行波磁场强度对于铝铜合金铸锭组织的影响

杨勋刚 张川豫

摘 要：文章以铝铜合金作为实验材料，开展了电磁模铸的应用研究，研究了不同行波磁场强度对于铸锭质量的影响规律。结果表明：磁场的电流强度越高，对于铸锭组织的改善效果越显著。

关键词：铝铜合金；行波磁场；磁场强度

中图分类号：TG146.1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）20-0096-02

Abstract： In this paper， using aluminum-copper alloy as experimental material， the application of electromagnetic die casting was studied， and the effect of different traveling wave magnetic field intensity on the quality of ingot was studied. The results show that the higher the current intensity of the magnetic field is， the more significant the improvement effect on the microstructure of the ingot is.

Keywords： aluminum-copper alloy； traveling wave magnetic field； magnetic field strength

1 概述

近年来的研究发现在凝固的过程中综合利用电磁场，能够有效的控制凝固过程，达到改善晶粒组织，提高性能的目的。N. Ramachandra[1]研究了金属熔体中流场行波磁场作用下的变化规律，发现行波磁场可以在熔体中产生轴向的宏观对流，这种流场能够改变熔体中浓度场和温度场的分布，并对凝固过程中晶粒生长界面的形状有直接的影响。V. Metan[2]研究了行波磁场对Al-Si合金凝固过程中晶粒尺寸的细化效果，磁场的强度越大所获得的细小等轴晶区域的面积越大，且晶粒的平均尺寸也越小。 等[3]在Al-Ni合金定向凝固的过程中施加行波磁场，研究发现行波磁场会在合金熔体中产生强制的环流，环流的方向对于晶粒的生长和合金元素的偏析均有显著的影响，通过控制磁场的大小和方向能够控制晶粒的尺寸形态。苏彦庆等[4]研究了行波磁场下熔体中电磁力的变化规律，研究发现，在行波磁场作用下熔体中电磁力的增长与熔体中合金溶液的长度的增长成线性关系。为了在模铸条件下获得良好的铸锭质量，本实验采用近似定向凝固的冷却方式，主要考察了不同的行波磁场电流强度对于合金铸锭的影响。

2 实验方法

实验采用的是行波磁场，实验中，行波磁场的频率保持不变，为20Hz，合金溶液的初始温度为700℃，冷却水位高度为10mm、水流量为20L/min。实验中分别考察了磁场电流为60A、100A和160A时，行波磁场对于细化铸锭宏观和微观组织的影响。

3 结果与讨论

不同磁场强度下铝铜合金铸锭宏观组织如图1所示。其中图1（a）（b）（c）则分别为施加磁场电流为60A、100A和160A的行波磁场处理后的铸锭宏观组织图。

由图1可知，当施加的行波磁场电流强度为60A时，我们发现铸锭中部区域的组织基本一致，为近似等轴状的组织，底部和边部的枝晶生长有一定的方向性，这和不加磁场时的晶粒生长方式有一定的类似。铸锭的上部为粗大发达的枝晶组织，且铸锭的上部同样出现了严重的集中缩孔现象，说明电流强度为60A的行波磁场对于铸锭凝固过程的控制和改善效果有限。当施加的行波磁场的电流强度为100A时，铸锭的宏观组织与未加磁场时的宏观组织有显著的区别，除却边部和底部能够观察到少量的枝晶组织外，晶粒组织主要为不规则粗大的等轴晶组织，晶粒的生长没有明显的方向性，这说明100A的行波磁场能够有效的控制铸锭的凝固过程，促使柱状晶向等轴晶的转变，但是对于晶粒尺寸的细化效果有限。当施加的行波磁场的电流强度为160A时，整个铸锭截面上的组织呈现为细小均匀的等轴晶组织，说明160A的行波磁场能够有效的控制和改善铸锭的凝固过程，不仅能够有效地促使柱状晶向等轴晶的转变，同时还能有效的细化晶粒组织。

根据上述宏观组织的分析结果，我们又对比了磁场电流强度为60A和160A的铸锭微观组织变化情况。不同磁场强度下铝铜合金铸锭微观组织和晶粒尺寸分布状况如图2所示。

当行波磁场的电流为60A时，铸锭不同区域的微观组织并没有太显著的区别，铸锭的微观晶粒组织为不规则的棒状和枝状组织，晶粒普遍比較粗大，尺寸分布也不均匀，晶粒尺寸主要介于200-800μm之间，平均尺寸为515.50μm。当行波磁场的电流为100A时，铸锭不同区域的微观组织没有太显著的区别，微观晶粒组织的形貌不是很统一，主要由不规则的多边形组织组成，同时也存在少量的粗大枝晶组织，晶粒尺寸主要介于200-600μm之间，平均尺寸为433.64μm。当行波磁场的电流为160A时，铸锭的微观组织发生明显的变化，主要为不规则球形组织和少量的细枝晶组成，不同区域的晶粒组织形貌基本一致，晶粒的尺寸比较细小，分布也比较均匀，晶粒尺寸主要介于150-400μm之间，平均晶粒尺寸为251.67μm。因此，随着行波磁场强度的增加，铸锭的微观组织变得更加细小均匀，磁场强度越高，细化效果越好。

4 结束语

本文探讨了行波磁场强度对于铸锭凝固组织的影响规律，对实验结果进行了分析讨论，得到了以下结论：随着行波磁场强度的增加，铸锭的组织更加均匀，改善效果越显著。

参考文献：

[1]N. Ramachandran， K. Mazuruk， M. P.Vo1z. Use of Traveling magnetic fields to control melt convection [C]. Part of the SPIE Conference on Materials Research in Low Gravity II. 2009.

[2]V. Metana， K. Eigenfeld， D. Rbigerb， M. Leonhardt， S. Eckert. Grain size control in Al-Si alloys by grain refinement and electromagnetic stirring [J]. Journal of Alloys and Compounds， 2009：1-10.

[3] ， Nathalie Mangelinck-Nol， René Moreau. Control of melt convection by a travelling magnetic field during the directional solidification of Al-Ni alloys [J]. C. R. Mecanique， 2007，335：330-335.

[4]Su Y Q， Xu Y J， Zhao L， Guo J J， Fu H Z. Effect of electromagnetic force on melt induced by traveling magnetic field [J]. Trans. Nonferrous Met. Soc. China， 2010，20：662-667.