温度对铝合金电磁铸造组织及成分的影响

刘书涛，王振哲

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

一般来说，在制备金属材料时，金属都要经历一个凝固过程。金属的凝固组织就是金属在凝固以后的一种存在状态，对金属的力学性能、物理性能和加工性能都具有很大的影响。人们总是希望获得均匀、细小、致密的等轴晶组织，而对于大多数合金材料来说，在凝固的过程中，都容易生成粗大的枝晶组织，导致合金元素偏析和缩孔缩松现象的产生，这些都会严重影响合金材料的性能[1-2]。因此，获得组织细密且性能良好铸件的一个重要方法，就是控制铸锭的凝固成型过程[3-4]。目前，工业上用于控制铸锭凝固过程的方法主要有三大类：第一类是加快冷却速度，获得细晶组织；第二类是运用化学方法，如添加形核剂等；第三类是运用物理法，通过机械搅拌、超声振荡或者电磁场等，促使合金熔体中产生强制对流，抑制枝晶组织的生长，获得细小均匀的等轴晶组织。在合金凝固的过程中施加行波磁场，行波磁场产生的搅拌流场是行波磁场控制和改善合金凝固过程的关键所在，搅拌流场的强度会直接影响铸锭的凝固组织和合金元素的分布状况。影响搅拌流场强度的因素主要有两个，一个是行波磁场的磁场强度（即电磁力的大小频率），另一个是熔体的黏度（即黏滞力的大小）。合金熔体黏度的大小取决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，合金熔体的初始熔融温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，进而影响行波磁场对于铸锭凝固组织和合金元素偏析的改善效果。

1 实验方法

本实验探讨的是合金溶液的温度对于电磁铸造铸锭的影响，温度指的是合金溶液放入磁场装置中进行磁场处理之前的液态温度。以铜质量分数为5%的铝合金作为实验材料，铜质量分数为5%的铝合金是一种固溶型合金。实验中采用的磁场为行波磁场，磁场的参数为电流160 A、频率为20 Hz。采用坩埚底部通水的冷却方式，水位为10 mm，水流量为20 L/h。实验分别探讨了合金溶液温度在670、700和750 ℃条件下，行波磁场对于铸锭宏观组织均匀性、微观晶粒组织细化、合金元素宏观偏析和缩孔缩松现象的影响。实验使用锦州三特公司生产的ZGLJ-0.01型真空感应熔炼炉，主要用于配备质量分数为5%的铝合金，制备直径为60 mm、高为100 mm的铝合金铸锭。真空感应熔炼炉如图1所示。

图1 真空感应熔炼炉

2 结果与讨论

2.1 温度对于铝铜合金铸锭宏观组织的影响

不同温度下的铝铜合金铸锭宏观组织如图2所示。图2（a）（b）（c）分别是在温度为670、700和750 ℃条件下，施加行波磁场得到的铸锭宏观组织图。

由图2可知，在670 ℃条件下，铸锭的宏观组织由枝晶和等轴晶混合而成，铸锭的底部和边部依然是发达的枝晶组织，枝晶的面积和尺寸较之未加磁场条件下，显著缩小，靠近铸锭中部的则为均匀的等轴晶组织，说明在670 ℃条件下，行波磁场对铸锭的宏观组织有改善作用。对比图2（a）和（b）可知，在700 ℃条件下，行波磁场处理后铸锭的宏观组织，明显好于670 ℃条件下的宏观组织，具体表现为：组织更加细小均匀，等轴区的面积显著增加。仔细观察图2（c）可知，在750 ℃下，宏观组织主要为粗大的等轴晶组织，在铸锭的边部和底部，则存在极少量的粗大枝晶组织。对比图2（b）和（c）发现，700 ℃条件下，行波磁场处理后的铸锭组织要明显细于750 ℃条件下的晶粒组织，等轴区的面积则没有显著变化。对比图2（a）（b）和（c）可知，在合金熔体初始温度为700 ℃时，行波磁场对于铸锭宏观组织的改善具有最佳效果。

图2 温度对于铝铜合金铸锭宏观组织的影响

2.2 温度对于铝铜合金溶质元素偏析的影响

不同温度下Cu元素的质量分数分布如图3所示。在670 ℃条件下，沿着铸锭轴向自下而上，Cu元素的质量分数依次增加，与无磁场条件下的元素变化规律相同。Cu元素的质量分数在轴向上的最大差值为0.73，略小于不加磁场时的1.03，这说明在670 ℃下，行波磁场对于合金元素在轴向上的偏析有一定的改善作用，但是效果不佳。当温度为700 ℃时，合金元素在轴向上的分布呈现先减少后增加的变化趋势，合金元素质量分数的最大偏差发生在铸锭中部和上部之间，最大偏差为0.56；当偏析程度高于不加磁场时，合金元素在铸锭中部和上部之间的偏析程度、铸锭下部和中部之间的偏析程度则低于不加磁场时的偏析程度。当温度为750 ℃时，沿着铸锭轴向自下而上，Cu元素的质量分数依次增加，在轴向上的最大偏差为0.22，显著小于不加磁场时的1.03，这说明在750 ℃下，行波磁场对于合金元素在轴向上的偏析有显著的改善作用。对比不同温度下的实验数据发现，当温度为750 ℃时，合金元素在轴向上的偏析度最小，且显著小于其他条件下合金元素在轴向上的偏析度，这说明当温度为750 ℃时，行波磁场对于合金元素的宏观偏析具有最佳效果。

在700 ℃水冷条件下，在行波磁场产生的搅拌流场的搅拌作用下，铸锭底部和边部先形成的枝晶组织被卷入熔体内部，此时，铸锭内部的温度不足以完全熔化卷入的碎枝晶组织，增加了铸锭内部的形核核心。铸锭内部的温度场被均匀化，实现了整个铸锭内部的均匀形核，进一步增加了形核核心，进而获得等轴晶组织。同时在水冷条件下，保证了铸锭的凝固速度，形成的形核核心能够以较快的速度生长，进而获得细小均匀的等轴晶组织。因此，从实验结果可以发现，在700 ℃水冷条件下得到的晶粒组织为细小均匀的等轴晶粒组织。在合金的电磁铸造过程中，只有在合适的初始熔体温度条件下，才能最大限度地发挥磁场的细晶效果。

图3 不同温度下Cu元素的质量分数分布

3 结语

探讨了初始熔体温度变化对于铸锭凝固组织及成分偏析的影响规律，对实验结果进行了分析讨论，得到了以下结论：初始温度会直接影响铸锭凝固组织和合金元素偏析的改善效果，实验表明，在700 ℃水冷条件下获得的铸锭最佳。