《亚共晶铝铜合金在离心力与电磁场复合作用下的凝固组织》由会员分享，可在线阅读，更多相关《亚共晶铝铜合金在离心力与电磁场复合作用下的凝固组织（22页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、月j渭增写谬澹周!、?、 亚共晶铝铜合金在离心力与电 磁场复合作用 下的凝固组织 魏 清华大学朱跃峰 中国科学院金 属研究所张伟强 杨院生 胡壮麟 于.袭 摘 要 本文 研究了 亚传 晶A l - C u合 金在离 心力 与电 磁场 复 合作 用下 的 凝固 组 织. 结 果 表明 ， 电 滋场 对 合 金的 凝固 组织具有显著影句.( a - A I + B - A l , C u ) 共晶的层片问距随着磁场强度的增大而增加.中等强度 的磁场作用使柱状晶界处的组织显著细化，而强磁场作用则使柱状共晶转变为等轴共盈组织. 磁场作用促进了初$ a - A I由 树枝状晶向非 枝晶状态的演化，同时引
2、 起准共晶组织相对数It的增加.上迷组 织转变的 起因 是离 心力 和电 磁场复 合作用 所引 起的 合金液 体对流， 这种对流作用改变了 合金 凝固 过程中 液 相区 的溶质与温度分布. 关键词:A 卜C u合金，电磁离心铸造，凝固组织 C o m p l e x E f f e c t s o f C e n t r i f u g a l F o r c e a n d E l e c t rom a g n e t i c F i e l d s o n S o l i d i f i c a t i o n S t r u c t u r e s o f H y p r o e u
3、t e c t i c A l - C u A l l o y s Z h u Y u e f e n g ( T s i n g h u a U n i v e r s i ty ) Z h a n g We i q i a n g , Y a n g Y u a n s h e n , H u Z h u a n g g i ( I n s t i t u t e o f Me t a l R e s e a r c h , A c a d e m y o f S c i e n c e s o f C h i n a ) A B S T R A C T : I n t h i s p a
4、 p e r , t h e s o l i d i f i c a t i o n s t r u c t u r e o f h y p o e u t e c t i c A I - C u a l l o y w a s i n v e s t i g a t e d u n d e r c o m p le x e ff e c t s o f c e n t r i f u g a l f o r c e a n d e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d s . I t i s f o u n d t h a t t h e m a g n
5、 e t i c f i e l d h a s a r e m a r k a b l e i n fl u e n c e o n t h e a l l o y s o l i d i f i c a t i o n s t r u c t u r e . T h e l a m e l l a r s p a c i n g o f ( a - A I + 9 - A I 2 C u ) e u t e c t i c s i n c r e a s e s w i t h t h e m a g n e t i c e f f e c t . A m o d e r a t e ma
6、 g n e t i c e f f e c t ma k e s t h e mi c r o s t r u c t u r e o f t h e c o l u mn a r e u t e c t i c a t t h e g r a i n b o u n d a r y f i n e e v i d e n t l y , a n d a s t r o n g m a g n e t i c f i e l d r e s u l t s i n a t r a n s i t i o n o f c o l u m n a r i n t o e q u i a x e
7、d e u t e c t i c s . T h e m a g n e t i c e f f e c t p r o m o t e s t h e p r i m a r y a - A l t o t r a n s f o r m f r o m d e n d r i t e s i n t o n o n - d e n d r i t i c s t r u c t u r e s a n d r e s u l t s i n a n i n c r e a s e o f t h e r e l a t i v e a mo u n t o f q u a s i - e
8、 u t e c t i c s . T r a n s f o r m a t i o n o f t h e s t r u c t u r e s i s r e s u l t e d i n b y c o n v e c t i o n c a u s e d b y t h e c e n t r i f u g a l f o r c e a n d e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d s t h a t c h a n g e t h e s o l u t e a n d t e m p e r a t u r e d i s t
9、 r i b u t i o n s i n t h e l i q u i d d u r i n g s o l i d i f i c a t i o n o f t h e a l l o y K e y w o r d s : A I - C u a l l o y , e l e c t r o m a g n e t i c c e n t r i f u g a l c a s t i n g , s o l i d i fi c a t i o n s t r u c t u r e 随 着电 磁场在冶金过程中 应用的 发展， 磁场作用对 合金凝固 组织的 影响引 起了 人们
10、的 广泛 关注 - 6 l 电 磁离心 铸造 ( E M C C ) 是在离 心铸造和电 磁搅拌工艺 塞础上发展起来的一 种新型工 艺， 在这种工艺 过程中， 合 金在离心力和电 磁场的 复合作 用下 凝固 成 形通过 合理控制工艺 参数， 就能 够充分 发挥离 心铸造和电 磁搅拌两种工艺的优势， 使 铸件质量得到 有效的改 善U ! .由 于 离 . 国 家自 然 科学基金资助重点项目 * 巾 北京( 1 0 0 0 8 4 ) 清华大学 机械工程系 88 心力和电 磁场的 复合 作用， 在合金 凝固过 程中， 液 相区内 始终 存在 着对流， 这种对流 将改 变 液 体内 部的溶质分配与温
11、度分布.此外，液相区内 具有不同 物理性质的固 相粒子将以 不同方式 相 对 液 体运动， 这些因 素 相应地将会影 响到 合金的 凝固 组织 本文 通过 考 察一 种亚共晶A 1 - C u 合 金在离心力和电 磁场的复合作用下的凝固组织探讨这种复 合作用对合金凝固 过程的影响。 1 . 试验条件 试验装置如图1 所示， 在离心铸造机上加装一套直流磁场发生 器， 通过调节 励磁线圈电 流 控制磁场强度. 根据 M a x w e l l 方程和 O h m定律， 在电 磁场中 做相对运动的物体所受到的电 磁 ( L o r e n t z ) 力 按照 下式 计算: 巩 = ( 6 V x
12、B ) x B ( 1 ) 其中， F 。 为L o r e n t z 力( N m 一 ) ,。 为运动物体的电导率( S 2 - m - ) , V为运动物体相对于 磁场的运动速度( m s - ) , B为所加电磁场的磁感应强度( T ) .因此，在磁场中旋转的 铸型内的液态金属所受到的力如下: (2)(3) vr巧 F , = 一 玉 o B 2 V B s in 2 u x 一 a B 凡= - a B 2 V B s in 2 Co t - 6 B C O S 2 u x + 烤C O S O ) t S i n 2 o )t 一 pgs i n a 其中，P 为液态金属的密度(
13、 k g m - ) , 。 为运动液体的角速度( : 一 ， ) ，t为时问( s ) , 下标 : 和 B 分别表示轴向分量和切向分量. 图1电磁离心铸造及合金熔体受力示意图 试验时将预先配制的 A l - 2 5 w t % C u合金锭在电阻炉中重熔， 石墨铸型，浇注温度 7 0 0 0 C ,铸型转速 2 0 0 0 r p m ，在空气中冷却。 采用壁厚 1 5 毫米的 合金凝固过程中施 加不同的励磁电流( l e ) .利用扫描电镜在试样横截面上观察合金的凝固组织. 润刁，蔺场肋偏j z . 试验结果 临近试样外 表面 激冷区 处的显 微组织示于图2 ， 采用定量金相法测量其中
14、的共晶 层片间 距，其结果示于图3 i a 图2临近激冷区的 合金显微组织( S E M ) a I e = O ; b I e = 1 5 A ; c I e = 3 0 A c 1 . 7 ，6 15 1 . 4 ，3 1 . 2 产/ / / 声 / / z 2 尹尹 / / 1/ 弓一中滋 051 0 1 5 2 0 E x ci t curr e n t . A 2 53 0 图3 磁场强度对A l - C u 共晶层片间距的影响 9 0 _:、二 可见当 无磁场作用时，( a - A 1 + 9 - A 1 , C u ) 共晶呈柱状结构，在柱状共晶内 部为细小层片 结构，而其晶界
15、则为 粗大疏松组织( 见图2 a ) ;在中等强 度磁场作用( l e = 1 5 A ) 下，柱状共晶内 部 层片间距有所增加，而其间 界组织则显 著细化( 见图2 b ) ;随着磁场强 度进一步 增强， 柱状共晶 组织逐渐破碎，当 励磁电 流达到3 0 A 时， 柱状共晶转变为等轴组织( 见图2 c ) .共晶层片间 距随 励磁电 流的 增大而 线 性增加( 图3 ) 图 4为 远离 试样外 表面 处的显 微组织。当 无 磁场作 用时， 初生a - A 1 相呈 发达 枝晶( 见图 4 a ) ;随着磁场作 用的引 入及其强 度增加，初生a - A 1 逐渐由 枝晶向非枝晶 形态转变， 其
16、端部显 著钝化或圆 滑， 初生a - A 1 数量减少，晶臂尺寸 增加 见图4 b , c ) 图4远离 激冷区的 合金显 微组织 S E M ) a I e = O ; b I e = 1 5 A ; c I e = 3 0 A 3 . 分析与讨论 在离 心铸造 过程中 ， 液态金 属的凝固 从铸型/ 合金 熔体界面 处开始，尔 后向内 发展， 合金 液 体中 洛质与温 度的再分布将改变 液体的密 度分 布 A 1 - C u 合金成分与密 度之间 有如下关系19 1 : C ( w t % c u ) = 一3 7 9 . 6 4 A g 瓜币+ 1 4 0 .2 7 ( 4 ) 此外， 液态金属的密 度一般与温度呈反比 例关系. 施加磁场作用后，合金液体的运动 状态因受 到L o r e n t z 力的作用而发生变化. 由于合金液 体的切向 速度远大子 径向 速度， 根据方程( 2 ) , ( 3 ) , L o r e n t z 力的切向 分量始终与 铸型旋转方向 相反 所以 ，在合金凝固过程中
