黃立國(guó),付大軍,高志玉

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧阜新123000)

電磁場(chǎng)對(duì)A1-18%Si過(guò)共晶合金初晶Si相形貌的影響

黃立國(guó),付大軍,高志玉

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧阜新123000)

研究了交流電場(chǎng)、直流磁場(chǎng)和二者復(fù)合產(chǎn)生的電磁振蕩對(duì)A1-18%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Si過(guò)共晶初晶Si相形貌的影響。結(jié)果表明:交流電場(chǎng)、直流磁場(chǎng)和電磁振蕩都使合金初晶Si相的大小經(jīng)歷了一次細(xì)化過(guò)程,交流電場(chǎng)使Si原子有序偏聚團(tuán)的尺寸和數(shù)目發(fā)生改變,增大形核率,細(xì)化初晶Si相;直流磁場(chǎng)通過(guò)電磁制動(dòng)效應(yīng)抑制了初晶Si相的形核與長(zhǎng)大;電磁振蕩細(xì)化作用是通過(guò)減弱合金的成分過(guò)冷和溫度梯度從而增大過(guò)冷度實(shí)現(xiàn)的。三者相比,在電磁振蕩的作用下初晶Si相更為細(xì)小。

電磁振蕩;直流磁場(chǎng);交流電場(chǎng);A1-Si過(guò)共晶合金

Abstract:The article is aimed to study the effects of alternating current(AC)electric field,the direct current magnetic field and the composition of both on the primary Si phase of the hypereutectic.The results show that AC field,the direct current magnetic field and electromagnetic vibration can all lead to the refining process of the size of the hypereutectic Al-Si alloy.AC electric field changes both the size and amount of silicon atom clusters,increases the nucleation rate,and refines the primary Si phase.The direct current magnetic field restrains the nucleation and growth of the primary Si phase through the effect of electromagnetic braking.The refinement of the electromagnetic vibration increases the degree of supercooling through weakening the constitutional supercooling of the alloy and the temperature gradient.Comparatively,the primary Si phase tends to be smaller under the effect of electromagnetic vibration.

Key words:electromagnetic vibration;direct current magnetic field;alternating current electric field; Al-Si hypereutectic alloy

在金屬凝固過(guò)程中,為了得到?jīng)]有缺陷、晶粒細(xì)小、組織致密的產(chǎn)品,可以通過(guò)孕育處理、強(qiáng)化對(duì)流及控制冷卻速度等傳統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn)。近年來(lái),人們發(fā)現(xiàn),可以利用電磁場(chǎng)控制金屬的凝固過(guò)程以獲得優(yōu)質(zhì)的鑄件,電磁場(chǎng)可以單獨(dú)利用電場(chǎng)和磁場(chǎng),也可以利用二者的復(fù)合場(chǎng)。單獨(dú)施加電場(chǎng)能細(xì)化晶粒組織、提高鑄件性能、影響凝固過(guò)程中的溶質(zhì)再分配及固-液界面的穩(wěn)定性,并且能夠排除氣孔、減少有害雜質(zhì)在機(jī)體中的分布 ,得到有別于常規(guī)凝固條件下的組織 。В а щ е н к а[1]的研究表明,電場(chǎng)使鑄鐵中的石墨變小,抗拉強(qiáng)度提高了 30%左右。Ahmed[2,3]等人研究顯示,在 50～400mA/cm2的直流電場(chǎng)作用下高溫合金的微觀組織結(jié)構(gòu)有顯著細(xì)化,且降低了偏析和氣孔率。Prodhan[4]研究了連續(xù)電流對(duì)純Al凝固行為影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:直流和交流電場(chǎng)都有助于鑄件凝固宏觀晶粒組織的細(xì)化,并促進(jìn)了柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)化。電場(chǎng)細(xì)化凝固組織是通過(guò)電遷移效應(yīng)、起伏效應(yīng)及Joule熱效應(yīng)等實(shí)現(xiàn)的。磁場(chǎng)的應(yīng)用始于20世紀(jì)初期,目前主要采用交變磁場(chǎng)和直流磁場(chǎng)兩種形式。交變磁場(chǎng)的最顯著作用是使晶粒細(xì)化,利用它對(duì)金屬液的攪拌作用改善冶金組織,Langenberg等人[5]報(bào)道了交流磁場(chǎng)下鋼錠的晶粒得到明顯細(xì)化。國(guó)內(nèi)的朱明原[6]、毛衛(wèi)民[7]等的研究結(jié)果表明,電磁攪拌能打碎Al-Si合金的樹枝晶,并且初生Si也明顯細(xì)化,分布均勻。近年來(lái),對(duì)電磁復(fù)合場(chǎng)作用下的凝固過(guò)程研究也廣泛展開(kāi),二者復(fù)合的重要形式是電磁振蕩作用,電磁振蕩作用也使鑄錠組織變得更加細(xì)小和均勻[8]。過(guò)共晶Al-Si合金是一種重要的鑄造合金,具備良好的綜合性能,包括高比強(qiáng)度、耐磨、尺寸穩(wěn)定性好及熱膨脹低等,廣泛應(yīng)用于航空、航天及汽車制造等領(lǐng)域,制造活塞、汽缸襯套、連桿等汽車零部件。但是常規(guī)鑄造過(guò)共晶Al-Si合金中的共晶Si和初晶Si相都非常粗大,割裂基體,嚴(yán)重?fù)p害了材料的力學(xué)性能。本工作通過(guò)研究電磁場(chǎng)對(duì)Al-18%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)Si過(guò)共晶合金凝固組織的影響,試圖細(xì)化Al-Si合金的凝固組織,提高合金的力學(xué)性能。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)采用99.7%的工業(yè)純Al和99.3%的工業(yè)純Si配制成Al-18%Si過(guò)共晶合金作為實(shí)驗(yàn)材料,六氯乙烷精煉。在電阻爐中700℃下保溫30min,熔煉后澆入預(yù)先制好的濕砂型型腔內(nèi),制得尺寸為φ14mm× 80mm的試樣,實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。金屬液凝固過(guò)程中施加的電流密度值(由電流值除以試樣截面積而得)分別為0,19.5,32.5mA/mm2,施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為0.023,0.032,0.049T,合金凝固過(guò)程中一直通有交流電或磁場(chǎng)。凝固后從試樣的中間位置截取橫截面,觀察顯微組織。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Schematic of experimental apparatus

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 交流電場(chǎng)對(duì)初晶Si相的影響

過(guò)共晶Al-Si合金的力學(xué)性能取決于其顯微組織中的初晶Si相、共晶體Al-Si相及空隙的形態(tài)大小、分布。常規(guī)條件及在電場(chǎng)作用下Al-18%Si過(guò)共晶合金的顯微組織如圖2所示,無(wú)電場(chǎng)作用時(shí)(圖2(a))組織中的共晶體Al-Si呈針片狀,初晶Si相呈規(guī)則的多邊形且較為粗大,這種組織對(duì)合金基體有較大的割裂作用,合金的塑韌性較低。電場(chǎng)作用對(duì)初生Si相的數(shù)量、形態(tài)以及大小產(chǎn)生了影響(圖2(b),(c)所示),初生Si相的形態(tài)發(fā)生了顯著變化,尺寸減小且數(shù)量增加,組織形態(tài)密實(shí)、分布均勻,說(shuō)明電場(chǎng)對(duì)初生 Si相、共晶體Al-Si相起到一定的細(xì)化作用,并且隨著電流密度的增加,初生 Si相數(shù)量越多,當(dāng)電流密度為19.5mA/mm2時(shí)合金組織細(xì)化最明顯。

圖2 交流電場(chǎng)對(duì)Al-18%Si過(guò)共晶合金初晶Si相形貌的影響(a)I=0mA/mm2;(b)I=19.5mA/mm2;(c)I=32.5mA/mm2Fig.2 Effects of AC electric field on the primary Si phase of Al-18%Si hypereutectic alloy (a)I=0mA/mm2;(b)I=19.5mA/mm2;(c)I=32.5mA/mm2

凝聚態(tài)物理學(xué)認(rèn)為,Al-Si合金熔體中存在Al和Si原子各自有序的偏聚團(tuán),它所占的體積比及大小、彌散性與熔體的過(guò)熱溫度、電磁攪拌、物理場(chǎng)處理有關(guān)。交流電場(chǎng)作用在結(jié)晶溫度附近的Al-Si合金熔體上,會(huì)使Si原子有序的偏聚團(tuán)的尺寸和數(shù)目發(fā)生改變,影響液態(tài)金屬形核率。一方面電場(chǎng)會(huì)使準(zhǔn)固態(tài)原子集團(tuán)周圍電子云密度減小,從而降低了電子云對(duì)原子的屏蔽作用,使得這些原子集團(tuán)不穩(wěn)定;另一方面電子流對(duì)熔體中離子的電子曳力提高了原子的活性并促進(jìn)其擴(kuò)散。這兩方面將有可能使準(zhǔn)固態(tài)原子集團(tuán)裂解成細(xì)小的原子集團(tuán),促進(jìn)晶核的大量生成,增加凝固金屬液的形核率。電場(chǎng)作用下形核率公式可表示為

式中:J為電流密度;ρe為材料的電阻率;ρ為熔體的密度;c為比熱容;t為通電時(shí)間;ΔG為最大形核熱力學(xué)勢(shì)壘;ΔGe為交流電場(chǎng)作用下形核熱力學(xué)勢(shì)壘變化值。由公式(1)可知,當(dāng)由于電流密度增加導(dǎo)致K[T+J2ρet(ρc)-1]＞ (ΔG+ΔGe)時(shí) ,將引起形核率增加 ,從而細(xì)化晶粒。

2.2 直流磁場(chǎng)對(duì)初晶Si相的影響

直流磁場(chǎng)作用下合金組織的演變?nèi)鐖D3所示,與無(wú)磁場(chǎng)作用相比,隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加,合金組織也經(jīng)歷了一次細(xì)化的過(guò)程,由于所采用的直流磁場(chǎng)強(qiáng)度相近,所以圖3(a)～(c)顯示的細(xì)化程度差別不是很明顯。直流磁場(chǎng)對(duì)熔體無(wú)攪拌作用,其細(xì)化機(jī)制不同于以往的采用交流磁場(chǎng)的情況,初晶Si相的細(xì)化是由于電磁制動(dòng)效應(yīng)作用的結(jié)果。

圖3 直流磁場(chǎng)對(duì)Al-18%Si過(guò)共晶合金初晶Si相形貌的影響(a)B=0.023T;(b)B=0.032T;(c)B=0.049TFig.3 Effects of direct magnetic field on the primary Si phase of Al-18%Si hypereutectic alloy (a)B=0.023T;(b)B=0.032T;(c)B=0.049T

Al-18%Si合金中,Si含量較少,故可把Al相看做是連續(xù)分布的,Si相有序的偏聚團(tuán)可作為自由粒子來(lái)處理。自由粒子沿著磁場(chǎng)中(強(qiáng)度為)以速度v運(yùn)動(dòng)時(shí),磁場(chǎng)就會(huì)阻礙自由粒子的運(yùn)動(dòng),其運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中將使周圍熔體向兩側(cè)排開(kāi),從而產(chǎn)生切割磁力線的運(yùn)動(dòng)(圖4),產(chǎn)生洛侖茲力為

式中:σ為熔體的電導(dǎo)率;μ0為熔體的磁導(dǎo)率。

自由粒子前方的熔體產(chǎn)生順時(shí)針?lè)较颦h(huán)形電流,自由粒子后方的熔體產(chǎn)生逆時(shí)針?lè)较颦h(huán)形電流。前方洛侖茲力指向環(huán)形電流的中心,與合金熔體的流向相反,阻礙其流動(dòng),產(chǎn)生電磁制動(dòng)效應(yīng),從而約束自由粒子向前運(yùn)動(dòng)。后方洛侖茲力的方向背離環(huán)形電流的中心向外,同樣與合金熔體的流向相反而產(chǎn)生電磁制動(dòng)效應(yīng),后方的合金熔體不能迅速補(bǔ)充到自由粒子的下方,從而對(duì)顆粒形成拖曳力[9],阻礙自由粒子的運(yùn)動(dòng),在前后兩個(gè)限制熔體流動(dòng)的洛侖茲力作用下,Si相粒子的擴(kuò)散將發(fā)生困難,從而抑制初晶Si相的形核與長(zhǎng)大過(guò)程。

2.3 復(fù)合場(chǎng)對(duì)初晶Si相的影響

由電磁理論可知,在交流電場(chǎng)與直流磁場(chǎng)的復(fù)合作用下,將產(chǎn)生一個(gè)隨時(shí)間變化的力場(chǎng)(如圖5所示),其大小為

該力方向在試樣的徑向擺動(dòng),在合金凝固過(guò)程中引入這個(gè)力場(chǎng),驅(qū)動(dòng)合金熔體而產(chǎn)生電磁振蕩效應(yīng)。在電磁振蕩作用下合金的凝固組織如圖6所示,與常規(guī)凝固組織相比,初晶Si相的尺寸明顯得到了細(xì)化,形狀由原來(lái)粗大的多邊形轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀且彌散分布,這樣的組織無(wú)疑對(duì)提高合金的力學(xué)性能是有利的。

圖6 電磁振蕩對(duì)Al-18%Si過(guò)共晶合金初晶Si相形貌的影響(a)I=19.5mA/mm2,B=0.049T;(b)I=32.5mA/mm2,B=0.032T;(c)I=32.5mA/mm2,B=0.049TFig.6 Effects of electromagnetic vibration on the primary Si phase of Al-18%Si hypereutectic alloy (a)I=19.5mA/mm2,B=0.049T;(b)I=32.5mA/mm2,B=0.032T;(c)I=32.5mA/mm2,B=0.049T

以往的文獻(xiàn)顯示[10,11],電磁振蕩作用對(duì)合金凝固組織的細(xì)化作用是由于“空化效應(yīng)”引起的,但是由于“空化效應(yīng)”所需的臨界電磁壓力太大(約 7× 104Pa)[8],在本實(shí)驗(yàn)條件下,由于采用的電場(chǎng)與磁場(chǎng)均較小,“空化效應(yīng)”難以發(fā)生。Al-Si合金熔體中存在Si原子的有序偏聚團(tuán)微區(qū)作為潛在的形核質(zhì)點(diǎn)存在,溫度下降后此微區(qū)滿足過(guò)冷度的要求,就以此為質(zhì)點(diǎn)形核。在電磁振蕩力的驅(qū)動(dòng)下,合金熔體中產(chǎn)生強(qiáng)制對(duì)流,過(guò)熱釋放迅速,成分起伏和溫度分布趨于均勻,初晶Si相固-液界面前沿的成分過(guò)冷和溫度梯度被削弱,從而抑制了合金的形核與長(zhǎng)大,合金熔體將被深度過(guò)冷,由金屬凝固理論可知,過(guò)冷增加將引起Si原子的有序偏聚團(tuán)數(shù)量的增加,從而形核質(zhì)點(diǎn)增加,形核率增大,初晶 Si相得到細(xì)化。同時(shí),電磁振蕩力對(duì)Al-18%Si合金熔體具有反復(fù)拉伸和壓縮作用,加劇了顆粒之間以及顆粒與液體之間的摩擦,其對(duì)晶粒的剪切力為

式中:η為合金熔體的黏度;ν為合金熔體的流動(dòng)速度;L為晶粒長(zhǎng)度;r為晶粒半徑。該剪切力促使粗大多邊形狀的初晶Si相的薄弱處產(chǎn)生斷裂,形成小尺寸的顆粒狀形貌。

另外,在交流電場(chǎng)與直流磁場(chǎng)的作用下,由于交流電場(chǎng)增加形核率和直流磁場(chǎng)的電磁制動(dòng)效應(yīng)阻礙Si相粒子的遷移,也具有細(xì)化初晶Si相的作用,因此,在復(fù)合場(chǎng)的作用下,Al-18%Si合金組織的演變是多種因素綜合作用的結(jié)果,正是由于多種因素的共同作用,才使得圖6中的初晶Si相組織要比圖2、圖3中的更細(xì)小。

3 結(jié)論

(1)在交流電場(chǎng)的作用下,Al-18%Si合金中粗大的初晶Si相得到細(xì)化,其尺寸減小且數(shù)量增加。

(2)在直流磁場(chǎng)的作用下,Al-18%Si合金中粗大的初晶Si相也經(jīng)歷了一次細(xì)化過(guò)程,且初晶Si相數(shù)量增加。

(3)在電場(chǎng)振蕩的作用下,Al-18%Si合金中初晶Si相發(fā)生明顯的細(xì)化,初晶 Si相尺寸顯著減小,演變成細(xì)碎的顆粒狀。

(4)對(duì)比交流電場(chǎng)、直流磁場(chǎng)和電磁振蕩對(duì)Si相形貌的影響,電磁振蕩的細(xì)化效果最佳。

(5)交流電場(chǎng)使Si原子有序偏聚團(tuán)的尺寸和數(shù)目發(fā)生改變,增大形核率從而造成初晶Si相的細(xì)化;直流磁場(chǎng)的電磁制動(dòng)效應(yīng)阻礙了Si相粒子的遷移,抑制了初晶Si相的生長(zhǎng),從而細(xì)化合金中的初晶 Si相;電磁振蕩使Si相細(xì)化除了增大形核率和電磁制動(dòng)效應(yīng)抑制Si相生長(zhǎng)作用外,還由于它產(chǎn)生的強(qiáng)制對(duì)流,削弱了固-液界面前沿的成分過(guò)冷和溫度梯度,增大了合金凝固的過(guò)冷深度,從而細(xì)化Si相的尺寸。

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Effects of Electromagnetic Field on Primary Si Phase of Hypereutectic Al-18%Si Alloy

HUAN G Li-guo,FU Da-jun,GAO Zhi-yu
(College of Materials Science and Engineering, Liaoning Technical University,Fuxin 123000,Liaoning,China)

TG146.2

A

1001-4381(2010)01-0032-04

遼寧工程技術(shù)大學(xué)優(yōu)秀青年基金資助項(xiàng)目(09-248)

2009-01-06;

2009-11-17

黃立國(guó)(1979—),男,講師,工學(xué)碩士,主要從事金屬電磁凝固方面的研究,聯(lián)系地址:遼寧阜新遼寧工程技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院(123000),E-mail:liguoh@126.com