电磁搅拌对镁合金铸锭宏观偏析的影响

张 成 徐世伟唐伟能谢 玉

(1.宝山钢铁股份有限公司研究院，上海 201900；2.汽车用钢开发与应用技术国家重点实验室(宝钢)，上海 201900；3.上海运输工具轻量化金属材料应用工程技术研究中心，上海 201900)

电磁搅拌对镁合金铸锭宏观偏析的影响

张 成1,2,3徐世伟1,2,3唐伟能1,2,3谢 玉1,2,3

(1.宝山钢铁股份有限公司研究院，上海 201900；2.汽车用钢开发与应用技术国家重点实验室(宝钢)，上海 201900；3.上海运输工具轻量化金属材料应用工程技术研究中心，上海 201900)

研究了电磁搅拌对半连续铸造镁合金铸锭宏观偏析的影响。采用电磁铸造法制备了直径320 mm的AZ61镁合金铸锭，电磁搅拌施加电流为0～300 A，频率为15 Hz。利用化学分析法对比了不同电磁场强度下镁合金铸锭径向主要溶质元素的分布情况。结果表明，电磁搅拌可以有效改善镁合金铸锭主要溶质元素的分布，并且当施加电流强度为20～50 A时，铸锭径向元素偏析比明显减小，达到了改善镁合金铸锭宏观偏析的效果。电流强度超过100 A时，电磁场强度较大会引起熔体过搅现象，从而导致溶质元素偏析程度恶化。

电磁搅拌 半连续铸造 镁合金 宏观偏析

镁合金作为最轻的金属结构材料，具有密度小、比强度和比刚度高、导热性好、电磁屏蔽效果佳、阻尼减震性能好、机械冷加工性能优良、零件尺寸稳定以及易回收等优点，在航空航天、汽车工业、电子信息和民用家电等领域的应用越来越广泛[1- 2]。随着社会进步和技术发展，在镁合金铸坯生产领域提出了许多新方法和新技术[3]。

在镁合金半连续铸造过程中，不同元素由于在凝固过程中的扩散作用，成分分布会出现不均匀的现象，这是镁合金熔体凝固过程中因为溶质再分配而产生的必然现象。这种溶质分布不均匀的区域偏析会严重影响半连续铸造镁合金铸锭的力学性能，进而降低后续深加工(挤压、轧制等)的生产效率。镁合金铸锭质量对变形材料起着基础性的决定作用，铸锭质量的高低直接影响加工产品性能的优劣。如何减轻这种区域偏析是目前镁合金半连续铸造研究的重点。为了提高镁合金铸锭的质量，电磁搅拌作为一种高效、无接触的改进工艺，将其用于镁合金是较理想的搅拌铸造工艺。目前关于镁合金电磁搅拌半连续铸造方面的研究报道较少。Mizutani Y等[4]研究了60～5 000 Hz电磁频率对纯镁的影响，结果表明，结晶器电磁搅拌铸造能够有效细化镁及镁合金的晶粒，促进柱状晶向等轴晶转变；Guo等[5]研究表明，提高铸造速度，在低频范围内搅拌效果更好；翟春生、包卫平等[6- 7]模拟了镁合金电磁铸造过程，表明当电磁搅拌频率为10 Hz时，熔体温度场分布比较合理。崔建忠等[8]的研究表明，镁合金电磁搅拌半连续铸造有助于细化晶粒、消除宏观偏析、降低热应力等。

但目前研究低频磁场下电流强度对大尺寸镁合金铸锭宏观偏析的影响鲜有报道。本文通过在低频磁场下施加不同交变电流，研究了不同条件的电磁搅拌对镁合金铸锭宏观偏析的影响，为制备大尺寸、高纯净度的镁合金铸锭工艺技术提供借鉴。

1 试验材料及设备

镁合金电磁铸造过程示意图如图1所示。在结晶器外设置电磁感性线圈，通过施加电流形成电磁场来改变连铸中铸坯内部熔液的流场和温度场，以达到搅拌目的。试验采用15 Hz的低频磁场，电流强度在0～300 A范围内变化。试验材料为AZ61镁合金，化学成分如表1所示，主要含有Al、Zn和Mn三种合金元素，这三种元素的区域偏析现象较明显。试验获得直径320 mm的镁合金铸锭，从铸锭中心至边部沿径向截取试样，利用等离子发射光谱仪(ICP- AES)测定试样的主要元素含量。

图1 镁合金电磁铸造过程示意图Fig.1 Schematic illustration of the electromagnetic casting process for magnesium alloy

表1 AZ61 镁合金的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of the AZ61 magnesium alloy (mass fraction) %

2 试验结果与讨论

在镁合金实际熔炼过程中，熔液中元素含量都会有一定波动，只能控制各元素含量在规定的范围内，因此无法单纯的用元素含量这一指标来衡量铸锭中元素的偏析情况。为了获得统一定量的分析结果，讨论电磁搅拌参数变化对各溶质元素区域偏析的影响。本文对元素含量进行了统一的量化处理，定义η为铸锭内溶质区域偏析度[9]。

(1)

式中：Ci为各测量点元素浓度，Co为镁合金熔液中该元素的浓度。

由式(1)可知，当区域偏析度η越接近0时，说明该点的元素含量越接近配置镁合金的元素含量；当各点溶质偏析度变化越小时，说明半连续铸造的镁合金中溶质元素偏析越小，越有利于后续深加工。

2.1 不同电磁参数条件下Al元素的分布

在镁合金中，通常溶质分配系数k<1 (即CS/CL<1)。图2所示为不同电磁参数下Al元素在铸锭径向不同位置的区域偏析度。从图中可以看到，Al 元素的偏析度从镁合金铸锭中心到表面逐渐增大，呈逆偏析状态。这主要是因为镁合金的结晶温度范围大，容易形成尺寸粗大的树枝晶，而Al元素属于易熔组元，温度梯度较小，在枝晶间附近聚集含有大量溶质元素的金属液，其在压力的作用下，沿着各枝晶间的通道向外部扩散，直至到达铸锭表层，从而凝固完成后形成逆偏析。靠近铸锭表面，由于有氧化皮等因素，导致取样难度较大，Al元素偏析度存在一定程度的波动。

图2 Al元素在铸锭径向不同位置的区域偏析度Fig.2 Segregations of the Al element along the radius of ingot

为了减弱Al元素的逆偏析现象，就要提高铸锭中心Al元素的偏析度，同时降低近表面处的偏析度。在电磁场频率为15 Hz时，通过改变加载电流的大小来改变电磁场的强弱。从图2中可以看出，随着加载电流从0逐渐增加到50 A，铸锭中心Al元素的偏析度增大，在近表面处偏析度有所下降，中心至边部偏析度差异逐渐减小。但是，随着加载电流的逐渐增大，中心处Al元素的偏析度先是上升，随着电流强度增加到100 A以上，偏析度反而急剧下降，导致径向元素偏析比逐渐增大。综合比较可知，在电流强度为20～50 A时，铸锭中心和表面Al元素的偏析情况都得到了明显改善，铸锭各部位Al元素偏析情况均匀，达到了理想的镁合金溶质元素分布状态。当电流较大时，由于镁合金的电导率较高，电磁搅拌强度过大，超过了镁合金正常所需要的搅拌强度，发生了过搅现象，反而加重了其逆偏析。

2.2 不同电磁参数条件下Zn元素的分布

在镁合金半连续铸造过程中，Zn元素与Al元素相似，都属于易熔组元，其偏析状态相近。图3所示为不同电磁参数下Zn元素在铸锭径向不同部位的区域偏析度。从图中可以看出，无论是否施加电磁搅拌，Zn元素的偏析度整体上也从中心向表面逐渐增大，呈逆偏析现象。

同无电磁搅拌相比，施加电磁搅拌有助于提高铸锭中心Zn元素的偏析度，同时降低近表面处的偏析度。这主要是因为施加电磁场后，在熔体中产生的搅动作用使得液穴内镁合金熔体产生强制对流作用，降低了凝固前沿溶质富集的程度。同时由于搅动的影响，温度场和浓度场更加均匀，晶体逐渐向非枝晶转变，减轻溶质沿枝晶富集的情况，进而减少区域偏析的产生。在电磁场频率为15 Hz、加载电流强度为20～50 A时，铸锭中心Zn元素偏析度升高，近表面处偏析度降低，达到了理想的溶质元素分布状态。随着加载电流增加到100 A，中心偏析度略有下降，近表面偏析度略有升高，但变化不大。但随着加载电流超过100 A时，磁场强度明显增大，此时中心部位元素偏析急剧下降，整体逆偏析现象加剧，说明在镁合金熔体中出现了过搅现象。

图3 Zn元素在铸锭径向不同位置的区域偏析度Fig.3 Segregations of the Zn element along the radius of ingot

2.3 不同电磁参数条件下Mn元素的分布

与Al、Zn元素不同，在镁合金中Mn元素属于难熔组元，且容易形成金属中间化合物，汇聚在液穴底部。根据镁合金溶质再分配规则，Mn元素易富集在凝固前沿，待凝固完成后，Mn元素偏析度在铸锭中呈现从中心向表面逐渐减小的正偏析分布状态。图4为不同电磁参数下Mn元素在铸锭径向不同部位的区域偏析度。从图中可以看出，Mn元素偏析度从铸锭中心向表面逐渐减小，呈正偏析现象，与理论分析相吻合。由图4可知，与无电磁搅拌相比，施加电磁搅拌对Mn元素偏析的影响没有呈现与Al、Zn元素类似的规律，这主要与Mn元素含量较少，不同批次Mn元素含量差异较大等有关。但仍可以看出，在磁场频率为15 Hz、施加电流为50 A时，正偏析现象趋于平稳，在铸锭径向上Mn元素偏析得到了改善；当施加电流强度大于100 A时，Mn元素中心的偏析度增大，整体径向元素偏析变得更加剧烈。这说明电磁搅拌强度过大也不利于Mn偏析的改善。

图4 Mn元素在铸锭径向不同位置的区域偏析度Fig.4 Segregations of the Mn element along the radius of ingot

3 结论

通过对比不同电磁搅拌参数条件下，镁合金铸锭中三种主要溶质元素在不同部位的分布情况，得到如下结论。

(1)在镁合金半连续铸造过程中，易熔组元Al、Zn元素在铸锭径向主要呈现逆偏析分布状态，难熔元素Mn主要呈现正偏析分布状态。

(2)通过在传统的半连续铸造结晶器上施加电磁搅拌，可以有效改善镁合金各溶质元素的分布情况，减弱镁合金铸锭的宏观偏析。

(3)对镁合金铸锭而言，较小的电磁场强度就可以有效改善铸锭主要合金元素的区域偏析，减小元素径向偏析比。在电磁场处于15 Hz、电流强度在20～50 A时，有利于获得最佳的电磁搅拌强度，可以有效改善溶质元素的偏析分布，电磁场强度较大时，容易在熔体中出现过搅现象，导致溶质元素偏析程度恶化。

[1] 曾长昌，柯伟，徐永波，等. Mg合金的最新发展及应用前景[J]. 金属学报,2001, 37(7): 673- 685.

[2] LUO A, PEKGULERYUZ M O. Cast magnesium alloys for elevated temperature applications[J]. Journal of Materials Science, 1994, 29(20): 5259- 5271.

[3] 李金柱,农登,郑开宏, 等. 镁合金半连续铸造技术的研究与展望[J]. 铸造技术,2013(3):334- 337.

[4] MIZUTANI Y, TAMURAT, MIWA K. Microstructural refinement process of pure magnesium by electromagnetic vibrations[J]. Materials Science and Engineering A, 2005, 413/414: 205- 210.

[5] GUO S J, CUI J Z, LE Q C, et al. The effect of alternating magnetic field on the process of semi- continuous casting for AZ91 billets[J]. Materials Letters, 2005, 59(14/15): 1841- 1844.

[6] 翟春生, 许光明, 崔建忠. 镁合金电磁铸造中搅拌频率的确定[J] . 轻合金加工技术, 2003, 31(2): 12- 15.

[7] 包卫平, 许光明, 崔建忠. 镁合金电磁铸造工艺参数的优化分析[J] .特种铸造及有色合金, 2004(1): 37- 38.

[8] 崔建忠, 乐启炽, 路贵民, 等. 镁合金电磁低温半连续铸造方法: 中国,03133390.7[P]. 2003- 12- 10.

[9] 李伟轩，张世斌，邓康，等. 电磁连铸AZ31镁合金的组织、性能和偏析[J]. 稀有金属，2007,31(6)：725- 731.

收修改稿日期：2017- 05- 03

EffectofElectromagneticStirringontheMacrosegregationinMagnesiumAlloyIngots

Zhang Cheng1,2,3Xu Shiwei1,2,3Tang Weineng1,2,3Xie Yu1,2,3
(1. Research Institute, Baoshan Iron & Steel Co., Ltd., Shanghai 201900, China; 2. State Key Laboratory of Development and Application Technology of Automotive Steels (Baosteel), Shanghai 201900, China; 3. Shanghai Engineering Research Center of Metals for Lightweight Transportation, Shanghai 201900, China)

The influence of electromagnetic stirring on macrosegregation of semi- continuouly cast magnesium alloy was studied. The AZ61 magnesium alloy ingot 320 mm in diameter was produced by electromagnetic casting process. The stirring electric current was varied from 0 to 300 A at frequency of 15 Hz. The variation of solute content along the radius of ingot was examined by means of chemical analysis under different magnetic fields. The results showed that the electromagnetic stirring had a great influence on the improvement of solute distribution in the magnesium alloy ingot. Further, the segregation ratio along the radius of ingot was reduced obviously when the intensity of coil current was in the range from 20 A to 50 A, which can effectively improve the macrosegregation in magnesium alloy ingots. At current intensities higher than 100 A, the greater electromagnetic fields would cause the molten metal to be over- stirred, resulting in the worse macrosegregation of solute elements.

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张成，男，硕士，助理研究员，主要从事镁合金电磁搅拌技术的研究，Email：hitzhangcheng@126.com