旋转磁场对合金凝固组织形成的影响

摘 要：在合金浇注过程中施加由电磁搅拌器产生的旋转磁场，能够显著地细化晶粒，抑制初生相的生长，同时对于消除宏观偏析及促进柱状晶向等轴状晶转变也有很好的效果。

关键词：旋转磁场 凝固组织 初生相

中图分类号：TG113 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）04（c）-0116-02

追溯到20世纪初，人们在合金凝固过程中施加相应的磁场，同时还尝试着运用磁场来对凝固的金属进行搅拌，而这样就可以改变冶金组织[1，2]。强烈的电磁搅拌不但克服了直接接触金属液的机械搅拌所造成的卷入气渣等方面的缺点[3]，还在液相流动对凝固过程中祈祷的作用效果有很大程度的提高，进而在流动对凝固影响的研究中逐步形成一个重要的途径[4]。本文阐述旋转磁场对细化初生相，消除宏观偏析，获得等轴晶的作用效果。

1 旋转磁场对合金组织的影响

1.1 旋转磁场对过共晶铝合金初生硅的细化

旋转磁场对初晶硅的细化表现在三个方面。

（1）电磁搅拌抑制初晶硅各向异性生长。初晶硅的生长属于小平面生长，在无外接干扰的情况下，初晶硅会遵循择优生长原则长成粗大板块状。加入旋转磁场后，在电磁搅拌作用下，初晶硅表面形成较多的机械孪晶，产生分支，同时加快溶质的扩散，促进温度场的均匀化，增加初晶硅厚度，从而在一定程度上抑制初晶硅择优生长，促使其向球团化转变[5]。

（2）初晶硅中存在许多如孪晶，位错，亚晶界等缺陷[6]。在旋转磁场的作用下，由于初生si和周围熔体的电导率不同而产生了相对运动，初生相受到金属液的冲击。凝固开始时，这些初生枝晶将被碎断而形成更小晶粒[7]。这些游离晶随着熔体一同流动，并在低温下各自长成新的游离晶，增加了晶粒的数目[8]。

（3）熔体温度场均匀化。当合金液开始析出初生硅晶核时，由于液体各处温度基本相同，初生硅可在整个液体内同时非均质形核，从而细化初生硅[5]。另外在变质处理后，再外加旋转磁场作用，效果更佳[9]。

1.2 旋转磁场促进柱状晶向等轴晶形态转变

铝合金的铸造宏观组织，分两类：等轴晶和柱状晶。柱状晶区含有纵“弱面”，轧制时易沿弱面开裂而产生废品；而等轴晶没有明显增加的弱面，加工时不易开裂，性能的方向性小。故希望能尽量促进柱状晶向等轴晶的形态转变，缩小柱状晶区。

Al（4%～5%）Cu合金为试验材料，研究旋转磁场对Al-Cu合金凝固组织的影响。结果发现，旋转磁场对合金的凝固组织产生明显的细化效果，凝固组织呈现近等轴晶颗粒，分布较均匀，晶间距也明显减小。[10]

产生该现象的原因是由于在磁场的作用下，铸型中金属液流动，是靠近型壁处为层流，中心为絮流。层流前沿速度取决于旋转磁场强度，随着磁场强度增大，层流速度快，对型壁上晶体冲刷力大，从型壁上冲刷下来的晶体多，有利于等轴晶的形成细化晶粒。另外，随着磁场强度的增加，会对中心絮流层造成温度波动，会降低晶粒的平均生长速度，同时使固液界面出现周期性的重熔现象。枝晶端部液体絮流造成的热脉动的升高，会使枝晶臂熔断，使液体中晶粒倍增，从而细化晶粒，推动柱状晶向等轴晶转变[10～15]。

1.3 旋转磁场对金属凝固过程中成分偏析的影响

在旋转磁场条件下对Sn-Bi合金[16]的研究表明，旋转磁场有显著的细化晶粒和消除组织不均的现象。

通过实验对比研究了常规条件下和旋转磁场条件下Pb-50%Sn，Pb-58%Sn亚共晶合金和Pb-64%Sn，Pb-68%Sn过共晶合金凝固组织的形貌特征，发现旋转磁场具有消除宏观偏析、碎断和细化枝晶、加快固液界面的溶质扩散速度以及在合金中产生团状组织等作用。[17]

在旋转磁场的作用下，合金熔体先归于磁场做磁力线运动，熔体每一点都产生感生电动势，感生电流，因而会受到一个电磁力，在熔体内产生两种运动。一种以铸件中心为轴，沿磁场旋转方向在水平面做圆周运动，另一种沿着圆柱体半径方向在竖直平面形成两个流环[18]。旋转磁场会引起熔体内产生的感生电流对合金具有加热作用[19]，从而使冷却速度都较常规条件下慢，延缓了冷却速度。

所以，旋转磁场会引起熔体内部剧烈运动，导致金属熔体的强迫流动，使熔体内部温度场和溶质场均匀化，加速熔体中溶质原子的扩散，克服了常规条件下组织分布不均的问题[16]；同时降低了扩散层的厚度，加快了凝固边界层溶质富集区过多的传输和扩散。降低了成分偏析的概率。

2 外加旋转磁场的应用前景

随着现代工业和环境科学的发展，现代材料要求经济学，功能性和环境协调性相统一。围绕这一主题，世界各国都在大力发展材料的研究和制备技术。近20年来，物理场处理技术作为一种环保，经济，具有很大发展潜力的技术备受关注。至今，世界各国研究人员分别用超声波，电场，磁场以及上述场的混合场对不同金属的凝固行为做了大量的研究，结果发现，在合金的凝固过程中施加交，直流电场或磁场，有着细化晶粒，改善组织的作用[20]，此外，该项技术的开发与应用还对新材料的开发利用以及节约稀土等稀缺资源都有着重大贡献，因此受到了极大关注。然而，作为一个新技术，至今还未对其影响机理达到统一认识，是该技术没能得到广泛的应用。但这也从另一个方面也说明了旋转磁场的的研发与应用有很大的拓展空间，有待大家的共同努力。

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