔体内晶粒尺寸大小不等。

试验还发现,当磁场为150V 时,晶粒易在熔体内聚集,分散性转而降低。

(a)-50V ;(b )-100V;(c)-150V图3 经旋转磁场处理的试样横向组织(100 )F i g 3 M e tall ograph of a ft sa m ple by rota ti ng m agnetic treat m ent3 动力学机理探讨电磁力通过改变未凝固金属液的流动情况对凝固组织产生作用[6]。

当金属试样熔体放在旋转磁场中凝固时,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生一种扭矩。

此力矩反比于试样电阻,假设长为L,半径为R 的圆柱体试样放在以角速度 旋转的磁场强度为H 的磁场中15第1期 杨效田等:旋转磁场对A l Cu 合金凝固组织动力学行为的影响心时,试样所受的扭转力矩M 为[7]M =( /4)(1/) LR 4H 2,其中H 与线圈中的电流成正比关系,即H =4 nI /(10l)=kI ,则M =( /4)(1/ ) LR 4k 2I 2,这里L 为通电线圈螺线管的长度, 为熔体电阻,k =4 n /(10l),n 为线圈的匝数。

由上式可知,置于旋转磁场中的熔体随R 的变化,也随着变化,并且呈四次方函数变化关系。

对于熔融的单位d R 处的体积熔体,随其距中心处的距离不同,则其所受的扭矩M 也不同,这样就会在R 的方向上各竖直柱面间存在一个扭矩差d M = (1/ )wLR 3K 2I 2d R ,如图4所示。

这种扭矩差的存在,又使各柱面之间存在切向的速度差v ,依牛顿粘性体的流变性,在单位柱面的单位周长上,各柱面间的流体可近似看作层流流动。

则流体中的切应力 与流层之间的流动法线方向的速度梯度成正比[8],即 = d v /d ,式中 为与流速垂直方向上的流层厚度,即图中的d R 。

或可用 = d /d t 式表示[8],式中 为切向应变。

由此可知,各单位柱面间和各单位柱面内都存在切向剪切力,当这种剪切力大到一定值时,即切应变达到枝晶碎断值时,就能有力地碎断沿径向(R 方向)长大的树枝晶,同时也破坏了熔体中原子团的有序排列,抑制原子的团聚[6],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 ig .4 F orce d i agra m o f rotati ng li qu i d同时由于切向速度的存在,则对单位熔体产生离心力,这种离心力的大小等于瞬时向心力[9-12],其大小也随R 的增大,成正比关系,即F r =m v 2/R =mW 2R 。

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 r 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枝晶,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,这样层层挤压,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[13], e=- d( e v )/dy ,式中:dy-垂直(纵向)方向的单位长度,即熔体单位厚度; e -密度;v -径向(R 方向)速度; -湍流黏度。

这种粘性摩擦阻力的存在也有利于抑制和碎断沿纵向和横向生长的枝晶。

再者,由于各流团之间的 松弛 以及整个熔体中的紊流,增大了熔体热扩散率,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,则晶粒平均生长速度降低,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,会使枝晶臂熔断,并且将断臂带入液体中去,使液体中晶粒倍增,而且趋于均匀分布,从而细化晶粒,推动柱晶 等轴晶转变[13-17]。

观察已凝固的试样外观,试样的顶部(为自由端)有明显的沿圆周方向的流痕,而且中心部有下凹的趋势。

这正符合上述理论的分析。

上述的讨论是基于电磁搅拌理论从流体动力学和理论力学角度出发,考虑了湍流存在下的电磁场影响合金凝固的理论而作出的分析。

事实上电磁场影响合金凝固的力学因素很多,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,电磁力对金属液的作用加速了金属液的旋转摩擦、剪切、加快散热,使试样迅速凝固。

这样先析出相就来不及向树枝晶发展而聚集到一起,在各自的一定位置凝固。