電磁攪拌對(duì)鎂合金鑄錠宏觀偏析的影響

張 成 徐世偉唐偉能謝 玉

(1.寶山鋼鐵股份有限公司研究院，上海 201900；2.汽車用鋼開(kāi)發(fā)與應(yīng)用技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(寶鋼)，上海 201900；3.上海運(yùn)輸工具輕量化金屬材料應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，上海 201900)

電磁攪拌對(duì)鎂合金鑄錠宏觀偏析的影響

張 成1,2,3徐世偉1,2,3唐偉能1,2,3謝 玉1,2,3

(1.寶山鋼鐵股份有限公司研究院，上海 201900；2.汽車用鋼開(kāi)發(fā)與應(yīng)用技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(寶鋼)，上海 201900；3.上海運(yùn)輸工具輕量化金屬材料應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，上海 201900)

研究了電磁攪拌對(duì)半連續(xù)鑄造鎂合金鑄錠宏觀偏析的影響。采用電磁鑄造法制備了直徑320 mm的AZ61鎂合金鑄錠，電磁攪拌施加電流為0～300 A，頻率為15 Hz。利用化學(xué)分析法對(duì)比了不同電磁場(chǎng)強(qiáng)度下鎂合金鑄錠徑向主要溶質(zhì)元素的分布情況。結(jié)果表明，電磁攪拌可以有效改善鎂合金鑄錠主要溶質(zhì)元素的分布，并且當(dāng)施加電流強(qiáng)度為20～50 A時(shí)，鑄錠徑向元素偏析比明顯減小，達(dá)到了改善鎂合金鑄錠宏觀偏析的效果。電流強(qiáng)度超過(guò)100 A時(shí)，電磁場(chǎng)強(qiáng)度較大會(huì)引起熔體過(guò)攪現(xiàn)象，從而導(dǎo)致溶質(zhì)元素偏析程度惡化。

電磁攪拌 半連續(xù)鑄造 鎂合金 宏觀偏析

鎂合金作為最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、導(dǎo)熱性好、電磁屏蔽效果佳、阻尼減震性能好、機(jī)械冷加工性能優(yōu)良、零件尺寸穩(wěn)定以及易回收等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、汽車工業(yè)、電子信息和民用家電等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1- 2]。隨著社會(huì)進(jìn)步和技術(shù)發(fā)展，在鎂合金鑄坯生產(chǎn)領(lǐng)域提出了許多新方法和新技術(shù)[3]。

在鎂合金半連續(xù)鑄造過(guò)程中，不同元素由于在凝固過(guò)程中的擴(kuò)散作用，成分分布會(huì)出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象，這是鎂合金熔體凝固過(guò)程中因?yàn)槿苜|(zhì)再分配而產(chǎn)生的必然現(xiàn)象。這種溶質(zhì)分布不均勻的區(qū)域偏析會(huì)嚴(yán)重影響半連續(xù)鑄造鎂合金鑄錠的力學(xué)性能，進(jìn)而降低后續(xù)深加工(擠壓、軋制等)的生產(chǎn)效率。鎂合金鑄錠質(zhì)量對(duì)變形材料起著基礎(chǔ)性的決定作用，鑄錠質(zhì)量的高低直接影響加工產(chǎn)品性能的優(yōu)劣。如何減輕這種區(qū)域偏析是目前鎂合金半連續(xù)鑄造研究的重點(diǎn)。為了提高鎂合金鑄錠的質(zhì)量，電磁攪拌作為一種高效、無(wú)接觸的改進(jìn)工藝，將其用于鎂合金是較理想的攪拌鑄造工藝。目前關(guān)于鎂合金電磁攪拌半連續(xù)鑄造方面的研究報(bào)道較少。Mizutani Y等[4]研究了60～5 000 Hz電磁頻率對(duì)純鎂的影響，結(jié)果表明，結(jié)晶器電磁攪拌鑄造能夠有效細(xì)化鎂及鎂合金的晶粒，促進(jìn)柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變；Guo等[5]研究表明，提高鑄造速度，在低頻范圍內(nèi)攪拌效果更好；翟春生、包衛(wèi)平等[6- 7]模擬了鎂合金電磁鑄造過(guò)程，表明當(dāng)電磁攪拌頻率為10 Hz時(shí)，熔體溫度場(chǎng)分布比較合理。崔建忠等[8]的研究表明，鎂合金電磁攪拌半連續(xù)鑄造有助于細(xì)化晶粒、消除宏觀偏析、降低熱應(yīng)力等。

但目前研究低頻磁場(chǎng)下電流強(qiáng)度對(duì)大尺寸鎂合金鑄錠宏觀偏析的影響鮮有報(bào)道。本文通過(guò)在低頻磁場(chǎng)下施加不同交變電流，研究了不同條件的電磁攪拌對(duì)鎂合金鑄錠宏觀偏析的影響，為制備大尺寸、高純凈度的鎂合金鑄錠工藝技術(shù)提供借鑒。

1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

鎂合金電磁鑄造過(guò)程示意圖如圖1所示。在結(jié)晶器外設(shè)置電磁感性線圈，通過(guò)施加電流形成電磁場(chǎng)來(lái)改變連鑄中鑄坯內(nèi)部熔液的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，以達(dá)到攪拌目的。試驗(yàn)采用15 Hz的低頻磁場(chǎng)，電流強(qiáng)度在0～300 A范圍內(nèi)變化。試驗(yàn)材料為AZ61鎂合金，化學(xué)成分如表1所示，主要含有Al、Zn和Mn三種合金元素，這三種元素的區(qū)域偏析現(xiàn)象較明顯。試驗(yàn)獲得直徑320 mm的鎂合金鑄錠，從鑄錠中心至邊部沿徑向截取試樣，利用等離子發(fā)射光譜儀(ICP- AES)測(cè)定試樣的主要元素含量。

圖1 鎂合金電磁鑄造過(guò)程示意圖Fig.1 Schematic illustration of the electromagnetic casting process for magnesium alloy

表1 AZ61 鎂合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the AZ61 magnesium alloy (mass fraction) %

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

在鎂合金實(shí)際熔煉過(guò)程中，熔液中元素含量都會(huì)有一定波動(dòng)，只能控制各元素含量在規(guī)定的范圍內(nèi)，因此無(wú)法單純的用元素含量這一指標(biāo)來(lái)衡量鑄錠中元素的偏析情況。為了獲得統(tǒng)一定量的分析結(jié)果，討論電磁攪拌參數(shù)變化對(duì)各溶質(zhì)元素區(qū)域偏析的影響。本文對(duì)元素含量進(jìn)行了統(tǒng)一的量化處理，定義η為鑄錠內(nèi)溶質(zhì)區(qū)域偏析度[9]。

(1)

式中：Ci為各測(cè)量點(diǎn)元素濃度，Co為鎂合金熔液中該元素的濃度。

由式(1)可知，當(dāng)區(qū)域偏析度η越接近0時(shí)，說(shuō)明該點(diǎn)的元素含量越接近配置鎂合金的元素含量；當(dāng)各點(diǎn)溶質(zhì)偏析度變化越小時(shí)，說(shuō)明半連續(xù)鑄造的鎂合金中溶質(zhì)元素偏析越小，越有利于后續(xù)深加工。

2.1 不同電磁參數(shù)條件下Al元素的分布

在鎂合金中，通常溶質(zhì)分配系數(shù)k<1 (即CS/CL<1)。圖2所示為不同電磁參數(shù)下Al元素在鑄錠徑向不同位置的區(qū)域偏析度。從圖中可以看到，Al 元素的偏析度從鎂合金鑄錠中心到表面逐漸增大，呈逆偏析狀態(tài)。這主要是因?yàn)殒V合金的結(jié)晶溫度范圍大，容易形成尺寸粗大的樹(shù)枝晶，而Al元素屬于易熔組元，溫度梯度較小，在枝晶間附近聚集含有大量溶質(zhì)元素的金屬液，其在壓力的作用下，沿著各枝晶間的通道向外部擴(kuò)散，直至到達(dá)鑄錠表層，從而凝固完成后形成逆偏析?？拷T錠表面，由于有氧化皮等因素，導(dǎo)致取樣難度較大，Al元素偏析度存在一定程度的波動(dòng)。

圖2 Al元素在鑄錠徑向不同位置的區(qū)域偏析度Fig.2 Segregations of the Al element along the radius of ingot

為了減弱Al元素的逆偏析現(xiàn)象，就要提高鑄錠中心Al元素的偏析度，同時(shí)降低近表面處的偏析度。在電磁場(chǎng)頻率為15 Hz時(shí)，通過(guò)改變加載電流的大小來(lái)改變電磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。從圖2中可以看出，隨著加載電流從0逐漸增加到50 A，鑄錠中心Al元素的偏析度增大，在近表面處偏析度有所下降，中心至邊部偏析度差異逐漸減小。但是，隨著加載電流的逐漸增大，中心處Al元素的偏析度先是上升，隨著電流強(qiáng)度增加到100 A以上，偏析度反而急劇下降，導(dǎo)致徑向元素偏析比逐漸增大。綜合比較可知，在電流強(qiáng)度為20～50 A時(shí)，鑄錠中心和表面Al元素的偏析情況都得到了明顯改善，鑄錠各部位Al元素偏析情況均勻，達(dá)到了理想的鎂合金溶質(zhì)元素分布狀態(tài)。當(dāng)電流較大時(shí)，由于鎂合金的電導(dǎo)率較高，電磁攪拌強(qiáng)度過(guò)大，超過(guò)了鎂合金正常所需要的攪拌強(qiáng)度，發(fā)生了過(guò)攪現(xiàn)象，反而加重了其逆偏析。

2.2 不同電磁參數(shù)條件下Zn元素的分布

在鎂合金半連續(xù)鑄造過(guò)程中，Zn元素與Al元素相似，都屬于易熔組元，其偏析狀態(tài)相近。圖3所示為不同電磁參數(shù)下Zn元素在鑄錠徑向不同部位的區(qū)域偏析度。從圖中可以看出，無(wú)論是否施加電磁攪拌，Zn元素的偏析度整體上也從中心向表面逐漸增大，呈逆偏析現(xiàn)象。

同無(wú)電磁攪拌相比，施加電磁攪拌有助于提高鑄錠中心Zn元素的偏析度，同時(shí)降低近表面處的偏析度。這主要是因?yàn)槭┘与姶艌?chǎng)后，在熔體中產(chǎn)生的攪動(dòng)作用使得液穴內(nèi)鎂合金熔體產(chǎn)生強(qiáng)制對(duì)流作用，降低了凝固前沿溶質(zhì)富集的程度。同時(shí)由于攪動(dòng)的影響，溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)更加均勻，晶體逐漸向非枝晶轉(zhuǎn)變，減輕溶質(zhì)沿枝晶富集的情況，進(jìn)而減少區(qū)域偏析的產(chǎn)生。在電磁場(chǎng)頻率為15 Hz、加載電流強(qiáng)度為20～50 A時(shí)，鑄錠中心Zn元素偏析度升高，近表面處偏析度降低，達(dá)到了理想的溶質(zhì)元素分布狀態(tài)。隨著加載電流增加到100 A，中心偏析度略有下降，近表面偏析度略有升高，但變化不大。但隨著加載電流超過(guò)100 A時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度明顯增大，此時(shí)中心部位元素偏析急劇下降，整體逆偏析現(xiàn)象加劇，說(shuō)明在鎂合金熔體中出現(xiàn)了過(guò)攪現(xiàn)象。

圖3 Zn元素在鑄錠徑向不同位置的區(qū)域偏析度Fig.3 Segregations of the Zn element along the radius of ingot

2.3 不同電磁參數(shù)條件下Mn元素的分布

與Al、Zn元素不同，在鎂合金中Mn元素屬于難熔組元，且容易形成金屬中間化合物，匯聚在液穴底部。根據(jù)鎂合金溶質(zhì)再分配規(guī)則，Mn元素易富集在凝固前沿，待凝固完成后，Mn元素偏析度在鑄錠中呈現(xiàn)從中心向表面逐漸減小的正偏析分布狀態(tài)。圖4為不同電磁參數(shù)下Mn元素在鑄錠徑向不同部位的區(qū)域偏析度。從圖中可以看出，Mn元素偏析度從鑄錠中心向表面逐漸減小，呈正偏析現(xiàn)象，與理論分析相吻合。由圖4可知，與無(wú)電磁攪拌相比，施加電磁攪拌對(duì)Mn元素偏析的影響沒(méi)有呈現(xiàn)與Al、Zn元素類似的規(guī)律，這主要與Mn元素含量較少，不同批次Mn元素含量差異較大等有關(guān)。但仍可以看出，在磁場(chǎng)頻率為15 Hz、施加電流為50 A時(shí)，正偏析現(xiàn)象趨于平穩(wěn)，在鑄錠徑向上Mn元素偏析得到了改善；當(dāng)施加電流強(qiáng)度大于100 A時(shí)，Mn元素中心的偏析度增大，整體徑向元素偏析變得更加劇烈。這說(shuō)明電磁攪拌強(qiáng)度過(guò)大也不利于Mn偏析的改善。

圖4 Mn元素在鑄錠徑向不同位置的區(qū)域偏析度Fig.4 Segregations of the Mn element along the radius of ingot

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比不同電磁攪拌參數(shù)條件下，鎂合金鑄錠中三種主要溶質(zhì)元素在不同部位的分布情況，得到如下結(jié)論。

(1)在鎂合金半連續(xù)鑄造過(guò)程中，易熔組元Al、Zn元素在鑄錠徑向主要呈現(xiàn)逆偏析分布狀態(tài)，難熔元素Mn主要呈現(xiàn)正偏析分布狀態(tài)。

(2)通過(guò)在傳統(tǒng)的半連續(xù)鑄造結(jié)晶器上施加電磁攪拌，可以有效改善鎂合金各溶質(zhì)元素的分布情況，減弱鎂合金鑄錠的宏觀偏析。

(3)對(duì)鎂合金鑄錠而言，較小的電磁場(chǎng)強(qiáng)度就可以有效改善鑄錠主要合金元素的區(qū)域偏析，減小元素徑向偏析比。在電磁場(chǎng)處于15 Hz、電流強(qiáng)度在20～50 A時(shí)，有利于獲得最佳的電磁攪拌強(qiáng)度，可以有效改善溶質(zhì)元素的偏析分布，電磁場(chǎng)強(qiáng)度較大時(shí)，容易在熔體中出現(xiàn)過(guò)攪現(xiàn)象，導(dǎo)致溶質(zhì)元素偏析程度惡化。

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收修改稿日期：2017- 05- 03

EffectofElectromagneticStirringontheMacrosegregationinMagnesiumAlloyIngots

Zhang Cheng1,2,3Xu Shiwei1,2,3Tang Weineng1,2,3Xie Yu1,2,3
(1. Research Institute, Baoshan Iron & Steel Co., Ltd., Shanghai 201900, China; 2. State Key Laboratory of Development and Application Technology of Automotive Steels (Baosteel), Shanghai 201900, China; 3. Shanghai Engineering Research Center of Metals for Lightweight Transportation, Shanghai 201900, China)

The influence of electromagnetic stirring on macrosegregation of semi- continuouly cast magnesium alloy was studied. The AZ61 magnesium alloy ingot 320 mm in diameter was produced by electromagnetic casting process. The stirring electric current was varied from 0 to 300 A at frequency of 15 Hz. The variation of solute content along the radius of ingot was examined by means of chemical analysis under different magnetic fields. The results showed that the electromagnetic stirring had a great influence on the improvement of solute distribution in the magnesium alloy ingot. Further, the segregation ratio along the radius of ingot was reduced obviously when the intensity of coil current was in the range from 20 A to 50 A, which can effectively improve the macrosegregation in magnesium alloy ingots. At current intensities higher than 100 A, the greater electromagnetic fields would cause the molten metal to be over- stirred, resulting in the worse macrosegregation of solute elements.

electromagnetic stirring，semi-continuous casting，magnesium alloy，macrosegregation

張成，男，碩士，助理研究員，主要從事鎂合金電磁攪拌技術(shù)的研究，Email：hitzhangcheng@126.com