電磁攪拌對(duì)Cu-Ni-Fe-Al 合金晶粒尺寸的影響

李冬生，劉 英，張亞楠，柴登鵬，梁玉冬，劉 丹

（中鋁鄭州有色金屬研究院有限公司，河南鄭州 450041）

銅合金因其良好的耐蝕抗污性能，很早就開始在海洋工程中應(yīng)用，隨著技術(shù)發(fā)展以及服役環(huán)境的更高要求，耐蝕銅合金不斷地更新?lián)Q代，從早期的紫銅到耐蝕性更高的青銅、黃銅，以及應(yīng)用最為廣泛的白銅，銅合金耐蝕性能不斷提高[1，2]。

銅合金中添加Ni 元素可以有效提高合金的腐蝕電位和鈍化能力，增強(qiáng)合金耐腐蝕性能。由于Ni 和Cu 可以形成無(wú)限固溶體，在常溫下Cu-Ni合金為α 單相固溶體。隨著含鎳量的增加，合金耐腐蝕性能逐漸增強(qiáng)。相關(guān)研究表明，Ni 對(duì)銅合金表面形成鈍化膜有一定的改善作用，在鈍化膜Cu2O點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中，Ni2+進(jìn)入Cu+空缺位置，Cu2O 膜的離子阻力增加，同時(shí)使正孔消失，電子阻力隨之變大，Cu+被Ni2+取代，導(dǎo)致正孔消失，電子阻力隨之變大[3，4]。在此基礎(chǔ)上通過添加第三種元素如鐵、鋁、錳、鋅等，將具有更好的耐海水腐蝕性能，同時(shí)抗沖刷腐蝕、抗氯離子和氨蝕能力很好，廣泛應(yīng)用于海洋工程中冷凝管和管道用管的制造[5]。

電磁攪拌法是利用電磁感應(yīng)力的作用將析出的樹枝晶破碎成顆粒狀，屬于非接觸式攪拌[6，7]。電磁攪拌有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）加強(qiáng)金屬液對(duì)流，促使樹枝晶破碎形成等軸晶，提高形核率，減少中心偏析、縮松等缺陷，改善合金凝固組織；（2）無(wú)需直接接觸金屬熔液就可以讓其不同程度地流動(dòng)，避免了金屬液二次污染，保證了金屬液的純凈；（3）降低金屬熔體中心過熱度，降低合金液溫度梯度；（4）非接觸式攪拌避免卷入氣體，促進(jìn)各種夾雜上升或下沉，凈化金屬液；（5）電磁攪拌促進(jìn)金屬液流動(dòng)，溶質(zhì)擴(kuò)散，成分均衡；（6）控制方便，操作簡(jiǎn)單，只需設(shè)置攪拌電流、攪拌方向、攪拌頻率等參數(shù)可控制金屬液的流動(dòng)方式，從而制得不同質(zhì)量的半固態(tài)金屬[8-11]。

本文采用真空熔煉+熔模鑄造法，在Cu-Ni-Fe-Al 耐蝕合金的凝固過程中，對(duì)其施加電磁攪拌，并考察攪拌電流、攪拌頻率等相關(guān)參數(shù)對(duì)Cu-Ni-Fe-Al 耐蝕合金晶粒尺寸的影響，以期開發(fā)出適合耐蝕銅合金應(yīng)用的真空電磁鑄造新工藝，為解決傳統(tǒng)熔鑄工藝Cu 合金存在的晶粒粗大問題提供新的技術(shù)途徑。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)選用的設(shè)備分別為沈陽(yáng)真空研究所的VIF-200kg 真空熔煉爐（如圖1 所示），湖南科美達(dá)電器股份有限公司的5-60Hz 電磁攪拌器（如圖2 所示），合金鑄錠所采用的熔模如圖3 所示。

1.2 試驗(yàn)方法

圖1 VIF-200kg 真空爐

圖2 電磁攪拌器

圖3 Cu-Ni-Fe-Al 合金熔煉用模殼

試驗(yàn)材料為公司內(nèi)自主研發(fā)Cu 基耐蝕合金，其主要成分及各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為76%Cu，14%Ni，4%Fe，3%Al（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。使用真空中頻感應(yīng)爐將爐料熔化、精煉后澆注到預(yù)熱過的精密模殼中，靜置30s 后進(jìn)行電磁攪拌。控制熔煉溫度為1350℃，澆鑄溫度1250℃，真空度5×100～0.5×10-1Pa，模殼預(yù)熱溫度為850℃，電磁攪拌方向：正轉(zhuǎn)+反轉(zhuǎn)，電磁攪拌電流：200～300A，電磁攪拌頻率：5～30Hz。試樣的微觀組織采用金相顯微鏡進(jìn)行觀察，晶粒組織采用 5gFeCl3+10mlHCl+100mlH2O 混合溶液腐蝕得到。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 普通鑄造與電磁鑄造的對(duì)比

試驗(yàn)首先對(duì)比普通鑄造和電磁攪拌鑄造兩種鑄造方式對(duì)合金晶粒大小的影響。金相樣品選取了不同鑄件相同位置的標(biāo)記樣品，樣品微觀組織如圖4 所示。圖4a、c 所示為普通鑄造試樣不同倍數(shù)下金相組織，從圖中可以看出，普通鑄造的Cu-Ni-Fe-Al 合金組織中枝晶非常發(fā)達(dá)，晶粒大小在1000μm 以上，形成了粗大的樹枝晶。圖4b、d 為電磁鑄造Cu-Ni-Fe-Al 合金不同放大倍數(shù)下微觀組織圖片，其中，電磁攪拌工藝參數(shù)為300A/15Hz。從圖中可以看出，采用電磁攪拌工藝后，鑄造合金中枝晶被打碎，明顯呈等軸晶，晶粒尺寸在200μm左右。試驗(yàn)表明，采用電磁攪拌對(duì)晶粒有顯著的細(xì)化效果。這主要是由于電磁攪拌器的感應(yīng)線圈在輸入三相交流電后會(huì)激發(fā)產(chǎn)生一個(gè)按一定相序向前移動(dòng)的行進(jìn)磁場(chǎng)，置于行進(jìn)磁場(chǎng)內(nèi)的液態(tài)金屬將產(chǎn)生感生電流，液態(tài)金屬作為載流導(dǎo)體，在外加磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生電磁力，在這個(gè)電磁力的驅(qū)動(dòng)下，液態(tài)金屬沿著行進(jìn)磁場(chǎng)的方向作直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬液的攪拌，有利于合金凝固過程中枝晶臂的破碎，減少柱狀晶的形成，擴(kuò)大等軸晶區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)化晶粒，改善合金凝固組織[12-14]。

圖4 Cu-Ni-Fe-Al 合金微觀組織照片

2.2 電磁攪拌參數(shù)對(duì)晶粒大小的影響

電磁攪拌主要是通過調(diào)節(jié)電流和攪拌頻率來(lái)控制攪拌工藝，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)合金微觀組織的調(diào)控，起到細(xì)化晶粒的作用。在電磁攪拌鑄造過程中，電磁場(chǎng)的物理效應(yīng)會(huì)使導(dǎo)電金屬液的受力狀態(tài)和能量關(guān)系發(fā)生變化，從而影響熔體的平衡和運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)開展了200A 和300A 電流下不同頻率的電磁鑄造試驗(yàn)，頻率分別選取5Hz、10Hz、15Hz 與20Hz，攪拌時(shí)間均為5min，研究電磁攪拌的電流參數(shù)和攪拌頻率對(duì)晶粒大小的影響。

圖5 為電磁攪拌電流為200A 時(shí)，不同頻率下攪拌5min 后Cu-Ni-Fe-Al 合金微觀組織，圖6 為電磁攪拌電流為300A 時(shí)，不同頻率下攪拌5min后Cu-Ni-Fe-Al 合金微觀組織。

從圖5 中的200A 攪拌電流下不同攪拌頻率的微觀組織照片可以看出，當(dāng)攪拌頻率從5Hz 增加到20Hz 時(shí)，鑄件的晶粒尺寸有所減小。從圖6中也可以看出，在300A 電磁攪拌電流下，當(dāng)攪拌頻率從5Hz 增加到20Hz 時(shí)，鑄件晶粒尺寸減小更為明顯。這是因?yàn)殡S著電磁攪拌頻率的增加，電磁場(chǎng)方向變化加快，金屬熔體受到的電磁力改變較快，熔體流向反復(fù)改變，有利于溶質(zhì)的對(duì)流，減小偏析，同時(shí)枝晶臂更易折斷，形成更多的形核晶，從而細(xì)化晶粒尺寸。

結(jié)合圖5 和圖6 可以看出，當(dāng)電磁攪拌頻率相同時(shí)，攪拌電流從200A 增加到300A 時(shí)，合金晶粒尺寸均有明顯細(xì)化，尤其是當(dāng)電磁攪拌頻率為15Hz 和20Hz 時(shí)，攪拌電流的增加對(duì)合金鑄件晶粒細(xì)化的效果更明顯，從圖5 和圖6 的c、d 圖中可以看出，電流增加后晶粒變的更細(xì)小均勻，分布更密集，形狀全部趨于等軸狀。這是因?yàn)殡S著電流的提高，電磁場(chǎng)強(qiáng)度增大，金屬熔體受到的電磁力增大，攪拌強(qiáng)度大，合金熔體流動(dòng)性增強(qiáng)，微觀溫度起伏變大，枝晶折斷與重熔更多，細(xì)化晶粒效果更明顯。

圖5 攪拌電流200A 下不同頻率攪拌后Cu-Ni-Fe-Al 合金微觀組織

圖6 攪拌電流300A 下不同頻率攪拌后Cu-Ni-Fe-Al 合金微觀組織

2.3 電磁攪拌對(duì)鑄件不同位置晶粒一致性的影響

試驗(yàn)對(duì)2.1 和2.2 部分電磁攪拌Cu-Ni-Fe-Al合金（電磁攪拌參數(shù)為300A/15Hz）不同位置進(jìn)行取樣，觀察電磁攪拌對(duì)鑄件不同位置攪拌后凝固效果的影響，樣品取樣位置、樣品編號(hào)和對(duì)應(yīng)的微觀組織如圖7 所示。從圖7 中可以看出，鑄件不同位置晶粒尺寸分布較為均勻，改變了通常順序凝固形成的三層結(jié)構(gòu)，即外表面細(xì)晶層、中間柱狀晶層和內(nèi)表面的等軸晶層的組成。

這主要是由于經(jīng)過電磁攪拌后，Cu 合金的宏觀組織不再是明顯的三晶區(qū)，而是比較圓整、均勻的等軸晶，說(shuō)明電磁攪拌可以促進(jìn)柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變，關(guān)于轉(zhuǎn)變機(jī)理的研究主要認(rèn)為合金熔體受到剪切力和擴(kuò)散的雙重影響[13，16]。首先，熔融的金屬液態(tài)在電磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生洛倫茲力，洛倫茲力帶動(dòng)熔體沿特定方向流動(dòng)，從而使剛剛凝固的枝晶側(cè)臂受到較大的剪切力，細(xì)弱的根部容易斷裂，脫離主臂隨流動(dòng)的熔體進(jìn)入溶液，成為新的二次晶核，促進(jìn)了新的晶粒形核；其次，強(qiáng)烈的對(duì)流使枝晶臂端溶質(zhì)富集減弱，液相中溶質(zhì)濃度的微觀起伏與對(duì)流引起的溫度起伏共同作用，導(dǎo)致枝晶二次臂的熔斷。也有研究者認(rèn)為高溫下金屬枝晶容易在剪切應(yīng)力下彎曲，在該處形成晶界，液體侵入晶界導(dǎo)致側(cè)壁斷裂從枝晶上脫落，形成非枝晶形態(tài)；電磁攪拌可使溫度梯度減小，促使晶核以等軸生長(zhǎng)方式長(zhǎng)大[17，18]。以上因素共同作用，促使合金在電磁攪拌作用下實(shí)現(xiàn)柱狀枝晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變，鑄件晶粒尺寸得到細(xì)化。

3 結(jié)論

圖7 電磁攪拌Cu-Ni-Fe-Al 合金（300A/15Hz）鑄件不同位置微觀組織形貌

對(duì)Cu-Ni-Fe-Al 耐蝕合金凝固過程中施加電磁攪拌，能明顯改善合金凝固組織，細(xì)化合金晶粒；且在電磁攪拌的影響因素中，電流強(qiáng)度相比于攪拌頻率對(duì)晶粒的細(xì)化作用的效果更為明顯。同時(shí)，調(diào)整電磁攪拌工藝參數(shù)，能使鑄件得到成分均勻、晶粒一致的等軸晶結(jié)構(gòu)，改變了通常順序凝固形成的三層結(jié)構(gòu)。