螺旋磁场对Al-7%Si合金凝固及成分偏析的影响

王 勃，王月宇，王付杰

(1. 运城学院 机电工程系；2. 运城学院 图书馆，山西 运城 044000)

引言

偏析是一种化学成分分布不均匀的现象，它在合金的凝固过程中普遍存在，且会恶化合金材料的使役性能，是凝固研究的关键问题之一[1]。电磁场作为一种非直接接触的物理场在材料科学领域，尤其是金属合金的凝固控制领域有着非常广泛的应用，人们尝试利用电磁场搅拌金属液从而改善冶金效果的研究可以追溯到20世纪三十年代[2，3]。到目前为止，电磁搅拌技术在冶金工业的应用已取得了长足的进步，Eckert等[4]采用低频脉冲磁场研究了不同脉冲参数下GaInSn合金液中心纵截面上的流动模式，结果表明调整合适的脉冲参数可实现金属液在竖直方向上的往返流动；曹志强等[5]研究了电磁搅拌对灰铸铁宏观片的影响，发现偏析随着合金凝固速率的降低和搅拌强度的增加而愈加强烈。

螺旋磁场由于集旋转磁场和行波磁场于一体的特点而越来越受到研究学者的青睐，如Cramer等人[6]研究了螺旋磁场作用下金属液的流动规律，结果表明，除非行波磁场的电磁力超过旋转磁场至少一个量级，否则双涡流的流动结构会一直存在；大连理工大学的赵倩、张楠、韩彦博等人[7-10]则研究了螺旋磁场对低熔点的Sn-Pb合金凝固组织和成分偏析的影响，发现螺旋磁场较旋转磁场能更好地消除成分偏析、破碎枝晶和细化晶粒。

本文以Al-7%Si合金为研究对象，在其凝固过程中施加了不同形式的螺旋磁场，并与无磁场的情形进行了对比，研究探讨了螺旋磁场对合金凝固和成分偏析的影响，进一步扩展了螺旋磁场在改善合金性能方面的应用。

1. 实验装置及方案

本研究所采用的磁场产生装置为线圈型磁场，它由两组采用星形连接的线圈绕制而成，两组线圈在空间中分别可产生周向的旋转磁场和轴向的行波磁场，两者叠加即可形成空间螺旋磁场。线圈型磁场装置由电磁搅拌器本体(型号DJGL-170，湖南科美达电气股份有限公司)及变频控制器(型号DJKX-260 kVA，湖南科美达电气股份有限公司)组成。可通过频率及电流等参数调节磁场的强弱，当所产生的螺旋磁场运动方向呈现周期性变化时，称之为模式螺旋磁场。螺旋磁场的部分运行参数见表1。

表1 螺旋磁场运行参数

实验材料选用商业纯铝(纯度≥99.9%)和3205硅(纯度≥99.3%)经高温电炉(型号BLMT-1800，洛阳博莱曼特试验电炉有限公司)熔炼后配制Al-7%Si合金，其相线温度约为617 ℃，共晶温度约为577 ℃，这种合金也被国外学者用于研究合金凝固过程成分偏析问题，Al-7%Si合金的热物性参数见表2。

表2 Al-7%Si合金热物性参数

图1为凝固装置示意图，刚玉弧形坩埚置于线圈磁场中心位置，将K型热电偶插在坩埚中心记录凝固过程中的温度变化。热电偶分布如图2所示，热电偶的轴线与坩埚的中心线重合，合金液面高为55 mm，A、B、C三个测温点均相距25 mm，其中A点位于坩埚底部。

图1 凝固装置示意图

图2 测温热电偶布置示意图

熔炼时将纯铝与硅粒按一定质量比放入刚玉坩埚，其中硅粒铺在底层，铝块压在硅粒上面，将二者加热至950 ℃，保温15 min后用石墨搅拌棒充分搅拌5 min，再保温20 min后取出浇注。

表3 实验方案

实验中考察了未加磁场、施加单向螺旋磁场以及模式螺旋磁场三种实验条件下Al-7%Si合金的凝固剂偏析情况。实验方案如表3所示。待合金凝固过程完成后，取出坩埚并进行合金锭脱模，之后将合金锭沿中心由线切割进行纵剖并用铣床将剖面削平，用砂纸湿磨至800目。一半取样进行成分分析，用于研究成分偏析情况，图3为取样点的位置分布，其中4、5、6点为合金锭中心轴线。另一半进行腐蚀，用于观察宏观组织分布，腐蚀液采用王水(体积比HCl：HNO3=3∶1)。

图3 取样位置示意图

2. 实验结果及讨论

2.1 磁场形式对凝固过程导热条件的影响

图4为不同磁场条件下Al-7%Si合金凝固过程A#、B#、C#热电偶温度变化曲线。对比三种温度曲线图可知，三种实验条件下凝固初始条件差异甚微，凝固过程中，由于凝固潜热的释放，A#、B#、C#热电偶分别在不同时间段温度曲线出现平台，凝固结束时，三条温度曲线斜率均出现突变。

图4 不同磁场条件下Al-7%Si合金凝固过程温度变化曲线

从三次实验冷却曲线来看，位于合金液中心附近的B#热电偶温度最高，A#次之，C#最低，说明凝固过程中合金液内部轴向温度梯度由中心分别指向合金底部及合金液面，且B#与A#之间温度差明显小于B#与C#，说明合金液内部温度梯度并不均匀，上部温度梯度明显大于下部温度梯度，合金凝固过程中热量在轴向方向上主要通过上部传导。施加单向螺旋磁场及模式螺旋磁场后，上部温度梯度略有增加，这是由于施加螺旋磁场搅拌后合金液面产生凹陷，使得C#热电偶距合金液面更近的缘故。由三次实验温度变化的数据可得三次实验的凝固时间分别为220 s、215 s、205 s，施加螺旋磁场后凝固时间略有减小。这说明在本文实验条件下，螺旋磁场带来的强迫对流并未明显改变合金液整体的热传导条件，其对凝固过程的影响主要集中在合金液的流动上。

2.2 磁场形式对凝固宏观组织的影响

图5为不同磁场条件下Al-7%Si合金宏观组织照片，图5(a)中未施加磁场，铸锭宏观组织以粗大的柱状晶为主，只在边缘部分出现少量的等轴晶，且中心部位有明显的疏松及缩孔等缺陷；图5(b)施加单向螺旋磁场后，铸锭内部发生了柱状晶向等轴晶的转变(CET)，但铸锭断面上疏松及缩孔等缺陷更为严重。图5(c)中施加模式螺旋磁场后，等轴晶的区域明显扩大并成为主要的宏观组织，且晶粒分布更为均匀细密，疏松及缩孔等缺陷也得到明细的改善。

图5 不同磁场条件下Al-7%Si合金宏观组织照片

2.3 磁场形式对凝固成分偏析的影响

图6为Al-7%Si合金铸锭在中心(r=0 mm)和边缘(r=19.5 mm)两个位置处不同高度位置上的浓度分布情况。从图6中Si元素的含量看来，由于熔炼过程中Al的大量烧损导致了最终合金中Si含量超出了7%的设定水平。从四条曲线的变化趋势分析，两种磁场的施加对合金元素在高度上浓度的影响并无明显规律。但是对比两种磁场施加后铸锭在相同高度处中心和边缘的浓度差异，可以得到，模式磁场的施加在一定程度上减轻了径向上浓度的偏析。从图6中相同高度位置上径向的成分差异分析，模式螺旋磁场施加后，铸锭的下部和上部径向浓度差异不大，中间位置处径向浓度出现一定的差异；而单向螺旋磁场施加后，在三个高度位置上，径向浓度均存较大差异。所以从Al-7%Si合金的成分分布情况看来，模式螺旋磁场仍然在消除径向成分偏析这点上，比单向螺旋磁场起到了更好的效果。

图6 螺旋磁场对Al-7%Si合金成分偏析的影响

从上述结果可以看出，螺旋磁场的施加均能整体上改善Al-7%Si合金的成分偏析程度，这与螺旋磁场作用下合金初生相的受力情况相关，螺旋磁场下合金初生相受力分析[8,11]如图7所示。初生相晶粒不仅受浮力f和自身重力G，还受到螺旋磁场的洛伦兹力F的作用，而F垂直分量Fz使金属熔液在轴向方向形成大环流运动[8]，这个作用力可以很大程度上影响析出晶粒的上浮运动。另外，模式螺旋磁场作用下合金液对流也更加剧烈，部分可能发生偏析的初生相也会因强烈的对流被卷入液芯中[11]，从而减轻成分偏析。

图7 螺旋磁场下合金初生相受力示意图[8,11]

3. 结论

(1)本实验条件下，磁场的施加并未显著影响Al-7%Si合金凝固过程的导热条件，只是在保温至凝固开始的过程中均匀了熔体轴向上的温度分布，缩短了此过程的时间，但并未显著影响合金的凝固时间，并且磁场也未对熔体内温度梯度产生显著影响。

(2)螺旋磁场的施加可以显著促进Al-7%Si合金凝固过程中柱状晶向等轴晶转变，基本消除了粗大的柱状晶组织，模式螺旋磁场的施加显著改善了合金凝固的组织结构，形成了较为细密的等轴晶，并且扩大了等轴晶组织的范围。但单向螺旋磁场并未能完全消除铸锭的宏观缺陷，反而由于强迫对流效应增强使得通道偏析更为严重，而模式螺旋磁场较单向螺旋磁场在扩大等轴晶区域和细化晶粒方面的作用更为显著。

(3)模式螺旋磁场较单向螺旋磁场具有显著改善铸锭凝固后径向上浓度差异的效果，从本研究中Al-7%Si合金铸锭截面上的溶质浓度分布情况，模式螺旋磁场较单向螺旋磁场更有利于减轻铸锭整体的偏析问题。

(4)模式磁场具有改善通道偏析发生的作用，能够更好地减轻宏观偏析程度。只有控制合理的模式参数，使得磁场强度、模式频率等参数与熔体流动特征、金属凝固速度匹配，才能有效抑制通道偏析的产生。这些参数之间的具体匹配关系还尚待进一步的研究。