螺旋磁場對Al-7%Si合金凝固及成分偏析的影響

王 勃，王月宇，王付杰

(1. 運城學院 機電工程系；2. 運城學院 圖書館，山西 運城 044000)

引言

偏析是一種化學成分分布不均勻的現象，它在合金的凝固過程中普遍存在，且會惡化合金材料的使役性能，是凝固研究的關鍵問題之一[1]。電磁場作為一種非直接接觸的物理場在材料科學領域，尤其是金屬合金的凝固控制領域有著非常廣泛的應用，人們嘗試利用電磁場攪拌金屬液從而改善冶金效果的研究可以追溯到20世紀三十年代[2，3]。到目前為止，電磁攪拌技術在冶金工業的應用已取得了長足的進步，Eckert等[4]采用低頻脈沖磁場研究了不同脈沖參數下GaInSn合金液中心縱截面上的流動模式，結果表明調整合適的脈沖參數可實現金屬液在豎直方向上的往返流動；曹志強等[5]研究了電磁攪拌對灰鑄鐵宏觀片的影響，發現偏析隨著合金凝固速率的降低和攪拌強度的增加而愈加強烈。

螺旋磁場由于集旋轉磁場和行波磁場于一體的特點而越來越受到研究學者的青睞，如Cramer等人[6]研究了螺旋磁場作用下金屬液的流動規律，結果表明，除非行波磁場的電磁力超過旋轉磁場至少一個量級，否則雙渦流的流動結構會一直存在；大連理工大學的趙倩、張楠、韓彥博等人[7-10]則研究了螺旋磁場對低熔點的Sn-Pb合金凝固組織和成分偏析的影響，發現螺旋磁場較旋轉磁場能更好地消除成分偏析、破碎枝晶和細化晶粒。

本文以Al-7%Si合金為研究對象，在其凝固過程中施加了不同形式的螺旋磁場，并與無磁場的情形進行了對比，研究探討了螺旋磁場對合金凝固和成分偏析的影響，進一步擴展了螺旋磁場在改善合金性能方面的應用。

1. 實驗裝置及方案

本研究所采用的磁場產生裝置為線圈型磁場，它由兩組采用星形連接的線圈繞制而成，兩組線圈在空間中分別可產生周向的旋轉磁場和軸向的行波磁場，兩者疊加即可形成空間螺旋磁場。線圈型磁場裝置由電磁攪拌器本體(型號DJGL-170，湖南科美達電氣股份有限公司)及變頻控制器(型號DJKX-260 kVA，湖南科美達電氣股份有限公司)組成。可通過頻率及電流等參數調節磁場的強弱，當所產生的螺旋磁場運動方向呈現周期性變化時，稱之為模式螺旋磁場。螺旋磁場的部分運行參數見表1。

表1 螺旋磁場運行參數

實驗材料選用商業純鋁(純度≥99.9%)和3205硅(純度≥99.3%)經高溫電爐(型號BLMT-1800，洛陽博萊曼特試驗電爐有限公司)熔煉后配制Al-7%Si合金，其相線溫度約為617 ℃，共晶溫度約為577 ℃，這種合金也被國外學者用于研究合金凝固過程成分偏析問題，Al-7%Si合金的熱物性參數見表2。

表2 Al-7%Si合金熱物性參數

圖1為凝固裝置示意圖，剛玉弧形坩堝置于線圈磁場中心位置，將K型熱電偶插在坩堝中心記錄凝固過程中的溫度變化。熱電偶分布如圖2所示，熱電偶的軸線與坩堝的中心線重合，合金液面高為55 mm，A、B、C三個測溫點均相距25 mm，其中A點位于坩堝底部。

圖1 凝固裝置示意圖

圖2 測溫熱電偶布置示意圖

熔煉時將純鋁與硅粒按一定質量比放入剛玉坩堝，其中硅粒鋪在底層，鋁塊壓在硅粒上面，將二者加熱至950 ℃，保溫15 min后用石墨攪拌棒充分攪拌5 min，再保溫20 min后取出澆注。

表3 實驗方案

實驗中考察了未加磁場、施加單向螺旋磁場以及模式螺旋磁場三種實驗條件下Al-7%Si合金的凝固劑偏析情況。實驗方案如表3所示。待合金凝固過程完成后，取出坩堝并進行合金錠脫模，之后將合金錠沿中心由線切割進行縱剖并用銑床將剖面削平，用砂紙濕磨至800目。一半取樣進行成分分析，用于研究成分偏析情況，圖3為取樣點的位置分布，其中4、5、6點為合金錠中心軸線。另一半進行腐蝕，用于觀察宏觀組織分布，腐蝕液采用王水(體積比HCl：HNO3=3∶1)。

圖3 取樣位置示意圖

2. 實驗結果及討論

2.1 磁場形式對凝固過程導熱條件的影響

圖4為不同磁場條件下Al-7%Si合金凝固過程A#、B#、C#熱電偶溫度變化曲線。對比三種溫度曲線圖可知，三種實驗條件下凝固初始條件差異甚微，凝固過程中，由于凝固潛熱的釋放，A#、B#、C#熱電偶分別在不同時間段溫度曲線出現平臺，凝固結束時，三條溫度曲線斜率均出現突變。

圖4 不同磁場條件下Al-7%Si合金凝固過程溫度變化曲線

從三次實驗冷卻曲線來看，位于合金液中心附近的B#熱電偶溫度最高，A#次之，C#最低，說明凝固過程中合金液內部軸向溫度梯度由中心分別指向合金底部及合金液面，且B#與A#之間溫度差明顯小于B#與C#，說明合金液內部溫度梯度并不均勻，上部溫度梯度明顯大于下部溫度梯度，合金凝固過程中熱量在軸向方向上主要通過上部傳導。施加單向螺旋磁場及模式螺旋磁場后，上部溫度梯度略有增加，這是由于施加螺旋磁場攪拌后合金液面產生凹陷，使得C#熱電偶距合金液面更近的緣故。由三次實驗溫度變化的數據可得三次實驗的凝固時間分別為220 s、215 s、205 s，施加螺旋磁場后凝固時間略有減小。這說明在本文實驗條件下，螺旋磁場帶來的強迫對流并未明顯改變合金液整體的熱傳導條件，其對凝固過程的影響主要集中在合金液的流動上。

2.2 磁場形式對凝固宏觀組織的影響

圖5為不同磁場條件下Al-7%Si合金宏觀組織照片，圖5(a)中未施加磁場，鑄錠宏觀組織以粗大的柱狀晶為主，只在邊緣部分出現少量的等軸晶，且中心部位有明顯的疏松及縮孔等缺陷；圖5(b)施加單向螺旋磁場后，鑄錠內部發生了柱狀晶向等軸晶的轉變(CET)，但鑄錠斷面上疏松及縮孔等缺陷更為嚴重。圖5(c)中施加模式螺旋磁場后，等軸晶的區域明顯擴大并成為主要的宏觀組織，且晶粒分布更為均勻細密，疏松及縮孔等缺陷也得到明細的改善。

圖5 不同磁場條件下Al-7%Si合金宏觀組織照片

2.3 磁場形式對凝固成分偏析的影響

圖6為Al-7%Si合金鑄錠在中心(r=0 mm)和邊緣(r=19.5 mm)兩個位置處不同高度位置上的濃度分布情況。從圖6中Si元素的含量看來，由于熔煉過程中Al的大量燒損導致了最終合金中Si含量超出了7%的設定水平。從四條曲線的變化趨勢分析，兩種磁場的施加對合金元素在高度上濃度的影響并無明顯規律。但是對比兩種磁場施加后鑄錠在相同高度處中心和邊緣的濃度差異，可以得到，模式磁場的施加在一定程度上減輕了徑向上濃度的偏析。從圖6中相同高度位置上徑向的成分差異分析，模式螺旋磁場施加后，鑄錠的下部和上部徑向濃度差異不大，中間位置處徑向濃度出現一定的差異；而單向螺旋磁場施加后，在三個高度位置上，徑向濃度均存較大差異。所以從Al-7%Si合金的成分分布情況看來，模式螺旋磁場仍然在消除徑向成分偏析這點上，比單向螺旋磁場起到了更好的效果。

圖6 螺旋磁場對Al-7%Si合金成分偏析的影響

從上述結果可以看出，螺旋磁場的施加均能整體上改善Al-7%Si合金的成分偏析程度，這與螺旋磁場作用下合金初生相的受力情況相關，螺旋磁場下合金初生相受力分析[8,11]如圖7所示。初生相晶粒不僅受浮力f和自身重力G，還受到螺旋磁場的洛倫茲力F的作用，而F垂直分量Fz使金屬熔液在軸向方向形成大環流運動[8]，這個作用力可以很大程度上影響析出晶粒的上浮運動。另外，模式螺旋磁場作用下合金液對流也更加劇烈，部分可能發生偏析的初生相也會因強烈的對流被卷入液芯中[11]，從而減輕成分偏析。

圖7 螺旋磁場下合金初生相受力示意圖[8,11]

3. 結論

(1)本實驗條件下，磁場的施加并未顯著影響Al-7%Si合金凝固過程的導熱條件，只是在保溫至凝固開始的過程中均勻了熔體軸向上的溫度分布，縮短了此過程的時間，但并未顯著影響合金的凝固時間，并且磁場也未對熔體內溫度梯度產生顯著影響。

(2)螺旋磁場的施加可以顯著促進Al-7%Si合金凝固過程中柱狀晶向等軸晶轉變，基本消除了粗大的柱狀晶組織，模式螺旋磁場的施加顯著改善了合金凝固的組織結構，形成了較為細密的等軸晶，并且擴大了等軸晶組織的范圍。但單向螺旋磁場并未能完全消除鑄錠的宏觀缺陷，反而由于強迫對流效應增強使得通道偏析更為嚴重，而模式螺旋磁場較單向螺旋磁場在擴大等軸晶區域和細化晶粒方面的作用更為顯著。

(3)模式螺旋磁場較單向螺旋磁場具有顯著改善鑄錠凝固后徑向上濃度差異的效果，從本研究中Al-7%Si合金鑄錠截面上的溶質濃度分布情況，模式螺旋磁場較單向螺旋磁場更有利于減輕鑄錠整體的偏析問題。

(4)模式磁場具有改善通道偏析發生的作用，能夠更好地減輕宏觀偏析程度。只有控制合理的模式參數，使得磁場強度、模式頻率等參數與熔體流動特征、金屬凝固速度匹配，才能有效抑制通道偏析的產生。這些參數之間的具體匹配關系還尚待進一步的研究。