脉冲电流对高锰钢凝固组织的影响

李丽红，张发海

（江苏安全技术职业学院，江苏徐州221011）

脉冲电流对高锰钢凝固组织的影响

李丽红，张发海

（江苏安全技术职业学院，江苏徐州221011）

采用高频脉冲电流发生装置及高温熔化设备对高熔点高锰钢施以脉冲电流处理，并系统分析了脉冲电流密度、脉冲频率及脉冲电流处理温度对ZGMnl3-2钢凝固组织的影响。结果发现在处理温度为试样凝固点数值左右时，凝固组织随着脉冲电流密度的增加和脉冲频率的增大而产生细化效果。

高锰钢；脉冲电流；晶粒细化

高锰钢由于其很好的耐磨效果，而被广泛的应用于耐磨零件的设计与制造中，比如挖掘机的铲齿、破碎机的轧面壁和破碎壁等。但是，高锰钢在低冲击力下不能充分的被加工硬化，会导致耐磨性达不到理想的效果，因而在一定程度上制约了它的应用范围的扩展，满足不了市场对其的高需求。故而，如果能够有效的细化高锰钢的晶粒组织，提高其综合性能尤其是耐磨性对于生产制造业具有非常广泛的实用性及重大意义[1]。

本研究采用ZGMnl3-2钢为实验研究试样，因其具有较宽的固相和液相温度范围（一般从1 250℃~1 400℃）所以能够实现在其液固两相区内进行长时间的脉冲电流处理。通过研究不同的处理温度、不同的电流密度、不同的电流频率等条件下进行大量的试验，将试样凝固后进行数据分析及组织观察，找出利于晶粒细化的有效条件，使其成为一种有效可行的处理技术[2]。实验中将对ZGMnl3-2钢凝固时施以高密度脉冲电流，在不同的脉冲电流及温度下对试样进行试验，以期获得细小晶粒甚至超细晶奥氏体高锰钢。

1实验条件及方法

本实验采用ZGMnl3-2钢为研究对象，其具体成分为（wt．%）：C1.3，Mn12.8，Si0.6，S0.04，P0.09.实验设备由3台MWF50-4电容器组成，每台电容器储能为9.6 kJ；充电电压最高为50 kV，并可实现连续可调；充电时间为5～15 s；脉冲电流的最大峰值为80 KA：脉冲电流半周期时间分别为10μs、20μs、50μs和100μs四档。ZGMnl3-2钢在普通铸造时，其金相组织由奥氏体，以及沿奥氏体晶界析出的少量碳化物组成，且其奥氏体晶粒的长轴与短轴的平均值约为230μm.

实验中运用了示差扫描量热法测试了试样的凝固温度范围，为1 382.2～1 298.7℃.试样的熔点为1 391.6℃.这组数据有利于在试验过程中对脉冲电流对金属试样的处理温度、电流密度、电流频率等相关数据进行对比研究，确保发现有效的影响金属凝固组织晶粒细化的条件。

2试样制备

实验所用的试样采用如下条件制备：

在氩气保护下，将放有该合金的1 400℃刚玉坩埚置于炉内，升温至1 550℃，随即保温30min.然后在降温过程中，温度达到1 382℃时，将试样借助电极通入脉冲电流进行放电处理。在温度降到1 290℃，停止对试样的电流处理。最后，采用水冷的方式将坩埚连同试样快速冷却，得到试样，尺寸为Φ10×50 mm[2]。

3脉冲电流密度对ZGMnl3-2钢凝固组织的影响

在大量的实验过程中发现，当对实验材料的凝固组织进行同等频率下的不同电流密度进行处理时，得出来的晶粒也不同。分别对四组试件进行TEM显微分析，没有经过电流处理时的试样，晶粒粗大，方向无序。所采用的实验脉冲电流密度越大，则试样的金属凝固组织晶粒越细小，排布越整齐有序。

再通过对晶粒尺寸与脉冲电流的密度的实验数据研究，得出在频率不变的情况下，奥氏体晶粒棒状尺寸的长轴和短轴的平均值是随着电流密度的增大而减小的。

所以，高密度脉冲电流对金属凝固组织的细化效果起有益作用。

4脉冲电流频率对ZGMnl3-2钢凝固组织的影响

经过实验研究证明：脉冲频率的大小关乎材料的晶粒细化效果，分别对四组试件进行TEM显微分析，在保证电流同等的情况之下，当脉冲频率很小时，对该组织的晶粒细化产生的现象并不明显，随着电流脉冲频率的增大，被试验的材料其晶粒细化的现象就越来越明显。所以，由此得出结论：要想获得理想的细小晶粒组织，则脉冲电流频率需采用高频率，此为必要条件。

5开始放电温度对ZGMnl3-2钢凝固组织的影响

随着实验次数的大量增加，发现脉冲电流一开始的施加温度非常重要，若温度过高则会使得液体飞溅，甚至爆炸。这一点在图1（a）上有明显显示：在初始放电温度为1 400℃时，金属的凝固组织照片显示出大量的孔洞。尽管晶粒比较细小，但这些大量孔洞的存在依然影响材质的性能。而形成这些孔洞的罪魁祸首则是温度，正是温度的不合理使得金属在凝固时产生了液体飞溅甚至是极小区域的爆炸。而这一现象则随着温度的提高而更加明显，不利于等到更为理想的凝固组织[3]。

而图1（c）和（d）则显示：脉冲电流初始施加的温度过低，会造成出现不均匀凝固的组织结构。经过大量的实验表明，在开始放电温度为1 382℃的脉冲电流处理下，ZGMnl3-2的凝固组织能够得到图1所示的效果，此时的金属晶粒细小而均匀，性能最佳，最为理想。所以，经过反复的实验研究得出如下结论：在对金属凝固组织进行脉冲电流处理时，要将施加温度考虑进去，尽量控制其温度接近金属的凝固点最为适宜。

图1 ZGMnl3-2钢在不同开始脉冲放电处理温度时的凝固组织

6结束语

要想使高锰钢的晶粒细化、凝固组织得到改善并将力学性能提高，可以采用在金属凝固过程中运用脉冲电流进行控制，这不失为一种新型的凝固控制技术。在将来的大量研究中，这种技术一定能得到深入而广泛的研究与应用，前景远大。

[1]范金辉，华勤，侯旭，等．脉冲电流对奥式体不锈钢凝固组织的影响[J]．钢铁，2003，38（5）：44-46.

[2]张明，任向飞，李建辉，等．脉冲电流对铁基合金凝固组织的影响[J]．钢铁研究学报，2006，18（2）：50-54.

[3]肖蕴华，杨菲，原正兴，等．脉冲电流处理对ZAl2合金凝固组织和力学性能的影响[J]．热加工工艺，2002（6）：32-33.

Effectof Pulse Currenton Solidification Microstructure of High Manganese Steel

LILi-hong，ZHANG Fa-hai
（Jiangsu Safety Technology，Career Academy，Xuzhou Jiangsu 221011，China）

This study uses high frequency pulse current generator and high temperature melting equipment with pulse current of high melting point and high manganese steel，and analyzed the effect of pulse current density，pulse frequency and pulse current treatment temperature on the microstructure of ZGMnl3-2 steel.The results found that the processing temperature is about numerical solidification，solidification structure increases with the increase of the current density，pulse and pulse frequency and generate the refinementeffect.

highmanganese steel；pulse current；grain refinement

TH 142.2

A

1672-545X（2016）12-0219-02

2016-09-23

李丽红（1982-），女，河北唐山人，本科，讲师，研究方向：数控机床及自动化装备等。