電磁鑄造技術(shù)研究進(jìn)展

劉艷明，勾靖國(guó)

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同037003）

電磁鑄造技術(shù)研究進(jìn)展

劉艷明，勾靖國(guó)

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西大同037003）

電磁鑄造是涉及多學(xué)科的復(fù)雜技術(shù)，電磁施加于鑄造過(guò)程可以明顯細(xì)化晶粒，使晶核易于形成，改善工藝性能和使用性能，提高鑄件的強(qiáng)度和韌性等，是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)。

電磁鑄造；改善工藝性能；新技術(shù)

上世紀(jì)前蘇聯(lián)專(zhuān)家從電磁感應(yīng)入手開(kāi)發(fā)了電磁鑄造加工技術(shù)，并于1966年在實(shí)驗(yàn)條件下制造出第一個(gè)鑄錠。此后，電磁鑄造作為一種新型的鑄造工藝在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展起來(lái)。發(fā)達(dá)國(guó)家陸續(xù)使用電磁鑄造技術(shù)，并將之與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，達(dá)到自動(dòng)化控制的生產(chǎn)狀態(tài)。中國(guó)在電磁鑄造領(lǐng)域的研究開(kāi)始較晚，東北大學(xué)等在電磁鑄造技術(shù)開(kāi)發(fā)上投入大量人力物力，并且效果明顯，尤其是東北大學(xué)和西北工業(yè)大學(xué)都擁有這方面的國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，具有良好的實(shí)驗(yàn)條件和經(jīng)驗(yàn)積累[1]。1986年，西南鋁加工廠(chǎng)等幾家單位聯(lián)合開(kāi)展了電磁鑄造領(lǐng)域科技研究，達(dá)到計(jì)算機(jī)全部準(zhǔn)確調(diào)控。八五期間大連理工大學(xué)將數(shù)值模擬應(yīng)用于電磁鑄造，模擬出溫度分布、電磁分布、應(yīng)力分布，這些研究開(kāi)發(fā)推動(dòng)了我國(guó)電磁鑄造技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展[2]。

1 電磁鑄造理論和工藝

1.1 電磁鑄造實(shí)驗(yàn)原理

電磁鑄造是一項(xiàng)多學(xué)科交叉的鑄造方法，電磁場(chǎng)對(duì)金屬液體產(chǎn)生安培力從而進(jìn)行攪拌，在熔融金屬液內(nèi)產(chǎn)生熱量，不同程度影響傳遞過(guò)程。安培力使熔融金屬液懸浮，與型腔輕微接觸或者沒(méi)有接觸情況下成形，使成形出來(lái)的鑄錠表面光滑，凝固組織得到明顯改善，具有較低的表面粗糙度，在使用前可以減少加工，改善工藝性能和使用性能[3]。

電磁鑄造大體上包括垂直型鑄造和水平型鑄造，垂直電磁鑄造應(yīng)用比較廣泛。交變電流通過(guò)線(xiàn)圈中激勵(lì)出交變電磁場(chǎng)，在交變電磁場(chǎng)聯(lián)合作用下，金屬液內(nèi)形成感生電流（與感應(yīng)器電流方向相反），感應(yīng)電流密度I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B形成電磁安培力F=I×B，其方向?yàn)閺较蚯抑赶蚋袘?yīng)線(xiàn)圈內(nèi)。這樣金屬液在電磁力的側(cè)向約束下呈半懸浮狀態(tài)，使得熔體與鑄壁保持軟接觸，從而可以減少表面缺陷；同時(shí)，電磁力促使金屬液形成渦流，強(qiáng)化了熔體內(nèi)部的對(duì)流，還能加快散熱，提高冷卻速率。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中可以向鑄錠噴射冷卻低溫水，自由液面狀態(tài)下金屬液進(jìn)行凝固。如果希望得到側(cè)表面垂直的半懸浮金屬液柱，可以安放屏蔽罩。降低攪拌作用，使得金屬液柱穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中為了保證安全，帶電設(shè)備全部接地并將地線(xiàn)盡量加大直徑，減小其電阻。

1.2 電磁鑄造工藝及其作用

電磁鑄造實(shí)驗(yàn)中，可以單獨(dú)給金屬液通電流和單獨(dú)通磁場(chǎng)，也可以在相互垂直的方向上同時(shí)通電流和磁場(chǎng)。電磁場(chǎng)與熔融金屬液體和電磁場(chǎng)之間可以產(chǎn)生熱量，也有安培力、熱和力作用在其中。大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)，施加電場(chǎng)可以細(xì)化金屬凝固組織，具體原因尚不明確，合適的電流密度可以使晶粒細(xì)化，產(chǎn)生孕育結(jié)果和變質(zhì)處理的效果，組織形貌得到明顯改善。

磁場(chǎng)有交流、脈沖、直流三種類(lèi)型，任何一種加在熔融鋁合金上，微觀(guān)上都朝著有利方向發(fā)展，與沒(méi)通磁場(chǎng)的相比有較大變化[4]。施加穩(wěn)恒磁場(chǎng)對(duì)熔融金屬液的凝固影響，除了減弱對(duì)流在金屬液之間的發(fā)生，還可以產(chǎn)生熱電磁流體效應(yīng)。

1.2.1 直流電場(chǎng)鑄造

據(jù)資料顯示，王勁等研究發(fā)現(xiàn)在直流電場(chǎng)作用下，電場(chǎng)中的電流變大后，數(shù)枝狀晶將會(huì)變窄，數(shù)目增加，二次生長(zhǎng)的枝晶孕育長(zhǎng)大被約束，末梢變得圓而凸，枝狀晶之間的距離降低，電流密度大于9.5 A/cm2后，微細(xì)的非枝狀晶組織演化為金屬溶液中粗大的枝狀晶組織，逐漸提高電流密度，將會(huì)使共晶體組織的量值提高。徐前剛通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，直流電場(chǎng)能夠使Al-4%Cu合金在沿著一定方向凝固時(shí)，已經(jīng)凝固和尚未凝固的過(guò)渡區(qū)域的溶質(zhì)分配系數(shù)，以及溫度變化梯會(huì)發(fā)生變化。

1.2.2 交流和脈動(dòng)電場(chǎng)鑄造

Asai等人研究發(fā)現(xiàn)Sn-Pb合金等軸晶在高密度電場(chǎng)作用下得以細(xì)化，分析得出電流通過(guò)金屬時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)，與電場(chǎng)相垂直從而產(chǎn)生安培力，金屬液體的流動(dòng)過(guò)程中有安培力作用其中，細(xì)化了等軸晶組織。郭發(fā)軍等通過(guò)對(duì)Al-5%Cu合金施加交流電場(chǎng)做定向凝固實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示交流電流數(shù)值越大，柱狀胞晶將會(huì)變得越小，作用交流電場(chǎng)之后，減小了液相內(nèi)部溶質(zhì)活度系數(shù)，減小了液固之間的穩(wěn)定性，并且通上交流電后金屬液內(nèi)部會(huì)被攪動(dòng)，枝狀晶破碎分散，使得界面能會(huì)變化起伏[5]。

傅明喜等人在實(shí)驗(yàn)中將脈沖電流通入Al-Si合金金屬液，發(fā)現(xiàn)脈沖壓力不斷施加，能產(chǎn)生小幅度沖擊，脈沖電流逐漸變大后，集中縮孔變少變小，成為小縮孔和彌散的縮松[6]。周本濂研究團(tuán)隊(duì)嘗試了合金金屬液凝固組織形貌與脈沖電流的關(guān)系，超越了一般的電遷移理論。高明等人將脈沖電流通入ZA27合金液體，發(fā)現(xiàn)和普通鑄造相比，延伸率與抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都變大[7]。

1.2.3 直流磁場(chǎng)鑄造

龍春仙研究小組發(fā)現(xiàn)，Al-Si合金中減小直流磁場(chǎng)溫度后，初生Si由較粗而大演化為窄而長(zhǎng)，磁場(chǎng)溫度慢慢降低時(shí)，金屬液體流動(dòng)所受約束減小、時(shí)間變大。王艷等發(fā)現(xiàn)直流磁場(chǎng)作用下，在過(guò)共晶Al-Si組織中，初始結(jié)晶Si顆粒偏析聚集到鑄件外型，片針狀A(yù)l-Si共晶體聚集在中部，偏聚厚度取決于磁感應(yīng)強(qiáng)度B，其數(shù)值提高后，鑄件中心部位共晶組織的區(qū)域變大。班春燕等通過(guò)對(duì)7075鋁合金施加直流磁場(chǎng)，把直流磁場(chǎng)下凝固的鑄件與沒(méi)有施加磁場(chǎng)的鑄件比較，顯示晶粒的大小變化不明顯；但是溶質(zhì)元素在晶內(nèi)的析出量減少了，從而溶質(zhì)元素的晶內(nèi)含量升高，表明直流磁場(chǎng)可以提高溶質(zhì)元素的固溶度[8]。

1.2.4 交流磁場(chǎng)鑄造和脈沖磁場(chǎng)鑄造

上世紀(jì)60年代，Langen-berg等研究發(fā)現(xiàn)交流磁場(chǎng)能夠細(xì)化鋼錠凝固晶粒。韓逸等發(fā)現(xiàn)亞共晶Al-0.90%Fe合金在施加交流磁場(chǎng)時(shí)，共晶組織中的Fe和Al沿著相反方向朝著中間匯聚，這種移動(dòng)現(xiàn)象由開(kāi)爾文力造成，并且逐漸減小了冷速，Al3Fe將趨向于朝相反方向富集[9]。劉國(guó)鈞等人發(fā)現(xiàn)在交流磁場(chǎng)作用下，凝固物中的初生相能夠轉(zhuǎn)成微小的球狀體，與加入形核劑促進(jìn)非均勻形核得到的力學(xué)性能相差無(wú)幾。

關(guān)于脈沖磁場(chǎng)，東北大學(xué)班春燕等發(fā)現(xiàn)經(jīng)脈沖磁場(chǎng)處理后樣品的LY12凝固組織中，粗大的柱狀晶明顯地細(xì)化為微細(xì)的等軸晶，表明脈沖磁場(chǎng)可以明顯改善細(xì)化晶粒、凝固組織。訾炳濤等實(shí)驗(yàn)表明脈沖磁場(chǎng)使線(xiàn)圈中的熔融金屬內(nèi)感應(yīng)出渦電流，渦電流和磁場(chǎng)交互作用產(chǎn)生出洛侖茲磁力和磁壓強(qiáng)，二者變化強(qiáng)度較為劇烈，使得液態(tài)金屬內(nèi)部振動(dòng)，產(chǎn)生較大的過(guò)冷度，易于形成晶核；而且強(qiáng)迫金屬液產(chǎn)生對(duì)流，折斷破碎大的樹(shù)枝晶，碎裂成多個(gè)結(jié)晶核心，生成多個(gè)形核的有效界面。

2 電磁鑄造數(shù)值模擬

金屬在電磁場(chǎng)下凝固是十分復(fù)雜的冶金過(guò)程，利用電腦軟件對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行模擬仿真，可以直覺(jué)看到電磁場(chǎng)內(nèi)部分布，從而更好地掌握電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)金屬溶液凝固所起的作用，對(duì)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，改善工藝性能和使用性能意義重大。

鑄造數(shù)值模擬技術(shù)是多學(xué)科融合的結(jié)果，最終將大量的計(jì)算結(jié)果以圖和表的形式輸出成變形圖、等值分布圖、溫度分布圖、磁力線(xiàn)分布圖和電勢(shì)分布圖等，并且以具體的數(shù)據(jù)形式展示出來(lái)，便于搜索和處理數(shù)據(jù)，為研究人員總體把握電磁所起的作用提供了參考。因?yàn)殡妶?chǎng)和磁場(chǎng)用人的眼睛是看不見(jiàn)的，通過(guò)軟件模擬使得這種看不見(jiàn)的物理特征實(shí)現(xiàn)了可視化，變成實(shí)實(shí)在在能夠看見(jiàn)的實(shí)體，這種物理特征分布圖突破了人們對(duì)磁場(chǎng)電場(chǎng)無(wú)法直觀(guān)感覺(jué)。

3 結(jié)論

電磁鑄造是一種新型的鑄造技術(shù)，未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)必然是相當(dāng)可觀(guān)。就目前的現(xiàn)狀而言，主要應(yīng)該研究以下方面：

(1)電磁鑄造設(shè)備裝置。包括直流電場(chǎng)、交流電場(chǎng)、脈沖電場(chǎng)鑄造裝置，以及直流磁場(chǎng)、交流磁場(chǎng)、脈沖磁場(chǎng)裝置，現(xiàn)在這方面已有不少研究成果，但還不夠完善。

(2)鑄造模擬。模擬使得電力線(xiàn)、磁力線(xiàn)、電勢(shì)等變成可視化的東西，可以預(yù)測(cè)溫度場(chǎng)、磁場(chǎng)、電場(chǎng)的大小以及分布，為電磁鑄造實(shí)驗(yàn)工藝提供參考依據(jù)。

(3)電磁鑄造的機(jī)理。鑄造工藝引入電磁場(chǎng)可以使晶粒細(xì)化，提高鑄件機(jī)械性能，具體作用原理還沒(méi)有成熟的結(jié)論。

[1]Langenberg F C,Pestel G,Honeycutt C R.Grain refinement of steel ingots by solidification in a moving electromagnetic field[J].Trans Metall Soc AIME,1961,221:993-1001.

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[3]代威，傅正義，盧北平，等.電磁場(chǎng)在材料科學(xué)中的應(yīng)用[J].國(guó)外建材科技，2004，25（3）：7-10.

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[8]班春燕，韓逸,龍春仙，等.直流磁場(chǎng)對(duì)7075鋁合金組織結(jié)構(gòu)的影響[J].特種鑄造及有色合金，2006，26（1）：15-16.

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Development of Electro-magnetic Casting Engineering

LIU Yan-ming，GOU Jing-guo
(School of Coal Engineering,Shanxi Datong University，Datong Shanxi,037003)

Electromagnetic casting is a complicated technology involving many subjects,the electromagnetic casting process can obviously refine the grain,the nucleation is easy to form,process performance and performance is improved,and can improve the strength and toughness of castings,and etc.is a new technology developed in recent years.

electromagnetic casting;improve process performance;new technique

TG14

A

1674-0874(2016)05-0058-03

2016-05-08

山西大同大學(xué)校級(jí)青年科學(xué)研究項(xiàng)目[2014Q7]

劉艷明(1982-)，男，山西呂梁人，碩士，講師，研究方向：新材料及計(jì)算機(jī)模擬。

〔責(zé)任編輯 王東〕