劉書(shū)濤，王振哲

（中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840）

一般來(lái)說(shuō)，在制備金屬材料時(shí)，金屬都要經(jīng)歷一個(gè)凝固過(guò)程。金屬的凝固組織就是金屬在凝固以后的一種存在狀態(tài)，對(duì)金屬的力學(xué)性能、物理性能和加工性能都具有很大的影響。人們總是希望獲得均勻、細(xì)小、致密的等軸晶組織，而對(duì)于大多數(shù)合金材料來(lái)說(shuō)，在凝固的過(guò)程中，都容易生成粗大的枝晶組織，導(dǎo)致合金元素偏析和縮孔縮松現(xiàn)象的產(chǎn)生，這些都會(huì)嚴(yán)重影響合金材料的性能[1-2]。因此，獲得組織細(xì)密且性能良好鑄件的一個(gè)重要方法，就是控制鑄錠的凝固成型過(guò)程[3-4]。目前，工業(yè)上用于控制鑄錠凝固過(guò)程的方法主要有三大類：第一類是加快冷卻速度，獲得細(xì)晶組織；第二類是運(yùn)用化學(xué)方法，如添加形核劑等；第三類是運(yùn)用物理法，通過(guò)機(jī)械攪拌、超聲振蕩或者電磁場(chǎng)等，促使合金熔體中產(chǎn)生強(qiáng)制對(duì)流，抑制枝晶組織的生長(zhǎng)，獲得細(xì)小均勻的等軸晶組織。在合金凝固的過(guò)程中施加行波磁場(chǎng)，行波磁場(chǎng)產(chǎn)生的攪拌流場(chǎng)是行波磁場(chǎng)控制和改善合金凝固過(guò)程的關(guān)鍵所在，攪拌流場(chǎng)的強(qiáng)度會(huì)直接影響鑄錠的凝固組織和合金元素的分布狀況。影響攪拌流場(chǎng)強(qiáng)度的因素主要有兩個(gè)，一個(gè)是行波磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度（即電磁力的大小頻率），另一個(gè)是熔體的黏度（即黏滯力的大?。：辖鹑垠w黏度的大小取決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(nèi)部的溫度息息相關(guān)。由此可知，在凝固過(guò)程中，合金熔體的初始熔融溫度會(huì)嚴(yán)重影響行波磁場(chǎng)對(duì)于鑄錠凝固過(guò)程的控制和改善作用，進(jìn)而影響行波磁場(chǎng)對(duì)于鑄錠凝固組織和合金元素偏析的改善效果。

1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)探討的是合金溶液的溫度對(duì)于電磁鑄造鑄錠的影響，溫度指的是合金溶液放入磁場(chǎng)裝置中進(jìn)行磁場(chǎng)處理之前的液態(tài)溫度。以銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的鋁合金作為實(shí)驗(yàn)材料，銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的鋁合金是一種固溶型合金。實(shí)驗(yàn)中采用的磁場(chǎng)為行波磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的參數(shù)為電流160 A、頻率為20 Hz。采用坩堝底部通水的冷卻方式，水位為10 mm，水流量為20 L/h。實(shí)驗(yàn)分別探討了合金溶液溫度在670、700和750 ℃條件下，行波磁場(chǎng)對(duì)于鑄錠宏觀組織均勻性、微觀晶粒組織細(xì)化、合金元素宏觀偏析和縮孔縮松現(xiàn)象的影響。實(shí)驗(yàn)使用錦州三特公司生產(chǎn)的ZGLJ-0.01型真空感應(yīng)熔煉爐，主要用于配備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的鋁合金，制備直徑為60 mm、高為100 mm的鋁合金鑄錠。真空感應(yīng)熔煉爐如圖1所示。

圖1 真空感應(yīng)熔煉爐

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對(duì)于鋁銅合金鑄錠宏觀組織的影響

不同溫度下的鋁銅合金鑄錠宏觀組織如圖2所示。圖2（a）（b）（c）分別是在溫度為670、700和750 ℃條件下，施加行波磁場(chǎng)得到的鑄錠宏觀組織圖。

由圖2可知，在670 ℃條件下，鑄錠的宏觀組織由枝晶和等軸晶混合而成，鑄錠的底部和邊部依然是發(fā)達(dá)的枝晶組織，枝晶的面積和尺寸較之未加磁場(chǎng)條件下，顯著縮小，靠近鑄錠中部的則為均勻的等軸晶組織，說(shuō)明在670 ℃條件下，行波磁場(chǎng)對(duì)鑄錠的宏觀組織有改善作用。對(duì)比圖2（a）和（b）可知，在700 ℃條件下，行波磁場(chǎng)處理后鑄錠的宏觀組織，明顯好于670 ℃條件下的宏觀組織，具體表現(xiàn)為：組織更加細(xì)小均勻，等軸區(qū)的面積顯著增加。仔細(xì)觀察圖2（c）可知，在750 ℃下，宏觀組織主要為粗大的等軸晶組織，在鑄錠的邊部和底部，則存在極少量的粗大枝晶組織。對(duì)比圖2（b）和（c）發(fā)現(xiàn)，700 ℃條件下，行波磁場(chǎng)處理后的鑄錠組織要明顯細(xì)于750 ℃條件下的晶粒組織，等軸區(qū)的面積則沒(méi)有顯著變化。對(duì)比圖2（a）（b）和（c）可知，在合金熔體初始溫度為700 ℃時(shí)，行波磁場(chǎng)對(duì)于鑄錠宏觀組織的改善具有最佳效果。

圖2 溫度對(duì)于鋁銅合金鑄錠宏觀組織的影響

2.2 溫度對(duì)于鋁銅合金溶質(zhì)元素偏析的影響

不同溫度下Cu元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布如圖3所示。在670 ℃條件下，沿著鑄錠軸向自下而上，Cu元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次增加，與無(wú)磁場(chǎng)條件下的元素變化規(guī)律相同。Cu元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在軸向上的最大差值為0.73，略小于不加磁場(chǎng)時(shí)的1.03，這說(shuō)明在670 ℃下，行波磁場(chǎng)對(duì)于合金元素在軸向上的偏析有一定的改善作用，但是效果不佳。當(dāng)溫度為700 ℃時(shí)，合金元素在軸向上的分布呈現(xiàn)先減少后增加的變化趨勢(shì)，合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的最大偏差發(fā)生在鑄錠中部和上部之間，最大偏差為0.56；當(dāng)偏析程度高于不加磁場(chǎng)時(shí)，合金元素在鑄錠中部和上部之間的偏析程度、鑄錠下部和中部之間的偏析程度則低于不加磁場(chǎng)時(shí)的偏析程度。當(dāng)溫度為750 ℃時(shí)，沿著鑄錠軸向自下而上，Cu元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次增加，在軸向上的最大偏差為0.22，顯著小于不加磁場(chǎng)時(shí)的1.03，這說(shuō)明在750 ℃下，行波磁場(chǎng)對(duì)于合金元素在軸向上的偏析有顯著的改善作用。對(duì)比不同溫度下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度為750 ℃時(shí)，合金元素在軸向上的偏析度最小，且顯著小于其他條件下合金元素在軸向上的偏析度，這說(shuō)明當(dāng)溫度為750 ℃時(shí)，行波磁場(chǎng)對(duì)于合金元素的宏觀偏析具有最佳效果。

在700 ℃水冷條件下，在行波磁場(chǎng)產(chǎn)生的攪拌流場(chǎng)的攪拌作用下，鑄錠底部和邊部先形成的枝晶組織被卷入熔體內(nèi)部，此時(shí)，鑄錠內(nèi)部的溫度不足以完全熔化卷入的碎枝晶組織，增加了鑄錠內(nèi)部的形核核心。鑄錠內(nèi)部的溫度場(chǎng)被均勻化，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)鑄錠內(nèi)部的均勻形核，進(jìn)一步增加了形核核心，進(jìn)而獲得等軸晶組織。同時(shí)在水冷條件下，保證了鑄錠的凝固速度，形成的形核核心能夠以較快的速度生長(zhǎng)，進(jìn)而獲得細(xì)小均勻的等軸晶組織。因此，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在700 ℃水冷條件下得到的晶粒組織為細(xì)小均勻的等軸晶粒組織。在合金的電磁鑄造過(guò)程中，只有在合適的初始熔體溫度條件下，才能最大限度地發(fā)揮磁場(chǎng)的細(xì)晶效果。

圖3 不同溫度下Cu元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

3 結(jié)語(yǔ)

探討了初始熔體溫度變化對(duì)于鑄錠凝固組織及成分偏析的影響規(guī)律，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析討論，得到了以下結(jié)論：初始溫度會(huì)直接影響鑄錠凝固組織和合金元素偏析的改善效果，實(shí)驗(yàn)表明，在700 ℃水冷條件下獲得的鑄錠最佳。