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        電磁場對3003鋁合金鑄軋板材組織的影響

        2021-12-28 10:58:16呂野楠許光明
        輕合金加工技術 2021年9期
        關鍵詞:電磁場

        呂野楠,丁 韌,許光明,尤 濤

        (1.遼寧省交通高等??茖W校 機電系,遼寧 沈陽 110122; 2.東北大學 材料電磁過程研究教育部重點實驗室,遼寧 沈陽 110819)

        3×××系鋁合金是以Mn為主要合金元素熱處理不可強化鋁合金,其塑性好、焊接性能好、耐腐蝕性能良好,可加工成板材、管材、型材和線材[1]。該系鋁合金具有較大的過冷度,因此在快速冷卻時容易產(chǎn)生晶內(nèi)偏析。Fe元素是主要雜質元素之一,加入適量的Fe元素能減少偏析,又能細化晶粒[2]。宏觀偏析是鑄軋板帶常見的缺陷之一,受鑄軋工藝參數(shù)、合金元素添加量、液穴深度等多因素影響,導致中心層出現(xiàn)偏析[3-4]。

        材料電磁加工(EPM)已成為金屬材料基礎研究領域的重要研究方向之一,已形成多學科交叉、應用領域廣泛、工藝方法眾多的一門邊緣科學[5-13]。本試驗鑄軋 3003 鋁合金板材,通過常規(guī)鑄軋與施加電磁鑄軋的板材組織對比分析,研究電磁場對3003鋁合金板材微觀組織及偏析的影響。

        1 試驗材料與方法

        試驗用3003鋁合金的化學成分(質量分數(shù)):1.2%Mn、0.7%Fe、0.6%Si、0.05% Cu、0.05%Zn,余量為Al。將熔煉爐加熱到730 ℃并保溫20 min后,加入合金元素,待合金元素完全熔化后攪拌均勻。爐溫降至700 ℃,靜置30 min。通過熔體供料流槽,在水平式雙輥鑄軋機上鑄軋。電磁鑄軋示意圖見圖 1。靜磁場勵磁電流為250 A,脈沖電源為SPMD系列脈沖電源,脈沖電流峰值為300 A,鑄軋板坯厚度為5 mm。試樣采用Leica光學顯微鏡進行顯微組織觀察,采用東北大學檢測中心的JEOL JXA-8530F電子探針儀進行觀察及能譜分析。

        圖1 電磁場鑄軋示意圖

        2 結果與討論

        2.1 電磁鑄軋對板材微觀組織的影響

        圖2a為常規(guī)鑄軋3003鋁合金板材組織。可以看出,微觀組織中枝晶臂發(fā)達,存在粗大不規(guī)則薔薇狀枝晶。這是因為常規(guī)鑄軋生產(chǎn)時,凝固界面前沿存在一定的成分過冷區(qū),因此出現(xiàn)樹枝狀結晶,由于軋輥冷卻能力不均勻,造成不均勻結晶組織,部分枝晶快速生長,枝晶粗大。

        圖2b為電磁場條件下鑄軋組織。施加電磁場后,枝晶出現(xiàn)不同程度的細化且枝晶形態(tài)發(fā)生一定的變化,粗大枝晶消失,一次枝晶被打碎,剪切變短,二次枝晶壁變得更加致密,富集于枝晶間的非平衡共晶相顯著減少。

        圖2 3003鋁合金鑄軋板材微觀組織

        根據(jù)法拉第電磁感應定律[14]:當導體在磁場中作切割磁力線運動時產(chǎn)生感應電流,感應電流與磁場相互作用產(chǎn)生電磁力。鑄軋時,由于結晶前沿熔體有一定的溫度梯度,并有一定的成分過冷,結晶前沿并不是水平推進的,而以樹枝狀結晶。電磁力對熔體產(chǎn)生電磁振蕩作用,凝固前沿的枝晶末端被剪切、打碎;這些碎塊繼續(xù)受到電磁力的振蕩作用,彌散分布到凝固前沿的亞穩(wěn)流體中,成為“異質”形核點,提高了形核率,使枝晶得到細化。其次,電磁場可以促進凝固前沿亞穩(wěn)流體的均勻形核,外加脈沖電流和恒穩(wěn)磁場形成的復合場會以一定頻率波動,凝固前沿的亞穩(wěn)流體中會出現(xiàn)一定程度的能量起伏;同時電磁振蕩加速了凝固前沿原子的振動,提供了結構起伏并降低了原子越過固液界面的擴散激活能。因此施加電磁場可以提供均勻形核的條件,促使均勻形核的發(fā)生,細化枝晶。

        2.2 電磁鑄軋對板材偏析的影響

        圖3a、3b為常規(guī)鑄軋3003鋁合金板材中心與邊部偏析組織??梢钥闯?,組織中存在大量光亮晶,光亮晶晶界處依附許多小黑點,這些小黑點對應于圖2a中晶界處的顯微偏析。對于3003鋁合金,合金元素Mn在鋁中擴散系數(shù)比較慢[2],在共晶溫度時Mn在鋁中的溶解度僅為1.82%,室溫下固溶度小于0.3%。在鑄軋快速冷卻條件下非平衡凝固,固體中合金元素擴散不均勻,造成枝晶中心向邊部的合金元素濃度遞增分布,最終Mn元素偏聚于晶界處或枝晶末端,形成偏析,晶粒越粗大偏析越嚴重。

        圖3c、3d為電磁鑄軋板材中心和邊部偏析組織。在電磁場作用下,組織中出現(xiàn)少量的枝晶偏析。如前所述,傳統(tǒng)鑄軋由于冷卻強度大,實際的凝固過程往往是存在一定成分過冷的非平衡凝固。在凝固界面前沿,枝晶向前生長時,溶質元素被排擠到枝晶末端液相中產(chǎn)生非平衡共晶相,造成嚴重的枝晶偏析。外加電磁場使枝晶細化,抑制了這一過程,電磁振蕩促進熔體對流和溶質傳輸。傳統(tǒng)鑄軋凝固界面前沿液相區(qū)自然對流很弱,外加電磁場使其流動不再是單一的自然對流,還有強制對流,加強溶質擴散,減少共晶液相的存在,減少枝晶偏析。

        圖3 3003鋁合金鑄軋板材微觀組織

        2.3 電磁鑄軋板材偏析帶分析

        3003鋁合金板材常規(guī)鑄軋組織沒有發(fā)現(xiàn)宏觀偏析缺陷,3003鋁合金結晶范圍窄,當冷卻強度大時鋁液在極短時間內(nèi)凝固,并沒有產(chǎn)生明顯的宏觀偏析。電磁鑄軋板材中心組織也沒有宏觀偏析,但邊部組織中出現(xiàn)了明顯的宏觀偏析帶,見圖3c、3d。

        如圖4所示,對電磁鑄軋板邊部偏析位置(譜圖1)和非偏析位置(譜圖2)能譜分析,發(fā)現(xiàn)偏析位置合金元素富集嚴重程度為w(Si)>w(Fe)>w(Mn),其中w(Si)=5.57%,w(Fe)=3.76%,w(Mn)=2.60%,而非偏析帶區(qū)域w(Mn)=1.12%,非偏析帶區(qū)域未檢測到Fe、Si等元素。

        圖4 邊部偏析位置和非偏析位置成分分析

        由文獻[15-18]可知,Mn會與合金中的Fe、Si、Al生成鋁硅錳鐵四元合金,640 ℃時,四元合金以固態(tài)形式存在,即在熔體中以懸浮小顆粒存在。當施加電磁場,電流J與磁場B交互作用產(chǎn)生電磁力f,f=J×B,因顆粒與熔體電阻率不同存在壓力梯度,由Leenov-Kolin理論可知:

        式中:

        dp—顆粒直徑;

        σ—熔體的電導率;

        σp—顆粒的電導率。

        鐵相的電導率遠小于鋁熔體的,可認為鐵相電導率為零(σp=0),上式簡化為

        當粒子尺寸、電流及磁場強度達到一定值時,鐵相粒子聚集在鑄軋板材中形成宏觀偏析帶。

        3 結 論

        1)在3003鋁合金鑄軋板材鑄軋過程中施加電磁場可以有效地改善其顯微組織,剪碎枝晶、細化晶粒。

        2)外加電磁場會抑制自然對流,加強溶質擴散,減少了共晶液相的存在,減少偏析。

        3)Mn的加入會與合金中的Fe、Si、Al生成鋁硅錳鐵四元合金,因鐵相的電導率非常小,電磁場在鐵相周圍產(chǎn)生的電磁斥力與重力共同作用,鐵相粒子聚集在一定區(qū)域的,在鑄軋板材中形成宏觀偏析帶。

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