王振哲，劉書濤

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

在電磁模鑄過程中，冷卻速度會直接影響合金熔體中的溫度場分布和磁場的作用時間，同時，對鑄錠的表面質量和縮孔縮松現象有嚴重影響。不同的冷卻速度會影響磁場的作用效果，因此，探討冷卻條件對于電磁模鑄工藝的影響是很有必要的[1]。據相關文獻可知[2-3]，在合金凝固的過程中施加行波磁場，熔體的黏度隨固相率的增加而增加，特別是當固相率超過某一臨界值時，熔體的黏度開始迅速增加。凝固過程中，熔體的固相率由液固兩相體的溫度決定，可以通過Scheil方程，將溫度換算成固相率的函數。在熔體凝固過程中，冷卻速度隨著熔體溫度降低，這種關系函數隨之發(fā)生改變。在凝固過程中，隨著溫度的降低，熔體的固相率不斷增加，當固相率達到0.4時，熔體的黏度將急劇增加，下式為黏度fs和固相率之間的關系：ηa=Aexp（Bfs）η，式中：A，B均為系數。

合金熔體黏度的大小決定于熔體中固相率的大小，而合金熔體固相率的大小又與熔體內部的溫度息息相關。由此可知，在凝固過程中，合金熔體的冷卻速度會嚴重影響行波磁場對于鑄錠凝固過程的控制和改善作用，進一步影響行波磁場對于產品質量的改善效果。因此，探討冷卻條件對于電磁模鑄工藝的影響是很有必要的。

1 實驗方法

本實驗選用的鋁錠為Al-5%Cu合金，該合金是一種固溶型合金，常溫下，由α相和析出的CuAl2共同組成。實驗分別研究了空冷條件下（0.28 K/s）、水冷條件下（0.47 K/s）以及快速冷卻條件下（0.78 K/s）磁場對于鑄錠質量的影響。試樣宏觀組織圖片如圖1所示。本實驗微觀組織的觀察方法如下：將圖1的宏觀組織的試樣切成如圖1方框所示的上、中、下3塊區(qū)域。將這3塊小樣經過400#、800#、1200#、1500#、2000#、2500#和3000#砂紙水磨，然后用1 μm的拋光劑在MP-2C金相試樣磨拋機上拋光，用酒精清洗干凈后，先用稀鹽酸（1%HCl溶液）簡單擦拭試樣表面，去除試樣表面氧化膜，再采用科爾試劑，對試樣表面進行腐蝕，腐蝕時間為5～10 s，腐蝕完畢后，迅速用酒精清洗并吹干。最后，采用金相顯微鏡（Olympus GX5）對試樣進行拍照分析。實驗中，對微觀組織的晶粒尺寸分布進行了一個大致的統計分析，采用金相圖片，大概位于圖1中白色方框區(qū)域。實驗中，采用Photoshop配合統計軟件Image-Pro-Plus和Nano Measurer統計晶粒尺寸的分布，最終用Origin制作分布柱狀圖。

圖1 試樣宏觀組織

2 結果與討論

不同冷卻速度下的鑄錠組織和晶粒尺寸分布如圖2所示。由圖2可知，微觀組織的圖片由9張圖片拼湊而成，圖片對應的位置區(qū)域位于圖1中白色方框所對應的區(qū)域，為統計晶粒尺寸分布，所選取的金相照片也來自圖1中白色方框所對應的區(qū)域。在晶粒尺寸的微觀分布圖中，橫坐標對應的是晶粒的尺寸范圍，縱坐標對應的是不同尺寸范圍下晶粒的的數量占總的晶粒數量的百分數。

由圖2（a）可知，在無磁場水冷條件下，合金鑄錠不同部位的微觀組織均為發(fā)達的柱狀晶或枝晶組織，上部和下部枝晶的生長存在一定的方向性，而處于心部的枝晶組織的生長表現為各向同性。晶粒尺寸的變化范圍較大，晶粒尺寸主要介于400.00～1 200.00 μm，平均尺寸為882.27 μm。從圖2（b）可以看出，在行波磁場空冷條件下，微觀晶粒組織由發(fā)達的枝晶組織轉變成不規(guī)則的棒狀、花瓣狀的晶粒組織，處于鑄錠不同位置的晶粒形狀和尺寸存在一定程度的偏差，微觀晶粒組織的分布并不均勻，晶粒的尺寸較之圖2（a）有顯著降低，晶粒尺寸主要介于200.00～600.00 μm，平均尺寸為385.14 μm，可見，行波磁場具有顯著細化晶粒的作用。從圖2（c）可以看出，在行波磁場水冷條件下，晶粒的形狀多為不規(guī)則的圓形，處于鑄錠不同位置的晶粒形狀和尺寸基本一致，晶粒尺寸主要介于150.00～400.00 μm，平均尺寸為251.67 μm，與圖2（b）對比，微觀組織的晶粒尺寸變得更加細小，分布也更加均勻，晶粒的形狀也更加規(guī)則等軸化。從圖2（d）可以看出，在行波磁場快冷條件下，處于鑄錠底部的微觀組織晶粒為細小發(fā)達的枝晶組織，而處于鑄錠中部和上部的微觀組織晶粒，則由相對粗大的枝晶組織和一些細小的類等軸晶組織組成，微觀組織的晶粒分布并不均勻，晶粒尺寸主要介于200.00～700.00 μm，平均尺寸為520.04 μm。對比圖2（c）可以看出，在過快的冷卻條件下，晶粒的平均尺寸反而顯著變大，組織也變成了發(fā)達的枝晶組織，可見，過快的冷卻條件嚴重削弱了行波磁場細化晶粒組織，促使晶粒組織CET轉變效果。

3 結語

圖2 不同冷卻速度下鋁銅合金鑄錠微觀組織和晶粒尺寸分布

以鋁銅合金作為實驗材料，開展了電磁模鑄的應用研究，研究了不同冷卻速度對于鑄錠質量的影響規(guī)律。在行波磁場水冷0.47 K/s條件下，晶粒尺寸主要介于150.00～400.00 μm，平均尺寸為251.67 μm，結果表明：微觀組織的晶粒尺寸變得更加細小，分布也更加均勻，晶粒也趨近于等軸化，進而提高鑄錠的整體鑄造質量。