电磁铸造冷却速度对铸锭质量的作用规律

王振哲，刘书涛

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

在电磁模铸过程中，冷却速度会直接影响合金熔体中的温度场分布和磁场的作用时间，同时，对铸锭的表面质量和缩孔缩松现象有严重影响。不同的冷却速度会影响磁场的作用效果，因此，探讨冷却条件对于电磁模铸工艺的影响是很有必要的[1]。据相关文献可知[2-3]，在合金凝固的过程中施加行波磁场，熔体的黏度随固相率的增加而增加，特别是当固相率超过某一临界值时，熔体的黏度开始迅速增加。凝固过程中，熔体的固相率由液固两相体的温度决定，可以通过Scheil方程，将温度换算成固相率的函数。在熔体凝固过程中，冷却速度随着熔体温度降低，这种关系函数随之发生改变。在凝固过程中，随着温度的降低，熔体的固相率不断增加，当固相率达到0.4时，熔体的黏度将急剧增加，下式为黏度fs和固相率之间的关系：ηa=Aexp（Bfs）η，式中：A，B均为系数。

合金熔体黏度的大小决定于熔体中固相率的大小，而合金熔体固相率的大小又与熔体内部的温度息息相关。由此可知，在凝固过程中，合金熔体的冷却速度会严重影响行波磁场对于铸锭凝固过程的控制和改善作用，进一步影响行波磁场对于产品质量的改善效果。因此，探讨冷却条件对于电磁模铸工艺的影响是很有必要的。

1 实验方法

本实验选用的铝锭为Al-5%Cu合金，该合金是一种固溶型合金，常温下，由α相和析出的CuAl2共同组成。实验分别研究了空冷条件下（0.28 K/s）、水冷条件下（0.47 K/s）以及快速冷却条件下（0.78 K/s）磁场对于铸锭质量的影响。试样宏观组织图片如图1所示。本实验微观组织的观察方法如下：将图1的宏观组织的试样切成如图1方框所示的上、中、下3块区域。将这3块小样经过400#、800#、1200#、1500#、2000#、2500#和3000#砂纸水磨，然后用1 μm的抛光剂在MP-2C金相试样磨抛机上抛光，用酒精清洗干净后，先用稀盐酸（1%HCl溶液）简单擦拭试样表面，去除试样表面氧化膜，再采用科尔试剂，对试样表面进行腐蚀，腐蚀时间为5～10 s，腐蚀完毕后，迅速用酒精清洗并吹干。最后，采用金相显微镜（Olympus GX5）对试样进行拍照分析。实验中，对微观组织的晶粒尺寸分布进行了一个大致的统计分析，采用金相图片，大概位于图1中白色方框区域。实验中，采用Photoshop配合统计软件Image-Pro-Plus和Nano Measurer统计晶粒尺寸的分布，最终用Origin制作分布柱状图。

图1 试样宏观组织

2 结果与讨论

不同冷却速度下的铸锭组织和晶粒尺寸分布如图2所示。由图2可知，微观组织的图片由9张图片拼凑而成，图片对应的位置区域位于图1中白色方框所对应的区域，为统计晶粒尺寸分布，所选取的金相照片也来自图1中白色方框所对应的区域。在晶粒尺寸的微观分布图中，横坐标对应的是晶粒的尺寸范围，纵坐标对应的是不同尺寸范围下晶粒的的数量占总的晶粒数量的百分数。

由图2（a）可知，在无磁场水冷条件下，合金铸锭不同部位的微观组织均为发达的柱状晶或枝晶组织，上部和下部枝晶的生长存在一定的方向性，而处于心部的枝晶组织的生长表现为各向同性。晶粒尺寸的变化范围较大，晶粒尺寸主要介于400.00～1 200.00 μm，平均尺寸为882.27 μm。从图2（b）可以看出，在行波磁场空冷条件下，微观晶粒组织由发达的枝晶组织转变成不规则的棒状、花瓣状的晶粒组织，处于铸锭不同位置的晶粒形状和尺寸存在一定程度的偏差，微观晶粒组织的分布并不均匀，晶粒的尺寸较之图2（a）有显著降低，晶粒尺寸主要介于200.00～600.00 μm，平均尺寸为385.14 μm，可见，行波磁场具有显著细化晶粒的作用。从图2（c）可以看出，在行波磁场水冷条件下，晶粒的形状多为不规则的圆形，处于铸锭不同位置的晶粒形状和尺寸基本一致，晶粒尺寸主要介于150.00～400.00 μm，平均尺寸为251.67 μm，与图2（b）对比，微观组织的晶粒尺寸变得更加细小，分布也更加均匀，晶粒的形状也更加规则等轴化。从图2（d）可以看出，在行波磁场快冷条件下，处于铸锭底部的微观组织晶粒为细小发达的枝晶组织，而处于铸锭中部和上部的微观组织晶粒，则由相对粗大的枝晶组织和一些细小的类等轴晶组织组成，微观组织的晶粒分布并不均匀，晶粒尺寸主要介于200.00～700.00 μm，平均尺寸为520.04 μm。对比图2（c）可以看出，在过快的冷却条件下，晶粒的平均尺寸反而显著变大，组织也变成了发达的枝晶组织，可见，过快的冷却条件严重削弱了行波磁场细化晶粒组织，促使晶粒组织CET转变效果。

3 结语

图2 不同冷却速度下铝铜合金铸锭微观组织和晶粒尺寸分布

以铝铜合金作为实验材料，开展了电磁模铸的应用研究，研究了不同冷却速度对于铸锭质量的影响规律。在行波磁场水冷0.47 K/s条件下，晶粒尺寸主要介于150.00～400.00 μm，平均尺寸为251.67 μm，结果表明：微观组织的晶粒尺寸变得更加细小，分布也更加均匀，晶粒也趋近于等轴化，进而提高铸锭的整体铸造质量。