脈沖磁致振蕩凝固細(xì)晶技術(shù)基礎(chǔ)研究.pdf

1、本文提出了一種全新的凝固組織細(xì)化技術(shù)——脈沖磁致振蕩凝固細(xì)晶技術(shù)。采用自行研發(fā)的脈沖磁致振蕩實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和EMV定向凝固實(shí)驗(yàn)臺(tái)，結(jié)合微分熱分析技術(shù)，全面研究了脈沖磁致振蕩對(duì)金屬凝固組織和凝固行為的影響，獲得了脈沖磁致振蕩細(xì)化金屬凝固組織的作用規(guī)律，揭示了脈沖磁致振蕩細(xì)化金屬凝固組織的本質(zhì)。 應(yīng)用經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)理論及聲學(xué)理論分析了脈沖磁致振蕩作用下純金屬的凝固過(guò)程，提出了脈沖磁致振蕩下液態(tài)金屬凝固過(guò)程及凝固組織細(xì)化模型。脈沖電磁場(chǎng)與其在

2、金屬熔體表面產(chǎn)生的感應(yīng)電流共同作用，產(chǎn)生洛倫茲力f=J×B，該力垂直于試樣側(cè)表面而指向試樣軸心。由于電流的“趨膚效應(yīng)”，凝固表面發(fā)生振蕩。同時(shí)，由于固相電導(dǎo)率成倍增加，感應(yīng)電流在晶核中強(qiáng)度增加，由此在晶核上產(chǎn)生一個(gè)由外向里的力，該力將促使從凝固表面脫落的自由晶核向熔體運(yùn)動(dòng)。當(dāng)晶核運(yùn)動(dòng)到一定深度離開(kāi)了趨膚效應(yīng)區(qū)后，由于運(yùn)動(dòng)速度減慢而聚集，原來(lái)尺寸較小的晶核就可能形成多孔組織。當(dāng)該組織的尺度與脈沖磁致振蕩的振動(dòng)波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，它會(huì)反射脈沖磁致振

3、蕩產(chǎn)生的振動(dòng)波，而獲得相應(yīng)的壓力并使晶核得以繼續(xù)向熔體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)。當(dāng)晶核運(yùn)動(dòng)到熔體內(nèi)部時(shí)，由于周圍液體溫度較高，可能被熔化為若干更小的晶核，由此增加了液態(tài)金屬中晶核的數(shù)目，從而形成等軸晶組織。 系統(tǒng)研究了澆注后不同冷卻階段脈沖磁致振蕩處理對(duì)純鋁凝固組織的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在脈沖磁致振蕩孕育處理、脈沖磁致振蕩凝固處理以及脈沖磁致振蕩全程處理三種技術(shù)條件下，后兩者對(duì)純鋁組織的細(xì)化效果較佳，可以獲得細(xì)小等軸晶。通過(guò)隔離網(wǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，明顯

4、的組織細(xì)化效果出現(xiàn)在靠近處理表面的隔離網(wǎng)外區(qū)域，而隔離網(wǎng)內(nèi)熔體的凝固組織沒(méi)有明顯變化。由此得出振蕩細(xì)化核心的來(lái)源是振蕩處理時(shí)從處理區(qū)域表面的型壁上異質(zhì)形核后脫落的晶核，也即振蕩產(chǎn)生的結(jié)晶雨作用。通過(guò)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)建立了平均晶粒尺寸與脈沖磁致振蕩參數(shù)的定量關(guān)系，證明脈沖磁致振蕩的表面振動(dòng)以及振蕩波的傳播所產(chǎn)生的聲壓是晶核遷移的動(dòng)力。通過(guò)對(duì)不同屏蔽條件的熔體施加脈沖磁致振蕩，發(fā)現(xiàn)當(dāng)凝固外殼或鑄型的電導(dǎo)率較凝固熔體小時(shí)，其對(duì)脈沖磁致振蕩的屏蔽作用

5、是較小的，當(dāng)凝固外殼或鑄型的電導(dǎo)率較凝固熔體大時(shí)，將對(duì)脈沖磁致振蕩形成一定的屏蔽作用，但如果適當(dāng)提高脈沖磁致振蕩的處理強(qiáng)度，也能產(chǎn)生較好的細(xì)化效果。 研究表明，脈沖磁致振蕩能夠明顯細(xì)化錫銻合金的凝固組織，使晶粒尺寸變小，同時(shí)減弱了宏觀偏析。對(duì)脈沖磁致振蕩作用下錫銻合金凝固組織中β相的研究表明，鑄錠中的β相在脈沖磁致振蕩作用下尺寸變小，而且脈沖磁致振蕩強(qiáng)度越高，晶粒尺寸減小越顯著，晶粒數(shù)量增多，分布彌散。說(shuō)明脈沖磁致振蕩可以促進(jìn)晶

6、核增殖，從而大大細(xì)化組織。 脈沖磁致振蕩對(duì)鐵素體不銹鋼凝固組織具有顯著細(xì)化作用。在一定的范圍內(nèi)增大處理頻率和強(qiáng)度參數(shù)，脈沖磁致振蕩對(duì)鐵素體不銹鋼凝固組織的細(xì)化效果及等軸晶區(qū)面積迅速遞增。在適當(dāng)?shù)膮?shù)條件下等軸晶區(qū)比例可以達(dá)到100％。當(dāng)脈沖磁致振蕩參數(shù)過(guò)大時(shí)，由于焦耳熱過(guò)大，鐵素體不銹鋼凝固組織細(xì)化效果反而變差。 通過(guò)脈沖磁致振蕩作用下的定向凝固實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在同一溫度梯度和晶體生長(zhǎng)速度下，隨著磁致振蕩強(qiáng)度的增加，鋁銅合