脈沖電場(chǎng)對(duì)純鐵熔體凝固過(guò)程影響的研究①

陳懷昊， 陳鵬飛， 李桂榮， 劉 明

(1.沙洲職業(yè)工學(xué)院， 江蘇 張家港 215600； 2.江蘇永鋼集團(tuán)有限公司， 江蘇 張家港 215600；3.江蘇大學(xué)， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

引 言

近年來(lái)，國(guó)、內(nèi)外出現(xiàn)了一種將脈沖電場(chǎng)用于金屬液的凝固過(guò)程，以獲得細(xì)化的凝固組織，改善金屬的各項(xiàng)力學(xué)性能的方法；該方法因處理方法簡(jiǎn)單、無(wú)污染、細(xì)化效果明顯，已經(jīng)成為金屬凝固控制技術(shù)的重要發(fā)展方向。錢(qián)章秀等[1]研究了脈沖電場(chǎng)的施加方式對(duì)Al-Si合金凝固組織的影響，并只對(duì)凝固組織中的Si相進(jìn)行了分析。王海川等[2]研究了脈沖電場(chǎng)作用下夾雜物尺寸的變化。李航等[3]通過(guò)脈沖電場(chǎng)研究了伍德合金的凝固組織中Cd相尺寸變化。王建軍等[4]發(fā)現(xiàn)脈沖電流能有效改善鋼的凝固組織，提高等軸晶率，減小二次枝晶間距。脈沖電場(chǎng)作為一種新的材料處理技術(shù)，備受冶金工作者關(guān)注。本文在已有的外場(chǎng)對(duì)金屬凝固組織改變的理論和實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)展脈沖電場(chǎng)作用下對(duì)純鐵中夾雜物分布以及凝固組織晶粒度影響的研究，為外場(chǎng)對(duì)夾雜物的分布理論和金屬凝固組織細(xì)化的研究提供一定的實(shí)驗(yàn)證明。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和方案

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

脈沖電場(chǎng)處理純鐵熔體實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，可對(duì)純鐵熔體凝固過(guò)程中施加不同電壓的脈沖電場(chǎng)。

圖1 脈沖電場(chǎng)處理熔體裝置示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)脈沖電場(chǎng)電壓分別為0，4，8 V，脈沖處理時(shí)間均為60 s。實(shí)驗(yàn)將裝有一定重量純鐵的剛玉坩堝放入高溫陶瓷纖維馬弗爐內(nèi)，待純鐵升溫熔化，并進(jìn)行撈渣處理；升溫至1540 ℃后，保溫60 min，為保證爐內(nèi)還原性氣氛，全程通入Ar保護(hù)氣體。根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)純鐵熔體進(jìn)行脈沖處理，待試樣處理完畢冷卻后將其取出，脈沖電壓值由小到大，對(duì)應(yīng)的試樣編號(hào)分別為1、2、3。

對(duì)試樣用砂紙進(jìn)行打磨、拋光后，利用光學(xué)電子顯微鏡觀察不同脈沖電場(chǎng)作用下純鐵中的夾雜物及其凝固組織，并用Image J軟件對(duì)凝固組織中夾雜物尺寸和晶粒的晶粒度進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 脈沖電場(chǎng)對(duì)夾雜物尺寸的影響

圖2，3，4分別是試樣1，2，3經(jīng)處理后，在光學(xué)電子顯微鏡下放大同一倍數(shù)后的凝固組織形貌以及經(jīng)ImageJ軟件處理后的金相圖。

圖2 經(jīng)0 V電場(chǎng)處理的試樣1

圖3 經(jīng)4 V電場(chǎng)處理的試樣2

圖4 經(jīng)8 V電場(chǎng)處理的試樣3

由圖2可以看出，未經(jīng)電場(chǎng)處理過(guò)的純鐵試樣，夾雜物的顆粒較大，分布不均勻。由圖3和圖4可以看出經(jīng)電場(chǎng)處理的試樣，夾雜物顆粒相對(duì)較少，顆粒細(xì)小，說(shuō)明在電場(chǎng)的作用下，夾雜物在純鐵試樣的凝固過(guò)程中顆粒粒徑變小，且分布均勻。

繼續(xù)對(duì)圖2(b), 3(b), 4(b)用ImageJ軟件進(jìn)行處理，可以得出夾雜物個(gè)數(shù)與像素值之間的關(guān)系，如圖5所示；隨著像素值的增大，夾雜物的個(gè)數(shù)呈逐漸減少趨勢(shì)。在沒(méi)有經(jīng)過(guò)電場(chǎng)處理的試樣1中存在像素值超過(guò)200 Pixel的夾雜物顆粒，而經(jīng)過(guò)4，8 V電場(chǎng)處理的試樣2，3中夾雜物顆粒的像素值最高分別在110，90 Pixel左右。根據(jù)夏軍武[5]給出的粒徑越大的顆粒所包含的像素值越高的觀點(diǎn)，電場(chǎng)處理后的純鐵熔體中夾雜物顆粒粒徑明顯小于未處理的，并且隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，夾雜物顆粒粒徑和個(gè)數(shù)均不斷減少。

圖5 夾雜物個(gè)數(shù)與像素值的關(guān)系

為了清晰地說(shuō)明實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論，使用ImageJ軟件對(duì)圖2(b)，3(b)，4(b)中的夾雜物顆粒進(jìn)行測(cè)量，得出電場(chǎng)電壓所對(duì)應(yīng)的顆粒粒徑平均尺寸，如表1所示。

表1 電場(chǎng)電壓值與夾雜物顆粒平均尺寸對(duì)照

由表1可知，施加4 V電場(chǎng)比不加電場(chǎng)夾雜物平均粒度減小了33%，施加8 V電場(chǎng)比不加電場(chǎng)夾雜物平均粒度減小了59.7%，且施加8 V電場(chǎng)比施加4 V電場(chǎng)夾雜物平均粒度減小了39.8%，說(shuō)明電場(chǎng)的引入使得夾雜物得到了細(xì)化，且電場(chǎng)越大顆粒得到的細(xì)化效果越顯著。

2.2 脈沖電場(chǎng)對(duì)晶粒度的影響

脈沖電場(chǎng)作用于純鐵的凝固過(guò)程能使純鐵中晶粒得到細(xì)化，這對(duì)改善材料的綜合性能有很大的影響。圖6, 7, 8分別是試樣1,2, 3經(jīng)處理后在光學(xué)電子顯微鏡放大同一倍數(shù)后的晶粒組織圖。

圖6 未經(jīng)電場(chǎng)處理的試樣1晶粒組織圖

圖7 經(jīng)4 V電場(chǎng)處理試樣2的晶粒組織圖

圖8 經(jīng)8 V電場(chǎng)處理試樣3的晶粒組織圖

對(duì)比圖6, 7, 8可以看出，未經(jīng)脈沖電場(chǎng)處理的試樣晶粒粗大，而經(jīng)脈沖電場(chǎng)處理試樣的晶粒細(xì)小。經(jīng)處理后的微觀組織晶界較多，表明晶粒被分割得很小。其原因是在電磁力的攪動(dòng)下，成長(zhǎng)中的枝晶被破碎，晶核數(shù)目增加，使晶粒細(xì)化；尤其是在脈沖電壓為8 V時(shí)，出現(xiàn)了大量的細(xì)小晶粒。

為了證實(shí)脈沖電場(chǎng)對(duì)晶粒的細(xì)化作用，利用ImageJ軟件對(duì)試樣1, 2, 3進(jìn)行定量分析。分別選取其中具有代表性的20個(gè)晶粒，根據(jù)測(cè)量出的晶粒總面積計(jì)算出平均晶粒面積，得出電場(chǎng)電壓值所對(duì)應(yīng)的平均晶粒面積，如表2所示。

表2 不同電場(chǎng)電壓對(duì)應(yīng)純鐵凝固組織晶粒面積統(tǒng)計(jì)表

從表2可以看出施加4 V電場(chǎng)比不加電場(chǎng)晶粒度減小了58.6%，施加8 V電場(chǎng)比不加電場(chǎng)晶粒度減小了64.9%；而施加8 V電場(chǎng)比施加4 V電場(chǎng)晶粒度減小了15.2%。當(dāng)金屬熔體中有脈沖電流通過(guò)時(shí)，會(huì)在沿垂直于電流的方向產(chǎn)生脈沖壓力，金屬熔體在脈沖壓力作用下被反復(fù)壓縮而發(fā)生振蕩[6]，促進(jìn)了熔體的流動(dòng)，破碎了枝晶，使凝固質(zhì)點(diǎn)增多，促進(jìn)了形核條件，且電場(chǎng)電壓越大顆粒得到的細(xì)化效果越顯著。但從平均晶粒面積的變化中看出，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的提高，晶粒細(xì)化的面積減少量在減小，這是由于電場(chǎng)強(qiáng)度越大，熔體中原子移動(dòng)速度越快，給晶核的長(zhǎng)大提供了有利的條件。

3 結(jié)束語(yǔ)

本研究對(duì)不同脈沖電場(chǎng)對(duì)金屬熔體凝固組織夾雜物及晶粒度的細(xì)化效果做了分析和比較，并利用ImageJ軟件對(duì)凝固組織進(jìn)行了夾雜物顆粒和晶粒度的分析，為優(yōu)化電場(chǎng)對(duì)凝固組織的影響提供了相關(guān)的技術(shù)參數(shù)。主要結(jié)論如下：

1) 對(duì)于純鐵試樣中的夾雜物顆粒，在凝固過(guò)程中施加4 V電場(chǎng)比不加電場(chǎng)夾雜物平均粒度減小了33%，施加8 V電場(chǎng)比不加電場(chǎng)夾雜物平均粒度減小了59.7%，且施加8 V電場(chǎng)比施加4 V電場(chǎng)夾雜物平均粒度減小了39.8%；電場(chǎng)強(qiáng)度越大，夾雜物細(xì)化效果越明顯，分布越均勻。

2)對(duì)純鐵熔體凝固過(guò)程施加4 V脈沖電場(chǎng)比不加電場(chǎng)晶粒度減小了58.6%，施加8 V電場(chǎng)比不加電場(chǎng)晶粒度減小了64.9%，而施加8 V電場(chǎng)比施加4 V電場(chǎng)晶粒度減小了15.2%；晶粒細(xì)化的效果隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加已不再明顯。