外加电磁场对半连续铸造7075铝合金宏观偏析规律的影响

线高度减小, 减弱了一次冷却强度, 使初生凝固壳 形成位置下降 垂直分量在熔体内部形成有旋力
场, 从而产生强迫对流, 将内部的高温熔体带向表
面, 使整个熔体内部的温度梯度减小、液穴变浅,
通过枝晶重熔效应将初生凝固壳处熔断的枝晶臂
带入熔体内部, 促进了异质形核, 从而有效地细化
了晶粒, 扩大了等轴晶区, 以上作用均有利于消除 溶质元素的反偏析[ 1, 8] 图 3 给出了感应线圈中
图 2 无电磁场条件下 Zn 元素沿铸锭半径方向的 分布
Fig. 2 Content of Zn element along radius of ingot in the absence of electromagnetic field
2. 2 电磁场强度对宏观偏析的影响
金属熔体在交变电磁场的作用下产生感应电
图 5 不同电磁场频率下 Cu 元素的分布情况 Fig. 5 Content of Cu element under different frequency
of electr omagnetic fi eld
3结 论
( 1) 在 7075 铝合金半连续铸造过程中, 可以 通过施加交变电磁场的方法有效消除宏观偏析、 提高产品质量 随着感应线圈中电流强度的增加, 熔体与结晶器接触线高度减小, 一次冷却强度减 弱, 初生凝固壳形成位置下降, 熔体内部强迫对流 加强, 合金元素的反偏析现象逐渐减弱
较小, 但同时搅拌作用也相对较弱 随着电磁场频
率的下降, 磁力线逐渐渗入熔体内部, 电磁力的回
旋部分逐渐增加, 强迫对流得到加强 但当电磁场
频率进一步降至 20 H z 以下时, 熔体内部的磁感
应强度矢量渐趋均匀, 强迫对流作用相应减弱 由
此可见, 在电磁场强度一定的条件下, 适当的电磁
场频率能够获得最佳的流动场与温度场, 在熔体 内部形成理想的温度梯度和液穴深度, 从而能够 更有效地消除宏观偏析 图 4 给出了交变电流强 度保持在 400 A 不变的条件下, 铸锭中 Z n 元素沿 半径方向的分布与电磁场频率的关系 由图可知, 频率作为一个独立的变量, 显著影响了 Zn 元素 的分布情 况, 当感 应线圈 中交变 电流频 率为 30 Hz 时, 表面偏析与中 心偏析都 得到了彻 底的抑 制, 元素分布趋于均匀 图 5 为 Cu 元素分布随电 磁场频率变化的情况, 呈现出了与 Zn 元素类似 的规律 以上情况表明, 对于直径 200 m m 圆锭, 当电磁场频率为 30 Hz 时, 最有效地抑制了合金 元素的反偏析现象
关 键 词: 电磁场; 半连续铸造; 宏观偏析; 铝合金; 电磁场频率
中图分类号: T G 249 7; T G 111 4
文献标识码: A
宏观偏析是铝合金半连续铸造过程中的主要 缺陷形式之一, 导致了合金元素在大范围内的不 均匀分 布 7075 作为 典 型的 Al Zn Mg Cu 系合 金, 其半连续铸造组织存在严重的反偏析现象, 合 金元素在铸锭表面富集形成较厚的表面偏析区, 需要在后续工序中采用大的剥皮量来去除表面偏 析层, 严重降低了成材率, 同时合金元素的不均匀 分布对材料的组织性能也产生了不良影响 近年 来通过采用电磁铸造技术提高产品质量的研究取 得了较快进展, 受到广泛重视 与 EMC 法 不同, V iv s 发展 的一种新 型的电磁 铸造工艺[ 1~ 3] , 主 要目标是在铝合金半连续铸造过程中改善微观组 织、消除铸造缺陷, 其方法是在结晶器外布置电磁 感应线圈, 通过电磁力的约束作用, 形成弯液面, 减小金属熔体与结晶器的接触线高度, 减弱了一 次冷却强度, 电磁力驱动的强迫对流把熔断的枝 晶臂带入熔体内部从而促进了异质形核, 同时减 小了熔体内部温度梯度, 使初生凝固壳形成位置 下降, 液穴变浅, 糊状区变宽, 起到了细化晶粒与 改善铸锭表面质量的作用 电磁场的存在及其上 述效应必然也有利于抑制合金元素的宏观偏析, 但目前有关采用电磁铸造工艺消除宏观偏析方面 尚缺乏深入研究 本文的目的是系统研究 7075 铝
流, 感应电流与磁场交互作用, 使熔体受到洛仑兹 ( Lorentz) 力的作用, 熔体内部任一点处所受电磁 体积力由下式给出[ 10] :
F= J! B
( 1)
洛仑兹力由两部分组成[ 1] , 其水平分量是由熔体
静压力梯度平衡的有势力, 对金属熔体产生约束
作用, 使熔体表面形成弯液面从而与结晶器接触
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析规律的影响
图 1 电磁铸造工 艺原理图
Fig. 1 Schematic i llustrati on of the electromagnetic casting process
表 1 实验用 7075 铝合金化学成分( 质量分数)
Table 1 Chemical compositi on of the experi mental
7075 alloy
%
Zn
Mg
Cu
Cr
Mn
Al
5. 70 2. 30 1. 43 0. 20 0. 20 Bal.
2 结果与讨论
2. 1 铝合金半连续铸造过程中的反偏析现象 铝合金半连续铸造过程中当铸锭凝固发生体
积收缩时, 枝晶间富集溶质的熔体在压力驱动下沿 枝晶间隙向铸锭表面流动, 导致溶质元素在铸锭横 截面上大尺度范围内的不均匀分布, 铸锭表面的合 金成分显著高于平均成分[ 4~ 8] 同时, 铸锭冷却发 生体积收缩的过程中, 与结晶器脱离接触形成间 隙, 气隙的存在大大增加了热阻[ 9] , 在液穴中高温 熔体的作用下初生凝固壳的温度重新升高, 在静压 力的作用下铸锭表面产生渗出效应, 表面附近的晶 间熔体穿过初生凝固壳形成表面偏析层, 进一步提 高了铸锭表面的溶质质量分数[ 5, 9] 大尺度范围内 的反偏析情况主要受铸造温度、铸造速度、冷却强 度等工艺参数的影响, 且溶质元素的分布规律与 液穴形状有着密切的关系 表面偏析受一次冷却 强度及初生凝固壳高度的影响较大, 主要影响表 面附近的溶质分布情况, 其特点是溶质在铸锭表 面高度富集的同时贫化了内侧临近区域, 使该处 溶质质量分数有所下降[ 5, 7, 9] 传统半连续铸造过 程中元素分布情况即为上述两种效应共同作用的 结果 由于半连续铸造过程中有稳定的液穴存在, 铸锭凝固的传热与传质过程在整个液穴内的熔体 与两相区中同时进行, 因此反偏析现象不仅局限 在铸锭表面附近, 而是深入铸锭内部, 导致合金元 素在整个横截面上的不均匀分布[ 6, 7, 9] 图 2 为无 电磁场存在条件下 Zn 元素沿铸锭半径的分布情 况 合金元素在铸锭表面富集形成偏析瘤, 降低了 表面质量
( 2) 频率作为一个重要工艺参数, 显著影响 了铸锭中合金元素的宏观分布规律, 当交变电流 频率为 30 Hz 时, 表面与中心偏析都得到了有效 的抑制, 合金元素沿铸锭半径方向的分布趋于均 匀
图 4 不同电磁场频率下 Zn 元素的分布情况 Fig. 4 Content of Zn element under different
实验过程中采用的 7075 铝合金化学成分如 表 1 所示 在铸锭横截面上沿半径方向取样, 通过 化学分析的方法测定不同位置处合金元素的质量 分数, 分析电磁场强度和频率对合金元素宏观偏
收稿日期: 2002 03 15 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 59974009) ; 国家重点基础研究发展规划项目( G1999064901)
频率, 通过电磁铸造工艺制得 7075 铝合金圆锭 采用化学分析 的方法测 定合金元素 沿铸锭半 径方 向的分布情况 结果表明, 采用电磁铸造工艺能够有效抑制宏观偏 析; 在 保持线圈电 流强度不 变的
情况下, 电磁场频率的改变显著地影响了合金元素的 分布情况, 其中频率为 30 Hz 时消除宏观偏析 的效果最佳
电流强度的增加, 熔体中的强迫对流作用加强, 同 时由于电磁力的水平 分量对熔体的 约束作用增
强, 熔体与结晶器接触线高度减小、初生凝固壳形 成位置下降, 这一过程减弱了表面渗出效应, 使铸 锭表面附近的合金元素质量分数明显下降, 表面 偏析得到了有效控制 2. 3 电磁场频率对宏观偏析的影响
频率作为一个重要参数, 极大地影响着交变 电磁场在导电媒质内部的分布情况 电磁铸造过 程中, 通过调节电磁场频率可以有效控制熔体内 部的流动场与温度场, 实现最佳工艺条件 磁感应 强度在金属熔体中随渗透深度的增加而衰减的情 况由集肤深度 来表征:
合金半连续铸造过程中电磁场强度与频率对合金 元素宏观分布规律的影响, 探讨交流电磁场消除 宏观偏析的机理, 确定最佳的电磁场强度与频率, 实现通过电磁铸造工 艺最大限度地 抑制宏观偏 析, 提高产品质量的目标
1 实验方法
本实验的工艺过程如图 1 所示, 结晶器内径 为 200 mm, 在结晶器外侧布置 50 匝的电磁感应 线圈, 通过线圈中的交变电流在熔体内部产生感 应电磁场, 实现电磁铸造过程 为了考察电磁场对 铸锭宏观偏析规律的影响, 在整个实验过程中保 持常规工艺参数不变: 浇铸温度为 720 , 拉坯速 度为 60 mm/ min 使用恒流变频电源, 首先在工频 ( 50 Hz) 条件下从 100~ 600 A 调节 交变电流强 度, 考察电磁场强度对元素宏观分布情况的影响 在保持线圈电流强度为 400 A 的条件下, 在 10~ 100 H z 范围内调整交变电流的频率, 考察不同频 率下合金元素宏观偏析情况的变化
2002 年 10 月 第23 卷第 10期
东北大学学报( 自然科学版) Journal of Nort heastern U niversity( Natural Science)
文章编号: 1005 3026( 2002) 10 0968 04
Oct . 2 0 0 2 Vol 23, No. 10
图 3 不同电磁场条件下 Zn 元素沿铸锭半径方向的分布
Fig. 3 Content of Zn element under different intensity of electromagneti c field