电磁能对Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金铸锭组织的影响

郭有军，闫春雷，鲍鑫宇，麻永林

(1.包头铝业有限公司，内蒙古 包头 014010； 2.内蒙古科技大学 材料与冶金学院，内蒙古 包头 014010)

随着航天、汽车工业的迅速发展，对于材料的要求不断提高。Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金由于其具备高强度、耐腐蚀，高耐磨、高耐热及密度低等优点，是航空、汽车工业等领域不可缺少的材料之一[1-3]。晶粒细化可以有效提高材料的性能，对于Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金，添加变质剂可以减小合金微观组织中初晶硅的尺寸，磷盐是应用最广泛的变质剂，但是添加磷盐到熔体中，不能控制共晶硅的尺寸[4]。随着材料专家对铝合金物理场晶粒细化技术的研究，电磁振荡技术[5]、高强超声波[6]及脉冲电磁场[7]等技术不断发展，这些技术克服了传统细化技术存在的问题。

脉冲电磁场作为一种适用于多种金属的新型晶粒细化方法，具备操作方便、可以满足金属洁净度要求、节能等优点，是金属晶粒细化方法的研究热点之一[8]。目前，关于脉冲电磁场的细化机制有几种理论，Gao等[9]认为，脉冲电磁场细化凝固组织是由于脉冲电磁场将晶核从模壁上脱落，成为游离晶核进入熔体；Wang等人[10]认为树枝状晶体臂在脉冲电磁场的作用下断裂，断裂的树枝状晶体成为熔体中的形核核心。关于脉冲电磁场细化机制的研究很少涉及电磁能对成核过程的影响，而系统中的能量波动是形成晶核的必要条件。

本研究基于脉冲电磁场携带能量的特性，对Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金熔体施加脉冲电磁场，并分别对常规铸造和施加脉冲电磁场铸造生产的Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金铸锭进行微观组织观察，分析电磁能对合金微观组织的影响，为电磁能晶粒细化理论提供试验支持。

1 试验材料及方法

本试验所用设备由脉冲电磁场晶粒细化装置(感应线圈与硅钢铁芯，专用电源)、半连续铸造系统、浇铸盘、引锭装置、结晶器组成，试验装置如图1所示。试验材料为Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金。在整个试验过程中保证铸造工艺参数不发生改变。在开始浇铸前进行合金成分检测，成分合格后浇铸。脉冲电磁场晶粒细化装置安置于流槽正上方，脉冲电磁场发生器与铝合金熔体表面间距小于10 mm。铸造过程稳定后，在不接触金属熔体的条件下，对熔体施加脉冲电磁场，随后熔体流过流槽进入浇铸盘，最终熔体凝固成Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金铸锭。铸造工艺参数如表1所示。

图1 试验装置示意图

表1 Al-Si-Cu-Mg-Ni合金铸造工艺参数

本试验选取电磁能处理熔体温度为660 ℃，占空比20%，电流40 A，频率分别为20 Hz和40 Hz。合金铸造完成后对铸锭取样。对未施加电磁场与施加不同频率电磁场的铸锭进行径向切割、取样，微观组织观察试样取自铸锭中心部位及边部。腐蚀剂采用Keller试剂，腐蚀时间约20 s。采用光学显微镜(OM)观察合金铸态组织。使用场发射扫描电子显微镜(FESEM)观察合金铸态微观组织。利用Image-Pro Plus 6.0软件测量晶粒尺寸。利用截线法测量初生相α-Al一次、二次枝晶臂间距。

2 试验结果及分析

2.1 电磁能对Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金凝固组织的影响

图2为不同频率脉冲电磁场处理的Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金凝固组织。

图2 脉冲电磁场频率对Al-Si-Cu-Mg-Ni合金凝固组织的影响

图3为不同频率脉冲电磁场处理的凝固组织中α-Al平均尺寸、一次枝晶臂、二次枝晶臂间距。如图3a所示，未施加脉冲电磁场，铸锭中心位置凝固组织中初生相α-Al平均尺寸为31 μm，边部组织中初生相α-Al平均尺寸为20 μm。施加20 Hz脉冲电磁场，初生相α-Al平均尺寸减小，心部位置初生相α-Al平均尺寸减小19.35%，边部α-Al平均尺寸减小15%。当施加40 Hz脉冲电磁场时，发现比施加20 Hz脉冲电磁场的初生相α-Al平均尺寸大。试验结果表明，脉冲电磁场参数的变化，会影响晶粒尺寸。

如图3b、c所示，未施加脉冲电磁场，心部组织中初生相α-Al一次枝晶臂间距为75.99 μm，二次枝晶臂间距为15.28 μm。施加20 Hz脉冲电磁场，心部组织中初生相α-Al一次枝晶臂间距为60.4 μm，二次枝晶臂间距尺寸为13.67 μm。施加40 Hz脉冲电磁场，心部组织中初生相α-Al一次枝晶臂间距为60.51 μm，二次枝晶臂间距尺寸为15.17 μm。 未施加脉冲电磁场，边部组织中初生相α-Al二次枝晶臂间距为9.06 μm，一次枝晶臂间距为32.91 μm，施加20 Hz脉冲电磁场，边部组织中初生相α-Al二次枝晶臂间距尺寸减小到7.8 μm，初生相α-Al一次枝晶臂间距为22.63 μm。当施加40 Hz脉冲电磁场，边部组织中初生相α-Al二次枝晶臂间距为8.24 μm，边部组织中初生相α-Al一次枝晶臂间距尺寸为26.09 μm。

图3 脉冲电磁场频率对α-Al平均尺寸、一次枝晶臂、二次枝晶臂间距的影响

综上所述，脉冲电磁场作用下，初生相α-Al平均尺寸减小，初生相α-Al的一次枝晶臂间距与二次枝晶臂间距均减小。从初生相α-Al形态上看，20 Hz脉冲电磁场，初生相α-Al的枝晶臂间距脱落最明显，导致初生相α-Al平均尺寸降低。从数据可知，脉冲电磁场频率会对Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金凝固组织产生影响。

2.2 电磁能对Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金耐热相的影响

图4为利用场发射扫描电镜(FESEM)观察的Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金组织中耐热相形态、尺寸及分布状态。图4显示，微观组织主要包括三种耐热相，其中δ-Al3CuNi为亮色，Q-Al5Cu2Mg8Si6为黑色，ε-Al3Ni为块状。耐热相会影响合金的力学性能[11-12]。未施加脉冲电磁场的铸锭中，耐热相ε-Al3Ni为块状且尺寸较大， 呈团聚状态。当施加20 Hz脉冲电磁场时，耐热相 ε-Al3Ni发生形态、尺寸改变，耐热相δ-Al3CuNi尺寸减小且分布均匀，同时耐热相Q-Al5Cu2Mg8Si6的数目增多。当施加40 Hz脉冲电磁场时，耐热相尺寸较未施加电磁场的减小，白色的Q-Al5Cu2Mg8Si6数目增多。20 Hz脉冲电磁场作用下，耐热相尺寸最细小，δ-Al3CuNi数目最多，同时Q-Al5Cu2Mg8Si6相数目增多。

图4 脉冲电磁场频率对Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金微观组织中耐热相的影响

脉冲电磁场不仅可以细化初生相、也可以细化耐热相，同时耐热相的形态、分布也发生改变，有利于提高铸件的力学性能。

2.3 电磁能作用下的形核过程

液相线以上一定温度范围内，原子集团的尺寸较大，原子集团的数量、大小与分布比较均匀[13-14]。脉冲电磁场携带的能量作用下，金属熔体中的原子集团大量聚集，在铝合金熔体表面形成电磁能处理区域[15]。合金熔体原子集团进行相互碰撞与结合, 原子集团分布更加均匀。施加的磁能进入体系内，产生能量起伏。

施加脉冲电磁场后，磁能进入体系内，电磁能作用下，总自由能变化为

ΔGtot=VΔGm+Sσ

(1)

式中：

V—晶核体积；

S—表面积；

ΔGm—磁场中固液相吉布斯自由能增量；

σ—固、液界面能[16]。

电磁能作用于合金熔体，磁场中固液相吉布斯自由能增量计算公式为

(2)

激活能计算公式表示为[17]

(3)

将式(3)代入式(2)可得

(4)

电磁能计算公式为

(5)

磁感应强度

B=Hμ0μr

20世纪初以来，中国学者翻译的外国人名多有汉化的倾向，如李德、康德、孔德、王尔德、“白瑞德”“高老头”之类，若不知语境，则几乎混同中国人名（当然像赛珍珠、南怀仁、费正清、彭定康等外国人自取的中文名字除外）。对此，鲁迅先生批评到：“以摆脱传统思想的束缚而来介绍世界文学的文人，却偏喜欢使外国人姓中国姓……我真万料不到一本《百家姓》，到现在还有这般伟力。”[8]

(6)

得到

(7)

式中：

H—磁场强度；

B—磁感应强度；

μr—相对磁导率；

μ0—真空磁导率；

w—电磁能密度；

ΔχS-L—固液相体积磁化率的变化；

ΔGv—单位体积吉布斯自由能差。

电磁能作用下，激活能降低。

液相线以上一定温度区间原子集团的演变规律[18]：

T0≤T≤TC

(8)

式中：

R(T)—T温度下原子集团的平均半径；

α—几何形状因子，0<α≤1；

Z1—金属熔化前的配位数；

r—原子集团中原子之间的距离；

k—玻尔兹曼常数；

C0—熔点处被激活原子的相对浓度；

Tm—熔点；

T0—过冷熔体中临界形核温度；

TC—熔体从液态到气态转变过程中发生第一次原子集团失稳的温度。

从公式(8)可知，电磁场携带的能量可以降低激活能，激活能的变化，会影响原子集团的平均半径，激活能减小，原子集团尺寸减小，熔体中原子集团数目增加，使形核过程中形核率提高。同时电磁能可以降低体系中的形核壁垒，克服临界形核功，影响形核过程[19]，最终初生相α-Al平均尺寸减小，α-Al一次枝晶臂、二次枝晶臂间距缩短，耐热相的尺寸减小。

3 结 论

1)施加脉冲电磁场，Al-Si-Cu-Mg-Ni活塞合金凝固组织中初生相α-Al平均尺寸、一次枝晶臂间距、二次枝晶臂间距减小。耐热相尺寸减小，数目增多，分布状态发生改变。

2)频率参数为20 Hz时，组织细化效果最好，铸锭心部组织中初生相α-Al一次枝晶臂间距、二次枝晶臂间距较未施加脉冲电磁场的分别减小20.5%、10.54%，铸锭边部的分别减小31.2%、13.9%。铸锭心部组织中初生相α-Al平均尺寸减小22.5%，铸锭边部的减小15%。