脉冲电场孕育处理对伍德合金凝固组织的影响

李　航，李　杰，夏云进，李　浩（安徽工业大学冶金工程学院，安徽马鞍山243002）

脉冲电场孕育处理对伍德合金凝固组织的影响

李航，李杰，夏云进，李浩
（安徽工业大学冶金工程学院，安徽马鞍山243002）

以伍德合金为研究对象，在熔融状态下对其进行脉冲电场孕育处理，分析脉冲电压、孕育处理时间、脉冲频率对伍德合金凝固组织的影响。结果表明，脉冲电场孕育处理可以细化伍德合金的凝固组织，使其中的Cd相平均尺寸变小。一定电压范围内，随着脉冲电压的增大，伍德合金凝固组织细化程度愈明显，电压增大到6 V后，细化作用减弱；孕育处理效果与处理时间密切相关，一定时间范围内，随处理时间的延长，伍德合金凝固组织细化程度愈明显，40 s时Cd相平均尺寸最小，为29.86 μm，较未处理时减小了63.60%，之后细化程度减弱；随着脉冲频率的增大，脉冲孕育处理细化伍德合金凝固组织的效果先增强后减弱，脉冲频率为50 Hz时，细化效果最明显，凝固组织中Cd相平均尺寸为24.15 μm。

脉冲电场；孕育处理；伍德合金；凝固组织

自Nakada等［1］首次使用脉冲电流作用于Sn-Pb合金的凝固过程细化合金凝固组织以来，科研工作者们利用脉冲电场处理技术开展了一系列的实验研究。如洪鹏等［2］，廖有友等［3］研究表明，脉冲电场和稀土能有效减小晶界偏聚，改善凝固组织，并能有效细化夹杂物，控制夹杂物形貌；王建军等［4］发现脉冲电流能有效控制钢的凝固组织，减小柱状晶，增大等轴晶区；陈克全等［5］研究显示，电极侧插式，纯铜晶粒效果细化最明显，坩埚式电极次之，平行电极效果最差；孙玉玲等［6］研究表明，电场脉冲处理后铜锡合金铸态组织明显改善，偏析减轻，组织更加均匀，进而提高了材料的力学性能；郭丽丽等［7］利用定向凝固的方法，研究了脉冲电场对Al-5.6%（质量分数）Cu合金柱状晶间距的影响，结果显示脉冲电压愈大，柱状晶间距愈大，冷却速率越快，脉冲电场作用效果对冷速的响应越明显。综上所述，脉冲电场处理已凭借其处理方法简单、无污染、细化效果明显的特点，成为近年来金属凝固控制技术的重要发展方向。

伍德合金是以金属铋为基的一类低熔点合金，其熔融状态下的电导率和黏度与钢液相近，常用来模拟钢液的搅拌和流场分布［8-10］，而利用其研究钢液凝固过程的报道较少。鉴于此，笔者采用脉冲电场对伍德合金进行孕育处理，研究其对伍德合金凝固组织的影响，并就其作用机理进行初步探讨。

图1　实验装置示意图Fig.1 Diagram of experiment device

1　实　验

1.1实验材料与设备

实验材料为伍德合金，主要成分为w（Bi）=50%，w（Pb）=26.7%，w（Sn）=13.3%，w（Cd）=10%，结晶点约71.6℃。实验装置示意图如图1，主要设备有GM200A-12V高频脉冲电源、电子恒温不锈钢水浴锅、测温控温温度计、电极等。

1.2实验方法

将500 g伍德合金装入烧杯，在恒温水浴槽内加热到85℃并保温1 h，将脉冲电流引入熔融伍德合金液中，按照不同设计参数（如表1）进行脉冲电场孕育处理。将脉冲电场孕育处理的伍德合金浇铸到钢锭模中空冷至室温；对所得合金锭沿纵向剖开，研磨、抛光，用体积分数为4%的硝酸酒精侵蚀后在金相显微镜下观察其显微组织，并用Image J软件对伍德合金凝固组织中Cd相的尺寸进行统计，作为脉冲电场孕育处理细化效果的评价依据。为消除电极的冷却效应，在电极插入伍德合金熔体前先预热10 min，并在熔体中保持5 min后施加脉冲电流。

表1　实验方案Tab.1 Experimental scheme

2　实验结果及分析

2.1脉冲电压对凝固组织的影响

固定脉冲电场的频率为30 Hz，在不同脉冲电压下对500 g伍德合金熔体孕育处理60 s，所得试样的凝固组织和凝固组织中Cd相尺寸统计结果分别如图2，3。其中：黑色针状为Cd；白色为Bi；其他为Pb7Bi3和Sn。由图2，3可以看出：未经脉冲处理的伍德合金中Cd相晶粒粗大（平均为82.04 μm），且尺寸差别较大、分布不均匀；脉冲电压为4 V时，伍德合金中Cd相平均尺寸为53.27 μm，增大脉冲电压到6 V时，伍德合金中Cd相平均尺寸减小为31.15 μm，较未处理时减小了62.03%，且分布更加均匀；进一步增大脉冲电压，伍德合金中Cd相平均尺寸略有增大，但其凝固组织更加细小，表明脉冲电场孕育处理可以明显细化伍德合金凝固组织，其中Cd相平均尺寸明显减小。

图2　不同脉冲电压处理时伍德合金凝固组织Fig.2 Solidification microstructure of Wood alloy with different pulsed voltage

根据液态金属团簇结构假说和电脉冲孕育处理机理［11］，当脉冲电场作用于金属熔体时，其晶胚外电层结构将发生畸变，部分金属原子与晶胚结合形成符合幻数特征的大尺度团簇，进而形成稳定晶胚，从而实现晶胚孕育，增加凝固形核核心，细化其组织。从能量的观点分析，较低和较高的脉冲电压都不利于熔体中小尺寸团簇向稳态团簇的畸变长大，故脉冲电压存在最佳值。本实验中，脉冲电压为6 V时，伍德合金凝固组织相对较细小且分布较为均匀。

图3　Cd相平均尺寸与脉冲处理电压的关系Fig.3 Relationship between the average size of Cd and electric pulsed voltage

2.2孕育时间对凝固组织的影响

用6 V，30 Hz的脉冲电流对500 g伍德合金分别孕育处理20，40，60 s，所得试样的凝固组织及Cd相的平均尺寸分布分别如图4，5。由图4，5可以看出：脉冲电场孕育处理时，伍德合金凝固组织的细化效果与孕育处理时间密切相关，孕育处理时间相对较短时（20 s），伍德合金凝固组织略细化，其中Cd相平均尺寸与未处理时相比有所减小，但Cd相平均尺寸仍有49.16 μm；随着孕育处理时间的延长，凝固组织中Cd相平均尺寸减小，分布更加均匀；孕育处理40，60 s时，伍德合金凝固组织中Cd相平均尺寸分别为29.86，31.15 μm，较未处理时分别减小了63.60%和62.03%。

图4　不同脉冲处理时间下伍德合金凝固组织Fig.4 Solidification microstructure of Wood alloy with different pulsed treatment time

根据电脉冲孕育处理机理，在一定时间范围内，随着脉冲电场孕育处理时间延长，在电场力作用下依附到小尺寸团簇上的Cd原子会越多，单位体积内Cd原子与晶胚结合成符合幻数特征的大尺度团簇也越多，因此伍德合金凝固组织得到细化。如果脉冲处理时间超过一定限度后，处于亚稳态团簇中的小粒子可能逃逸出来，甚至使处于稳态位置中的小粒子能量瞬间爆发，致使可能成为形核核心的团簇数目减少，形核率降低，细化效果变差。所以随着孕育处理时间的进一步延长，伍德合金凝固组织的细化程度有所减弱。

图5　Cd相平均尺寸与脉冲处理时间的关系Fig.5 Relationship between the average size of Cd and pulsed treatment time

2.3脉冲频率对凝固组织的影响

固定脉冲电场的电压为6 V，用不同频率的脉冲电场对500 g伍德合金熔体脉冲孕育处理40 s，所得试样的凝固组织如图6，图7为凝固组织中Cd相平均尺寸的统计结果。由图6，7可看出：脉冲电场频率对伍德合金凝固组织的细化有较大影响，随着脉冲电场频率的不断提高，伍德合金凝固组织的细化程度不断提高；脉冲电场频率为30 Hz时，伍德合金凝固组织显著细化，其中的Cd相平均尺寸为29.86 μm，较未处理时减小了63.60%；脉冲电场频率为50 Hz，伍德合金试样中Cd相平均尺寸进一步减小为24.15 μm；脉冲电场频率为80 Hz，伍德合金试样中Cd相平均尺寸相对有所增大，为33.82 μm，但较未处理时仍减小了58.78%，伍德合金凝固组织仍得到很大程度的细化。

图6　不同脉冲频率处理下伍德合金凝固组织Fig.6 Solidification microstructure of Wood alloy with different pulsed frequency

脉冲频率指单位时间内放电的次数。实验过程中增大孕育处理脉冲电场频率，即增大单位时间内向伍德合金熔体施加与撤销电场的次数，相当于延长脉冲作用时间。因此随着脉冲电场频率的增大，熔体中大尺寸团簇数目增多，其形核率提高，伍德合金细化效果提高，其中的Cd相平均尺寸减小。

图7　Cd相平均尺寸与脉冲处理频率的关系Fig.7 Relationship between the average size of Cd and electric pluse frequency

3　结　论

在不同参数下，采用脉冲电场对伍德合金的凝固组织进行孕育处理，结果表明：

1）一定范围内，随着脉冲电压的增大，伍德合金组织细化程度明显提高，当脉冲电压为6 V时，伍德合金中Cd相平均尺寸减小为31.15 μm，且分布更加均匀；进一步提高孕育处理的电压水平，其凝固组织得到细化，但Cd相平均尺寸较6 V时略有增大，细化效果减弱。

2）伍德合金组织细化的效果与孕育处理时间密切相关，一定时间范围内，随处理时间的延长伍德合金凝固组织细化程度愈明显，40 s时Cd相平均尺寸最小，为29.86 μm，之后细化程度减弱。

3）脉冲电场频率对伍德合金凝固组织的细化也有较大影响，随着脉冲频率的增大，脉冲孕育处理细化伍德合金凝固组织的效果先增强后减弱，脉冲频率为50 Hz时，细化效果最明显，凝固组织中Cd相的平均尺寸为24.15 μm。

［1］NAKADA M，SHIOHARA Y，FLEMING M.Modification of solidification structure by pulse electric discharging［J］.ISSJ International，1990，30（1）:21-31.

［2］洪鹏，王海川，李新，等.脉冲电场对Fe-C-P系合金熔体凝固过程的影响研究［J］.过程工程学报，2011，11（1）:79-84.

［3］廖直友，王海川，李新，等.脉冲电场和稀土对Fe-C-P系合金凝固过程的影响［J］.安徽工业大学学报（自然科学版），2013，30（3）:333-337.

［4］王建军，周俐，金友林，等.脉冲电流对钢凝固组织的影响［J］.钢铁研究学报，2007，19（5）:49-53.

［5］陈克全，王海川，钱章秀，等.电极施加方式对纯铜凝固组织的影响［J］.安徽工业大学学报（自然科学版），2013，30（1）:11-15.

［6］孙玉玲，刘兴江.电脉冲处理对铜锡合金凝固组织的影响［J］.铸造技术，2014，35（3）:497-499.

［7］郭丽丽，王倩，常国威.脉冲电场对Al-5.6%Cu合金柱状晶间距的影响［J］.铸造，2004，53（7）:531-533.

［8］陈崇峰.连铸电磁搅拌速率影响因素的多元回归分析［J］.武汉冶金科技大学学报，1996，19（4）:15-20.

［9］张奚东，樊养颐.伍德合金模拟钢液的底吹研究［J］.上海金属，1994，16（2）:20-24.

［10］张静.连铸电磁搅拌结晶器内钢液流动的数值模拟与实验研究［D］.沈阳：东北大学，2011:74-104.

［11］王建中，苍大强.金属液态脉冲孕育处理：CN98100543［P］.1998-02-27.

［12］王建中，齐锦钢.金属熔体电脉冲处理理论及应用［M］.北京：科学出版社，2011:222-227.

责任编辑：何莉

Effect of Electric Pulse Modification on Solidification Structure of WoodAlloy

LI Hang，LI Jie，XIAYunjin，LI Hao
（School of Metallurgical Engineering，Anhui University of Technology，Ma′anshan 243002，China）

Taking molten Wood alloy as the research object，pulsed electric field madipication was carried out.The effect of pulse voltage，treatment time and pulse frequency on the solidification structure of Wood alloy during solidification was investigated.Experimental results show that the solidification structure of Wood alloy can be refined by electric pulse modification，and the average size of Cd phase becomes smaller.In the given range pulse voltage，with pulse voltage increasing，microstructure refining effect gets better，when the voltage is bigger than 6 V，the function of refining grains weakens；Modification effect is closely related to treatment time，in a certain time range，longer time leads to better refining effect when treatment time is 40 s，the minimum average size of Cd phase is 29.86 μm，by contrast，the size decreases to 63.60%of the untreated sample.With increasing the pulse frequency，refining effect first increases，and then decreases，when the pulse frequency is 50 Hz，the best effect is obtained，the average size of Cd phase in the solidification structure is 24.15 μm.

pulsed electric field；modification；Wood alloy；solidification structure

TG113.12

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2016.01.003

1671-7872（2016）-01-0010-04

2015-10-21

国家自然科学基金项目（51374008）；安徽省大学生创新训练项目（AH201410360129）；安徽工业大学研究生创新研究基金项目（2014140）

李航（1990-），男，安徽阜阳人，硕士生，主要研究方向为钢铁冶金。

李杰（1975-），男，山东沂水人，博士，教授，主要研究方向为钢铁冶金新工艺、新技术。