廖鈺敏，李 紅，馮曉杰，胡 蓉

（廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512126）

隨著我國(guó)高速鐵路等交通事業(yè)的發(fā)展，導(dǎo)電用銅合金不但需要良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，對(duì)其強(qiáng)度、耐磨性能等綜合性能更是提出了更高要求。其中強(qiáng)化方法有細(xì)晶強(qiáng)化、復(fù)合強(qiáng)化等，在合金中引入彌散的硬質(zhì)顆粒，增加合金力學(xué)性能的同時(shí)還能起到細(xì)化晶粒的作用，在前期研究中已經(jīng)對(duì)SIC-C19400合金的制備進(jìn)行了研究探索，發(fā)現(xiàn)SIC能起到很好的細(xì)化晶粒的效果，并且對(duì)其強(qiáng)度有一定的增強(qiáng)作用[1,2]。但是傳統(tǒng)的顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料制備方法在成分控制技術(shù)上有一定困難，較少研究者對(duì)電磁攪拌技術(shù)制備顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行研究[3,4]。電磁攪拌進(jìn)行合金制備有許多傳統(tǒng)方法不具備的優(yōu)點(diǎn)[5]，例如無接觸、參數(shù)化，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的攪拌效果等特點(diǎn)，該技術(shù)因其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)而開始廣泛應(yīng)用于鋼鐵制造行業(yè)。本文以電磁攪拌制備為技術(shù)手段，SIC/C19400復(fù)合材料為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的手段，就攪拌過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，探究電流在電磁攪拌過程中[6,7]，對(duì)復(fù)合材料的性能的影響，以期獲得高質(zhì)量的SIC-C19400復(fù)合材料，支持我國(guó)高強(qiáng)高導(dǎo)材料的研究。

1 數(shù)值模擬

模擬采用ANSYS軟件，進(jìn)行建模及模型計(jì)算。其三維圖形如圖（a）所示，因熔體完全置于磁場(chǎng)內(nèi)，不同橫截面受電磁影響幾乎相同，為便于計(jì)算，將模型簡(jiǎn)化成二維結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，二維模型如圖二2（a）所示。在有限元軟件中對(duì)模型進(jìn)行模擬計(jì)算前，需對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的精細(xì)程度會(huì)對(duì)計(jì)算產(chǎn)生較大影響，單元網(wǎng)格大，計(jì)算簡(jiǎn)便，但是模擬容易發(fā)生較大偏差，與真實(shí)結(jié)果相差大；網(wǎng)格精細(xì)，模擬計(jì)算仿真度更高，但是過于細(xì)小的單元?jiǎng)t會(huì)大大增加單元數(shù)量，從而使計(jì)算速度減慢。綜合考慮仿真程度及技術(shù)速度后對(duì)二維模型進(jìn)行計(jì)算前的單元網(wǎng)格劃分，如圖2（b）所示。

圖1 攪拌器模型及實(shí)物圖

圖2 二維模型及網(wǎng)格劃分

為了簡(jiǎn)化模擬過程，對(duì)模型進(jìn)行了幾個(gè)假設(shè)[8]：①視熔融金屬為不可壓縮的牛頓流體；②磁雷諾數(shù)Rem遠(yuǎn)小于1，流體的動(dòng)態(tài)變化不影響磁場(chǎng)分布；③不考慮位移電流，?D/?t 。

模擬電磁攪拌的條件如下。攪拌器內(nèi)徑為100mm的圓柱形空間，高度足夠，熔體鑄坯直徑為60mm,高度為60mm。并設(shè)置參數(shù)，模擬條件為330V工頻交流電，攪拌時(shí)間為15s.頻率為15hz，實(shí)驗(yàn)?zāi)M了熔體在加載不同電流強(qiáng)度（30A、40A、50A、60A）下進(jìn)行電磁攪拌的情況，觀察攪拌過程中，內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度及洛倫茲力的分布情況。

2 模擬結(jié)果

圖3為加載不同電流強(qiáng)度（30A、40A、50A、60A）時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況，可以根據(jù)磁力線分布及顏色來觀察磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小。由于線圈通入的是交變電流，每個(gè)位置的電流方向和強(qiáng)弱都會(huì)隨著時(shí)間不斷地進(jìn)行周期性的變化，在進(jìn)行數(shù)值模擬的動(dòng)態(tài)變化過程中，可以觀察到磁感應(yīng)線圍繞著模型的磁場(chǎng)圓心做固定角速度的旋轉(zhuǎn)，從磁力線強(qiáng)度來觀察，電流越高，磁感應(yīng)強(qiáng)度越大。如圖3所示。

圖3 磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖

為了更為精確了解磁場(chǎng)強(qiáng)度及其分布情況，實(shí)驗(yàn)沿著熔體橫截面直徑方向?qū)Υ艌?chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行了數(shù)值統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，無論電流大小，磁場(chǎng)強(qiáng)度都具有沿直徑方向，中心處的磁場(chǎng)強(qiáng)度為接近0值，隨著直徑增大方向線性增大的趨勢(shì)在頻率（15Hz）不變的前提下，電流強(qiáng)度越大，磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，在最外緣處（距離熔體中心30mm處）達(dá)到最大值。就模擬的數(shù)值來看，電流為30A時(shí)，熔體最外緣磁場(chǎng)強(qiáng)度為70.2mT；電流為40A時(shí)，熔體最外緣磁場(chǎng)強(qiáng)度為93.4mT，電流為50A時(shí)，熔體最外緣磁場(chǎng)強(qiáng)度為116.5mT，當(dāng)電流增加到60A時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度增加到139.5mT,比30A時(shí)增加了99%。從而可以看出，增加電流強(qiáng)度對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加非常有效。

圖4 為不同電流下磁場(chǎng)強(qiáng)度隨直徑分布圖

圖5為加載不同電流值時(shí)熔體內(nèi)部洛倫茲力矢量分布圖。洛倫茲力的產(chǎn)生，必須具備幾個(gè)前提，第一是有磁場(chǎng)，其次是運(yùn)動(dòng)電荷，由于僅熔體區(qū)域存在相對(duì)于磁運(yùn)動(dòng)的感應(yīng)電流，所以洛倫茲力僅出現(xiàn)在熔體所在范圍內(nèi)，而不是像磁力線分布在整個(gè)內(nèi)部空間中。根據(jù)安培定律和洛倫茲力可以表示為：

式中B為磁感應(yīng)強(qiáng)度;μ為金屬液的磁導(dǎo)率;Je為感應(yīng)電流;F為電磁體積力。從式（2）中可以看出，洛倫茲力的大小與感應(yīng)電流、磁感應(yīng)強(qiáng)度B均成正比，此外從式(1)也能看出，感應(yīng)電流與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，電流也會(huì)增加，所以B對(duì)洛倫茲力的增加起到了有效的作用。

將式(1)代入式(2)可式（3）

式（3）變形后，可以得到式子（4）

f1為回旋驅(qū)動(dòng)力，在電磁攪拌的過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)攪拌熔體的作用，f2為垂直于金屬表面的法相力，垂直指向軸心，從圖5中可以看到，洛倫茲力的方向分布是不規(guī)則的，有垂直熔體軸線的，有指向軸線的，也有與軸線成角度的，從而實(shí)現(xiàn)多方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)紊流。在研究對(duì)象SiC/C19400復(fù)合材料中，SiC增強(qiáng)顆粒在金屬基體中的分布影響著整個(gè)材料的最終性能，這樣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)SiC的成分控制和均勻化都能起到很好的促進(jìn)作用，進(jìn)一步使材料溫度場(chǎng)和溶質(zhì)場(chǎng)均勻化，更有利于等軸晶的形成。同時(shí)，對(duì)這些力做分解，均可分解為切向力及徑向力，切向力主演作用在于使得熔體英運(yùn)動(dòng)，徑向力可以減小熔體鑄坯對(duì)容器內(nèi)壁的壓力，從而減小了熔體鑄坯與模具之間的摩擦力，有利于提高鑄錠表面質(zhì)量，有效的運(yùn)動(dòng)在組織細(xì)化和熔體均勻化上均具有重要作用[9,10]。

圖5 洛倫茲力分布圖

3 結(jié)論

①通過ANSYS模擬發(fā)現(xiàn)，磁場(chǎng)強(qiáng)度隨電流強(qiáng)度增加而升高，在模型橫截面內(nèi)，磁場(chǎng)強(qiáng)度從中心向直徑增大方向增加，當(dāng)電流為60A，熔體鑄坯直徑30mm處磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到139.5mT，比30A時(shí)提高了98%。②同時(shí)根據(jù)模擬動(dòng)態(tài)過程可以觀察到洛倫茲力的分布情況，同樣是從中心向熔體直徑增大方向增加，并且在最外緣處達(dá)到最大值，且洛倫茲力方向規(guī)律性分布，各個(gè)方向的洛倫茲力可以增加熔體的攪拌效果，優(yōu)化組織性能。③本研究?jī)H進(jìn)行了理論模擬研究，為實(shí)驗(yàn)提供了理論支撐，能夠簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)的效率。后續(xù)階段的研究中，將采用實(shí)驗(yàn)手段對(duì)理論結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，以期獲得性能良好的復(fù)合材料性能。