表面脉冲电磁场对7A04铝合金凝固组织细化研究

冯艳飞，刘文明，杨 路，王 克，麻永林

(1.辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003； 2.内蒙古科技大学材料与冶金学院，内蒙古 包头 014010)

7A04铝合金广泛地应用于航空航天、军工、汽车等领域[1]，随着这些领域的快速发展，要求合金具有更高的强度、更好的塑性等机械性能。然而，合金的凝固组织很大程度上决定了它的机械性能，因此研究合金的凝固过程具有十分重要的意义[2]。近年来，在材料合金的凝固过程中，对其施加电磁场来改善合金组织这一方法受到极大的关注。该方法具有无污染、操作简单等优点。訾炳涛等[3]研究发现经脉冲磁场处理后，LY12铝合金的晶粒明显细化，树枝晶被打断、粉碎，并且随着磁场强度的增加，晶粒的平均尺寸逐渐减小。Liao等[4]认为对高温液态熔体施加脉冲电流不能细化凝固组织，只有在形核阶段施加脉冲电流，才能显著细化凝固组织。目前，7A04铝合金采用表面脉冲电磁场技术研究铸造凝固报道较少。为此，本文通过研究7A04铝合金凝固过程施加表面脉冲电磁场作用，探讨表面脉冲电磁场对7A04铝合金凝固组织晶粒大小、凝固温度、力学性能的变化规律及影响过程，结合DSC分析研究表面脉冲电磁场对凝固过程的影响，为后续铸锭生产过程获得均匀细化的晶粒提供了一种新的方法。

1 试验过程及方法

试验材料为7A04铝合金，化学成分见表1。将7A04铝合金原料在中频感应炉内加热至800 ℃，静置保温300 s后，将熔体迅速倒入提前预热到700 ℃的铜结晶器内，并调整表面脉冲电磁场装置与熔体表面距离为10 mm，进行表面脉冲电磁场处理，试验设备简图如图1所示。磁场参数设定为频率20 Hz、电流占空比为20%，峰值电流分别为100 A和120 A，并与未施加电磁场处理进行对比。

选用直径φ1 mm的K型热电偶对结晶器内熔体中心位置的凝固温度进行测定。铸锭完全凝固后，在铸锭(尺寸为φ60 mm×150 mm)中心位置取10 mm×10 mm×10 mm方块试样用于组织观察和硬度测试。采用Axio-Imager蔡司显微镜观察金相组织，并用截线法计算晶粒平均尺寸。

图1 试验装置简图Fig.1 Schematic diagram of the test device

元素ZnMgCuMnCrTiSiFeAl含量6.251.801.790.280.170.10.50.5其他

2 试验结果与分析

2.1 表面脉冲电磁场对凝固组织的影响

图2为未施加电磁场处理与磁场处理的铸锭凝固组织。由图可知，未加磁场的凝固组织存在粗大的玫瑰状枝晶，且大小不均匀见图2(a)。而施加表面脉冲电磁场后，粗大玫瑰状枝晶在不同程度细化成球状的等轴晶，并随着峰值电流不断增大，晶粒平均尺寸呈先减小后增大趋势，见图2(b)、2(c)。不同电磁场处理后中心位置组织晶粒平均尺寸分别为235.0、139.7和197.4 μm，组织晶粒平均细化率为16.1%～40.8%。其中，在频率20 Hz、电流占空比20%、峰值电流100 A时，晶粒细化效果最佳。可见，表面脉冲电磁场对晶粒组织具有显著细化作用。

(a)未加磁场处理；(b)频率20 Hz、电流占空比20%、峰值电流100 A ；(c)频率20 Hz、电流占空比20%、峰值电流120 A图2 铸锭的中心凝固组织(a)non-magnetic field treatment；(b)the frequency with 20 Hz, the current duty ratio with 20%, and the peak current with 100 A；(c)the frequency with 20 Hz, the current duty ratio with 20%, and the peak current with 120 AFig.2 The center solidification structure of ingot

2.2 表面脉冲电磁场对凝固冷却温度的影响

图3为未施加电磁场和电磁场参数为频率20 Hz、电流占空比20%、峰值电流100 A下的铸锭凝固冷却温度对比曲线。由图可知，冷却温度曲线均出现了一个结晶温度平台和两个温度转折点，其温度转折点所对应的温度分别为开始结晶温度和终了结晶温度。在未施加电磁场作用时，开始结晶温度为644.3 ℃，从铝液至7A04铝合金开始结晶所用时间为342.1 s,终了结晶温度为639.8 ℃，结晶温度平台共作用时间为362.4 s。而施加表面脉冲电磁场作用时，开始结晶温度为635.4 ℃，从铝液至7A04铝合金开始结晶所用时间为160 s，终了结晶温度为633.7 ℃，结晶温度平台共作用时间为203 s。

与未施加磁场处理相比，施加表面脉冲电磁场开始及终了结晶温度均降低，结晶温度平台作用时间也大大缩短，但过冷度相对增大了8.9 ℃。这主要因为在电磁能作用下，熔液中开始出现更多的新相胚芽长大，释放吉布斯自由能增加，并且加快了原子团簇的生长，原子团簇长大优先选择在熔体内部悬浮固相质点表面或者型壁上。形核是原子团簇不断长大的结果，而临界形核需要克服能量起伏、浓度起伏和结构起伏[5-6]。临界形核要克服的能量为临界晶核界面能的三分之一，而表面脉冲电磁场作用能产生较大的∂B/∂t，瞬时高能量渗入熔体，瞬时电磁能释放补偿了形核所需要的能量，从而对初生晶核的形成和提高形核率提供了有利条件[7]。

图3 铸锭中心位置的凝固温度曲线Fig.3 The solidification temperature curve of the ingot at the center

2.3 表面脉冲电磁场对DSC凝固曲线的影响

图4为7A04铝合金DSC凝固曲线。可以看出，在熔点附近均存在放热峰，表征相应的凝固过程变化。未施加电磁场与表面脉冲电磁场处理的试样DSC存在明显的凝固相变差异。未施加电磁场的试样凝固潜热为246.1 J/g，而表面脉冲电磁场处理的试样凝固潜热为286 J/g，凝固潜热上升了39.9 J/g。DSC凝固曲线变化可利用团簇生长和形核理论进行解释[7]，未施加电磁场的铸态7A04铝合金熔化后，其晶态的长程有序被破坏。很多固有金属原子在热激活条件下脱离晶体点阵，表现为从外界吸收较多电磁能等能量。然而，表面脉冲电磁场处理后铝合金熔体中的原子团簇的畸变、吸附与长大，使得熔体无序过程的原子脱离效应减小，凝固潜热增加，铝合金凝固所需要的过冷度增大。

(a)未加磁场处理；(b)频率20 Hz、电流占空比20%、峰值电流100 A图4 降温DSC图谱(a)non-magnetic field treatment；(b)the frequency with 20 Hz, the current duty ratio with 20%, and the peak current with 100 AFig.4 Cooling DSC map

2.4 表面脉冲电磁场对硬度的影响

图5为铸锭中心位置的维氏硬度曲线。由图可知，通过改变表面脉冲电磁场的峰值电流进行处理，7A04铝合金铸锭维氏硬度与未施加电磁场处理相比均有所提高，铸锭硬度随着峰值电流增加而呈先增大后减小的趋势，峰值电流分别为100、120 A时，合金获得硬度分别为123.3、97.5 HV，与未处理铸锭硬度相比分别提高了31.8%和4.2%。这是因为在峰值电流为100 A时，晶粒均匀细化程度较好，在凝固过程中，表面脉冲电磁场产生瞬时磁能释放补偿了形核所需要的能量，增加了熔体内的形核几率和数量，导致凝固组织细化，而细化的晶粒增加了合金中的晶界数目，从而使合金基体强度增加。

图5 铸锭中心位置的维氏硬度Fig.5 Vickers hardness of the ingot at the center

3 结论

1)表面脉冲电磁场作用可以均匀细化7A04铝合金铸锭凝固组织，增加凝固潜热，增大过冷度，并且可以加快铝合金凝固冷却过程，缩短凝固时间以及结晶过程所用时间，降低了开始结晶温度和终了结晶温度。

2)频率为20 Hz、电流占空比为20% 、峰值电流为100 A时，7A04铝合金晶粒均匀细化效果较好，从未施加电磁场处理的235.9 μm细化至139.7 μm，平均晶粒尺寸下降了41.1%。

3)施加表面脉冲电磁场处理，7A04铝合金凝固潜热增加了39.9 J/g，过冷度相对提高了8.9 ℃，硬度增加了31.8%。