表面脈沖電磁場對7A04鋁合金凝固組織細化研究

馮艷飛，劉文明，楊 路，王 克，麻永林

(1.遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003； 2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

7A04鋁合金廣泛地應(yīng)用于航空航天、軍工、汽車等領(lǐng)域[1]，隨著這些領(lǐng)域的快速發(fā)展，要求合金具有更高的強度、更好的塑性等機械性能。然而，合金的凝固組織很大程度上決定了它的機械性能，因此研究合金的凝固過程具有十分重要的意義[2]。近年來，在材料合金的凝固過程中，對其施加電磁場來改善合金組織這一方法受到極大的關(guān)注。該方法具有無污染、操作簡單等優(yōu)點。訾炳濤等[3]研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)脈沖磁場處理后，LY12鋁合金的晶粒明顯細化，樹枝晶被打斷、粉碎，并且隨著磁場強度的增加，晶粒的平均尺寸逐漸減小。Liao等[4]認為對高溫液態(tài)熔體施加脈沖電流不能細化凝固組織，只有在形核階段施加脈沖電流，才能顯著細化凝固組織。目前，7A04鋁合金采用表面脈沖電磁場技術(shù)研究鑄造凝固報道較少。為此，本文通過研究7A04鋁合金凝固過程施加表面脈沖電磁場作用，探討表面脈沖電磁場對7A04鋁合金凝固組織晶粒大小、凝固溫度、力學(xué)性能的變化規(guī)律及影響過程，結(jié)合DSC分析研究表面脈沖電磁場對凝固過程的影響，為后續(xù)鑄錠生產(chǎn)過程獲得均勻細化的晶粒提供了一種新的方法。

1 試驗過程及方法

試驗材料為7A04鋁合金，化學(xué)成分見表1。將7A04鋁合金原料在中頻感應(yīng)爐內(nèi)加熱至800 ℃，靜置保溫300 s后，將熔體迅速倒入提前預(yù)熱到700 ℃的銅結(jié)晶器內(nèi)，并調(diào)整表面脈沖電磁場裝置與熔體表面距離為10 mm，進行表面脈沖電磁場處理，試驗設(shè)備簡圖如圖1所示。磁場參數(shù)設(shè)定為頻率20 Hz、電流占空比為20%，峰值電流分別為100 A和120 A，并與未施加電磁場處理進行對比。

選用直徑φ1 mm的K型熱電偶對結(jié)晶器內(nèi)熔體中心位置的凝固溫度進行測定。鑄錠完全凝固后，在鑄錠(尺寸為φ60 mm×150 mm)中心位置取10 mm×10 mm×10 mm方塊試樣用于組織觀察和硬度測試。采用Axio-Imager蔡司顯微鏡觀察金相組織，并用截線法計算晶粒平均尺寸。

圖1 試驗裝置簡圖Fig.1 Schematic diagram of the test device

元素ZnMgCuMnCrTiSiFeAl含量6.251.801.790.280.170.10.50.5其他

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 表面脈沖電磁場對凝固組織的影響

圖2為未施加電磁場處理與磁場處理的鑄錠凝固組織。由圖可知，未加磁場的凝固組織存在粗大的玫瑰狀枝晶，且大小不均勻見圖2(a)。而施加表面脈沖電磁場后，粗大玫瑰狀枝晶在不同程度細化成球狀的等軸晶，并隨著峰值電流不斷增大，晶粒平均尺寸呈先減小后增大趨勢，見圖2(b)、2(c)。不同電磁場處理后中心位置組織晶粒平均尺寸分別為235.0、139.7和197.4 μm，組織晶粒平均細化率為16.1%～40.8%。其中，在頻率20 Hz、電流占空比20%、峰值電流100 A時，晶粒細化效果最佳。可見，表面脈沖電磁場對晶粒組織具有顯著細化作用。

(a)未加磁場處理；(b)頻率20 Hz、電流占空比20%、峰值電流100 A ；(c)頻率20 Hz、電流占空比20%、峰值電流120 A圖2 鑄錠的中心凝固組織(a)non-magnetic field treatment；(b)the frequency with 20 Hz, the current duty ratio with 20%, and the peak current with 100 A；(c)the frequency with 20 Hz, the current duty ratio with 20%, and the peak current with 120 AFig.2 The center solidification structure of ingot

2.2 表面脈沖電磁場對凝固冷卻溫度的影響

圖3為未施加電磁場和電磁場參數(shù)為頻率20 Hz、電流占空比20%、峰值電流100 A下的鑄錠凝固冷卻溫度對比曲線。由圖可知，冷卻溫度曲線均出現(xiàn)了一個結(jié)晶溫度平臺和兩個溫度轉(zhuǎn)折點，其溫度轉(zhuǎn)折點所對應(yīng)的溫度分別為開始結(jié)晶溫度和終了結(jié)晶溫度。在未施加電磁場作用時，開始結(jié)晶溫度為644.3 ℃，從鋁液至7A04鋁合金開始結(jié)晶所用時間為342.1 s,終了結(jié)晶溫度為639.8 ℃，結(jié)晶溫度平臺共作用時間為362.4 s。而施加表面脈沖電磁場作用時，開始結(jié)晶溫度為635.4 ℃，從鋁液至7A04鋁合金開始結(jié)晶所用時間為160 s，終了結(jié)晶溫度為633.7 ℃，結(jié)晶溫度平臺共作用時間為203 s。

與未施加磁場處理相比，施加表面脈沖電磁場開始及終了結(jié)晶溫度均降低，結(jié)晶溫度平臺作用時間也大大縮短，但過冷度相對增大了8.9 ℃。這主要因為在電磁能作用下，熔液中開始出現(xiàn)更多的新相胚芽長大，釋放吉布斯自由能增加，并且加快了原子團簇的生長，原子團簇長大優(yōu)先選擇在熔體內(nèi)部懸浮固相質(zhì)點表面或者型壁上。形核是原子團簇不斷長大的結(jié)果，而臨界形核需要克服能量起伏、濃度起伏和結(jié)構(gòu)起伏[5-6]。臨界形核要克服的能量為臨界晶核界面能的三分之一，而表面脈沖電磁場作用能產(chǎn)生較大的?B/?t，瞬時高能量滲入熔體，瞬時電磁能釋放補償了形核所需要的能量，從而對初生晶核的形成和提高形核率提供了有利條件[7]。

圖3 鑄錠中心位置的凝固溫度曲線Fig.3 The solidification temperature curve of the ingot at the center

2.3 表面脈沖電磁場對DSC凝固曲線的影響

圖4為7A04鋁合金DSC凝固曲線。可以看出，在熔點附近均存在放熱峰，表征相應(yīng)的凝固過程變化。未施加電磁場與表面脈沖電磁場處理的試樣DSC存在明顯的凝固相變差異。未施加電磁場的試樣凝固潛熱為246.1 J/g，而表面脈沖電磁場處理的試樣凝固潛熱為286 J/g，凝固潛熱上升了39.9 J/g。DSC凝固曲線變化可利用團簇生長和形核理論進行解釋[7]，未施加電磁場的鑄態(tài)7A04鋁合金熔化后，其晶態(tài)的長程有序被破壞。很多固有金屬原子在熱激活條件下脫離晶體點陣，表現(xiàn)為從外界吸收較多電磁能等能量。然而，表面脈沖電磁場處理后鋁合金熔體中的原子團簇的畸變、吸附與長大，使得熔體無序過程的原子脫離效應(yīng)減小，凝固潛熱增加，鋁合金凝固所需要的過冷度增大。

(a)未加磁場處理；(b)頻率20 Hz、電流占空比20%、峰值電流100 A圖4 降溫DSC圖譜(a)non-magnetic field treatment；(b)the frequency with 20 Hz, the current duty ratio with 20%, and the peak current with 100 AFig.4 Cooling DSC map

2.4 表面脈沖電磁場對硬度的影響

圖5為鑄錠中心位置的維氏硬度曲線。由圖可知，通過改變表面脈沖電磁場的峰值電流進行處理，7A04鋁合金鑄錠維氏硬度與未施加電磁場處理相比均有所提高，鑄錠硬度隨著峰值電流增加而呈先增大后減小的趨勢，峰值電流分別為100、120 A時，合金獲得硬度分別為123.3、97.5 HV，與未處理鑄錠硬度相比分別提高了31.8%和4.2%。這是因為在峰值電流為100 A時，晶粒均勻細化程度較好，在凝固過程中，表面脈沖電磁場產(chǎn)生瞬時磁能釋放補償了形核所需要的能量，增加了熔體內(nèi)的形核幾率和數(shù)量，導(dǎo)致凝固組織細化，而細化的晶粒增加了合金中的晶界數(shù)目，從而使合金基體強度增加。

圖5 鑄錠中心位置的維氏硬度Fig.5 Vickers hardness of the ingot at the center

3 結(jié)論

1)表面脈沖電磁場作用可以均勻細化7A04鋁合金鑄錠凝固組織，增加凝固潛熱，增大過冷度，并且可以加快鋁合金凝固冷卻過程，縮短凝固時間以及結(jié)晶過程所用時間，降低了開始結(jié)晶溫度和終了結(jié)晶溫度。

2)頻率為20 Hz、電流占空比為20% 、峰值電流為100 A時，7A04鋁合金晶粒均勻細化效果較好，從未施加電磁場處理的235.9 μm細化至139.7 μm，平均晶粒尺寸下降了41.1%。

3)施加表面脈沖電磁場處理，7A04鋁合金凝固潛熱增加了39.9 J/g，過冷度相對提高了8.9 ℃，硬度增加了31.8%。