电磁铸造技术研究进展

刘艳明，勾靖国

（山西大同大学煤炭工程学院，山西大同037003）

电磁铸造技术研究进展

刘艳明，勾靖国

（山西大同大学煤炭工程学院，山西大同037003）

电磁铸造是涉及多学科的复杂技术，电磁施加于铸造过程可以明显细化晶粒，使晶核易于形成，改善工艺性能和使用性能，提高铸件的强度和韧性等，是近年来发展起来的一项新技术。

电磁铸造；改善工艺性能；新技术

上世纪前苏联专家从电磁感应入手开发了电磁铸造加工技术，并于1966年在实验条件下制造出第一个铸锭。此后，电磁铸造作为一种新型的铸造工艺在世界范围内迅速发展起来。发达国家陆续使用电磁铸造技术，并将之与计算机技术相结合，达到自动化控制的生产状态。中国在电磁铸造领域的研究开始较晚，东北大学等在电磁铸造技术开发上投入大量人力物力，并且效果明显，尤其是东北大学和西北工业大学都拥有这方面的国家重点实验室，具有良好的实验条件和经验积累[1]。1986年，西南铝加工厂等几家单位联合开展了电磁铸造领域科技研究，达到计算机全部准确调控。八五期间大连理工大学将数值模拟应用于电磁铸造，模拟出温度分布、电磁分布、应力分布，这些研究开发推动了我国电磁铸造技术的长足发展[2]。

1 电磁铸造理论和工艺

1.1 电磁铸造实验原理

电磁铸造是一项多学科交叉的铸造方法，电磁场对金属液体产生安培力从而进行搅拌，在熔融金属液内产生热量，不同程度影响传递过程。安培力使熔融金属液悬浮，与型腔轻微接触或者没有接触情况下成形，使成形出来的铸锭表面光滑，凝固组织得到明显改善，具有较低的表面粗糙度，在使用前可以减少加工，改善工艺性能和使用性能[3]。

电磁铸造大体上包括垂直型铸造和水平型铸造，垂直电磁铸造应用比较广泛。交变电流通过线圈中激励出交变电磁场，在交变电磁场联合作用下，金属液内形成感生电流（与感应器电流方向相反），感应电流密度I和磁感应强度B形成电磁安培力F=I×B，其方向为径向且指向感应线圈内。这样金属液在电磁力的侧向约束下呈半悬浮状态，使得熔体与铸壁保持软接触，从而可以减少表面缺陷；同时，电磁力促使金属液形成涡流，强化了熔体内部的对流，还能加快散热，提高冷却速率。实验进行中可以向铸锭喷射冷却低温水，自由液面状态下金属液进行凝固。如果希望得到侧表面垂直的半悬浮金属液柱，可以安放屏蔽罩。降低搅拌作用，使得金属液柱稳定。实验过程中为了保证安全，带电设备全部接地并将地线尽量加大直径，减小其电阻。

1.2 电磁铸造工艺及其作用

电磁铸造实验中，可以单独给金属液通电流和单独通磁场，也可以在相互垂直的方向上同时通电流和磁场。电磁场与熔融金属液体和电磁场之间可以产生热量，也有安培力、热和力作用在其中。大量实验证实，施加电场可以细化金属凝固组织，具体原因尚不明确，合适的电流密度可以使晶粒细化，产生孕育结果和变质处理的效果，组织形貌得到明显改善。

磁场有交流、脉冲、直流三种类型，任何一种加在熔融铝合金上，微观上都朝着有利方向发展，与没通磁场的相比有较大变化[4]。施加稳恒磁场对熔融金属液的凝固影响，除了减弱对流在金属液之间的发生，还可以产生热电磁流体效应。

1.2.1 直流电场铸造

据资料显示，王劲等研究发现在直流电场作用下，电场中的电流变大后，数枝状晶将会变窄，数目增加，二次生长的枝晶孕育长大被约束，末梢变得圆而凸，枝状晶之间的距离降低，电流密度大于9.5 A/cm2后，微细的非枝状晶组织演化为金属溶液中粗大的枝状晶组织，逐渐提高电流密度，将会使共晶体组织的量值提高。徐前刚通过实验证实，直流电场能够使Al-4%Cu合金在沿着一定方向凝固时，已经凝固和尚未凝固的过渡区域的溶质分配系数，以及温度变化梯会发生变化。

1.2.2 交流和脉动电场铸造

Asai等人研究发现Sn-Pb合金等轴晶在高密度电场作用下得以细化，分析得出电流通过金属时产生磁场，与电场相垂直从而产生安培力，金属液体的流动过程中有安培力作用其中，细化了等轴晶组织。郭发军等通过对Al-5%Cu合金施加交流电场做定向凝固实验，结果显示交流电流数值越大，柱状胞晶将会变得越小，作用交流电场之后，减小了液相内部溶质活度系数，减小了液固之间的稳定性，并且通上交流电后金属液内部会被搅动，枝状晶破碎分散，使得界面能会变化起伏[5]。

傅明喜等人在实验中将脉冲电流通入Al-Si合金金属液，发现脉冲压力不断施加，能产生小幅度冲击，脉冲电流逐渐变大后，集中缩孔变少变小，成为小缩孔和弥散的缩松[6]。周本濂研究团队尝试了合金金属液凝固组织形貌与脉冲电流的关系，超越了一般的电迁移理论。高明等人将脉冲电流通入ZA27合金液体，发现和普通铸造相比，延伸率与抗拉强度实验数据都变大[7]。

1.2.3 直流磁场铸造

龙春仙研究小组发现，Al-Si合金中减小直流磁场温度后，初生Si由较粗而大演化为窄而长，磁场温度慢慢降低时，金属液体流动所受约束减小、时间变大。王艳等发现直流磁场作用下，在过共晶Al-Si组织中，初始结晶Si颗粒偏析聚集到铸件外型，片针状Al-Si共晶体聚集在中部，偏聚厚度取决于磁感应强度B，其数值提高后，铸件中心部位共晶组织的区域变大。班春燕等通过对7075铝合金施加直流磁场，把直流磁场下凝固的铸件与没有施加磁场的铸件比较，显示晶粒的大小变化不明显；但是溶质元素在晶内的析出量减少了，从而溶质元素的晶内含量升高，表明直流磁场可以提高溶质元素的固溶度[8]。

1.2.4 交流磁场铸造和脉冲磁场铸造

上世纪60年代，Langen-berg等研究发现交流磁场能够细化钢锭凝固晶粒。韩逸等发现亚共晶Al-0.90%Fe合金在施加交流磁场时，共晶组织中的Fe和Al沿着相反方向朝着中间汇聚，这种移动现象由开尔文力造成，并且逐渐减小了冷速，Al3Fe将趋向于朝相反方向富集[9]。刘国钧等人发现在交流磁场作用下，凝固物中的初生相能够转成微小的球状体，与加入形核剂促进非均匀形核得到的力学性能相差无几。

关于脉冲磁场，东北大学班春燕等发现经脉冲磁场处理后样品的LY12凝固组织中，粗大的柱状晶明显地细化为微细的等轴晶，表明脉冲磁场可以明显改善细化晶粒、凝固组织。訾炳涛等实验表明脉冲磁场使线圈中的熔融金属内感应出涡电流，涡电流和磁场交互作用产生出洛仑兹磁力和磁压强，二者变化强度较为剧烈，使得液态金属内部振动，产生较大的过冷度，易于形成晶核；而且强迫金属液产生对流，折断破碎大的树枝晶，碎裂成多个结晶核心，生成多个形核的有效界面。

2 电磁铸造数值模拟

金属在电磁场下凝固是十分复杂的冶金过程，利用电脑软件对电磁场进行模拟仿真，可以直觉看到电磁场内部分布，从而更好地掌握电场和磁场对金属溶液凝固所起的作用，对改进实验装置，改善工艺性能和使用性能意义重大。

铸造数值模拟技术是多学科融合的结果，最终将大量的计算结果以图和表的形式输出成变形图、等值分布图、温度分布图、磁力线分布图和电势分布图等，并且以具体的数据形式展示出来，便于搜索和处理数据，为研究人员总体把握电磁所起的作用提供了参考。因为电场和磁场用人的眼睛是看不见的，通过软件模拟使得这种看不见的物理特征实现了可视化，变成实实在在能够看见的实体，这种物理特征分布图突破了人们对磁场电场无法直观感觉。

3 结论

电磁铸造是一种新型的铸造技术，未来的发展趋势必然是相当可观。就目前的现状而言，主要应该研究以下方面：

(1)电磁铸造设备装置。包括直流电场、交流电场、脉冲电场铸造装置，以及直流磁场、交流磁场、脉冲磁场装置，现在这方面已有不少研究成果，但还不够完善。

(2)铸造模拟。模拟使得电力线、磁力线、电势等变成可视化的东西，可以预测温度场、磁场、电场的大小以及分布，为电磁铸造实验工艺提供参考依据。

(3)电磁铸造的机理。铸造工艺引入电磁场可以使晶粒细化，提高铸件机械性能，具体作用原理还没有成熟的结论。

[1]Langenberg F C,Pestel G,Honeycutt C R.Grain refinement of steel ingots by solidification in a moving electromagnetic field[J].Trans Metall Soc AIME,1961,221:993-1001.

[2]耿雪峰，徐宏，张莉.电磁技术在材料加工过程中的应用与发展[J].大型铸锻件，2005（3）：4-8.

[3]代威，傅正义，卢北平，等.电磁场在材料科学中的应用[J].国外建材科技，2004，25（3）：7-10.

[4]班春燕，巴启先，崔建忠，等.磁场作用下铝合金的微观结构[J].东北大学学报:自然科学版,2002，23（8）：779-782.

[5]郭发军，陆巧彤，李玲珍，等.交流电场对定向凝固及界面溶质分配系数的影响[J].北京科技大学学报，2006，28（2）：124-128.

[6]傅明喜，吴晶，司乃潮.脉冲电流对Al-Si合金缩孔及凝固组织的影响[J].热加工工艺，2003（1）：24-25,27.

[7]何力佳.脉冲电场作用下金属组织的研究进展[J].辽宁工学院学报:自然科学版,2003，23（5）：31-34.

[8]班春燕，韩逸,龙春仙，等.直流磁场对7075铝合金组织结构的影响[J].特种铸造及有色合金，2006，26（1）：15-16.

[9]韩逸，班春燕，巴启先，等.交流磁场对亚共晶Al-Fe合金组织的影响[J].铸造，2006，55（4）：393-396.

Development of Electro-magnetic Casting Engineering

LIU Yan-ming，GOU Jing-guo
(School of Coal Engineering,Shanxi Datong University，Datong Shanxi,037003)

Electromagnetic casting is a complicated technology involving many subjects,the electromagnetic casting process can obviously refine the grain,the nucleation is easy to form,process performance and performance is improved,and can improve the strength and toughness of castings,and etc.is a new technology developed in recent years.

electromagnetic casting;improve process performance;new technique

TG14

A

1674-0874(2016)05-0058-03

2016-05-08

山西大同大学校级青年科学研究项目[2014Q7]

刘艳明(1982-)，男，山西吕梁人，硕士，讲师，研究方向：新材料及计算机模拟。

〔责任编辑 王东〕