冶金業(yè)電磁凝固研究

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1引言

在材料科學領(lǐng)域里，控制材料的凝固過程是提高傳統(tǒng)工程材料和鑄件性能以及開發(fā)新材料的重要途徑。近幾十年來，人們在利用各種手段控制凝固過程的研究和生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)，綜合利用電磁場的多種功能對金屬的凝固過程進行控制有著明顯的優(yōu)越性。電磁場下的凝固技術(shù)是指在液態(tài)合金凝固過程中施加以電磁場來控制材料組織和性能的方法。該方法在工業(yè)生產(chǎn)和科學研究中有其自身獨特的特點，如：細化晶粒、改善偏析、獲取單一組織、制備鋼鐵半固態(tài)坯料等，并且該方法具有不改變合金的原有成分、無污染、無接觸、設(shè)備簡單、操作方便等其它細化方法不可代替的優(yōu)點，所以這一技術(shù)一經(jīng)出現(xiàn)就受到了人們的極大關(guān)注，目前已經(jīng)取得了顯著的成果，并已在實際生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。如何能進一步拓展電磁凝固技術(shù)的應(yīng)用空間，讓這一技術(shù)更好的應(yīng)用與于冶金生產(chǎn)及材料的加工方面，仍然是有待探索與解決的問題。

2材料電磁凝固過程技術(shù)簡介

電磁場在冶金生產(chǎn)過程中的作用，實質(zhì)上是通過電磁場與熔融金屬液相互感應(yīng)產(chǎn)生電磁力，作用于金屬流體以達到預(yù)期目的。目前，把這種研究電磁場與流動之間相互關(guān)系的科學，稱為電磁流體力學。材料電磁過程是指將磁流體力學與材料加工技術(shù)結(jié)合起來，將電磁場應(yīng)用于材料制造和加工過程，從而實現(xiàn)對材料工藝過程的控制及材料組織和性能的改善。

2.1材料電磁凝固過程技術(shù)使用的電磁場

材料電磁過程技術(shù)使用的電磁場主要有以下幾種：①由傳統(tǒng)線圈產(chǎn)生的普通強度的直流磁場。主要用于控制液體金屬的流動：例如，作為電磁制動抑制連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動，抑制中間包內(nèi)鋼液的紊流等。②由超導(dǎo)線圈產(chǎn)生的高強度的直流磁場。主要用于控制液體金屬的流動；控制液體金屬的形核、生長等凝固過程，開發(fā)新材料。③頻率從幾赫茲到數(shù)十赫茲的交流磁場。交流磁場是材料加工過程中應(yīng)用最廣泛的一種磁場，可以通過磁場頻率的選擇，將其應(yīng)用于感應(yīng)加熱、電磁攪拌、電磁加壓、電磁傳輸?shù)裙に囘^程，是控制液體金屬傳輸?shù)挠辛κ侄?。④其他特殊磁場。例如，移動磁場、脈沖磁場、變幅磁場等。主要用于高效、節(jié)能等新技術(shù)工藝的開發(fā)。上述各種磁場不僅可以單獨使用，還可以幾種磁場或磁場和電場共同使用于某一材料加工過程。

2.2電磁場對凝固組織的影響

電磁場主要是通過電磁力對熔融金屬液起抑制或攪拌作用。不同的電磁場產(chǎn)生的電磁力大小、形狀、方向都不同，對凝固組織的影響也不同。

2.2.1直流磁場對凝固組織的形態(tài)的影響

直流磁場產(chǎn)生的直流磁束既可抑制液態(tài)金屬中的自然對流，也可抑制固液界面處晶核的生長，從而有利于形成柱狀晶組織，為發(fā)展單晶體提供了有利條件。目前，國際上已有人根據(jù)直流磁束抑制鋼液流動的作用，應(yīng)用于連鑄澆口處的鋼流，從而開發(fā)了一種能止噴出流的電閘，防止和降低連鑄件內(nèi)非金屬夾雜物的聚集帶[1]。國內(nèi)也有人將直流磁場用于拉制單晶硅的過程及金屬成形的控制等方面，尤其是西北工大在這方面做了大量的工作[2][3]。

2.2.2交流磁場對凝固組織形態(tài)的影響

交流磁場作用于熔融金屬時，則產(chǎn)生定時改變方向和大小的體積力。該力可對正在凝固中的熔融金屬實施攪拌，使凝固界面產(chǎn)生結(jié)晶的熔解、枝晶的折斷與脫開，同時使結(jié)晶核移動呈活潑狀態(tài)，并促使結(jié)晶組織等軸晶化。其作用正好與直流磁場作用相反。諸多交流磁場形式中，旋轉(zhuǎn)磁場是其中一種較普遍采用的形式。旋轉(zhuǎn)磁場與液態(tài)金屬相互作用，對正在結(jié)晶的金屬液產(chǎn)生強烈的攪拌作用，使金屬液處于不同于重力狀態(tài)下的結(jié)晶狀態(tài)，凝固模式發(fā)生變化，成為一種不平衡結(jié)晶。電磁攪拌最早用于考察液態(tài)金屬流動對有色金屬凝固過程和凝固組織的影響。但60年代初，Langen．berg等人[4]報道了交流磁場可顯著細化鋼錠的凝固晶粒以后，該技術(shù)才得到了蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用。電磁攪拌還可改善鑄件的冶金質(zhì)量，消除宏觀偏析[5]。大部分的研究工作，都是對定向凝固過程中采用旋轉(zhuǎn)磁場來實現(xiàn)電磁攪拌的。

3電磁凝固技術(shù)在冶金生產(chǎn)中的應(yīng)用探索

對于材料電磁凝固技術(shù)的研究的主要目的在于應(yīng)用。拓展其在冶金及材料加工方面的應(yīng)用，讓電磁凝固技術(shù)更好、更有效地應(yīng)用于生產(chǎn)，還需要不斷地探索與大量的試驗研究。

3.1拓寬電磁凝固技術(shù)的應(yīng)用范圍

目前，材料電磁凝固技術(shù)主要應(yīng)用于砂型鑄造方面，進行材料組織與性能的改變。在特種鑄造方面，電磁離心鑄造是近年來發(fā)展起來的一種新穎的凝固技術(shù)，該技術(shù)可以改善耐熱鋼的宏觀凝固組織，從而可應(yīng)用其制造梯度復(fù)合材料[6]。特種鑄造包含有離心鑄造，金屬型鑄造、壓力鑄造、低壓鑄造及熔模鑄造等多種鑄造方式，能否將電磁技術(shù)應(yīng)用于這些特種鑄造生產(chǎn)，以改善鑄件的凝固組織與結(jié)構(gòu)，制造出符合要求的相關(guān)設(shè)備，值得我們探索與思考。其次，對于材料的熱加工方法除包含鑄造加工外，還包括鍛壓生產(chǎn)及焊接生產(chǎn)。對于鍛壓件，可以采用電磁技術(shù)控制其成形過程，并且在鍛件冷卻過程中能否嘗試采用電磁技術(shù)對其固態(tài)組織與性能進行控制；對于焊接件焊接時，由于焊縫金屬凝固較快，焊縫的質(zhì)量難于控制，容易產(chǎn)生應(yīng)力及變形等缺陷，那么，能否嘗試在焊接過程中對焊縫金屬施以電磁凝固技術(shù)，控制其凝固速度，讓焊縫化學成分趨于均勻，從而改善并提高焊縫的質(zhì)量，也值得我們?nèi)パ芯考翱甲C。

3.2毛坯件的生產(chǎn)方面

對于一些要求有較高性能的機械構(gòu)件，如最常見的齒輪，軸類零件等，其毛坯件往往是選擇鍛件、軋制件或擠壓件，因為鑄造工藝不能滿足其力學性能和使用性能的要求。而鍛造生產(chǎn)條件差、勞動強度大，對原材料的利用率較低，且生產(chǎn)周期長，鍛模的制造成本高，鍛件的切削加工性差；軋制件和擠壓件的表面質(zhì)量又難于控制，表面精度低，易產(chǎn)生裂紋等缺陷。若能對這些常用機械構(gòu)件的毛坯件改用電磁鑄造的方式來生產(chǎn)，通過磁場力來控制鑄件的凝固過程，獲得我們所需要的微觀組織與性能，這樣，與鍛造生產(chǎn)相比，可以改善鍛造工人的勞動強度和工作條件，節(jié)省成本，提高原材料的利用率，減少其機械切削加工前的熱處理工序，提高生產(chǎn)率；與軋制與擠壓工序相比，電磁鑄造可以控制零件的表面質(zhì)量，減少表面缺陷，提高力學性能。

3.3毛坯件的選材方面

不同材料的毛坯件，其本身的性能不同。如20鋼和45鋼，都屬于優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，但是由于含碳量不同，導(dǎo)致其力學性能不同。若均采用軋制的方式制作軸類圓鋼毛坯件，45鋼的綜合力學性能要高于20鋼。若將20鋼材料以電磁鑄造的方式凝固成形來制作圓鋼毛坯件，通過晶粒細化，獲得中心細小的等軸晶區(qū)，且可以輔助安排熱處理工序來共同提高其力學性能，從而達到45鋼軋制件的綜合要求。這樣推廣開來，不僅可大大節(jié)省原材料的成本，而且可改善不同材料的制造及應(yīng)用范圍，拓展材料的利用率。

3.4零件的加工方面

要將經(jīng)過熱加工制得的毛坯件應(yīng)用于生產(chǎn)，一般均要對其進行切削加工及熱處理工序。機械切削加工的主要目的是提高零件的尺寸精度與形位精度，獲得符合裝配及使用性能要求的零部件。熱處理工序是穿插在切削加工工序中，目的是改變零件的力學性能，以滿足其加工或使用的需要。任何一種熱處理方式均包含加熱、保溫及冷卻三個步驟，不同的金屬材料在不同的熱處理方式下，其加熱溫度、保溫時間及冷卻速度均不相同。若在金屬材料熱處理工藝中采用電磁技術(shù)，觀察其對材料固態(tài)組織的影響，則可討論該技術(shù)對材料熱處理領(lǐng)域的影響程度與可行性。

4材料電磁凝固技術(shù)研究方向的探索

對于電磁場在材料凝固過程中的應(yīng)用，國內(nèi)外的研究人員已經(jīng)做出了很多工作，取得了很大進展，但是對電磁場處理影響凝固組織的機理還認識不深，存在很多盲區(qū)。這不僅僅是因為電磁場處理是一門錯綜復(fù)雜的交叉領(lǐng)域，而且還因為其研究手段和人們思維的局限性，這些有待于進一步研究和開發(fā)。

4.1從鑄件材料及凝固方法方面考慮

國內(nèi)外科研人員對材料電磁過程技術(shù)的研究，主要集中在鋁合金、低熔點的Pb-Sn合金、Fe-C合金及一些復(fù)合材料等方面，在其他一些合金材料的研究還相對欠缺。同時，對于旋轉(zhuǎn)磁場電磁攪拌功能的研究，大部分都集中在鋼錠的定向凝固中，對于一些采用同時凝固方法獲得的中小型薄壁鑄件，電磁凝固技術(shù)在這方面的研究和應(yīng)用還有待深入與提高。

4.2磁場類型及其與電場的交互作用方面

直流磁場及交流磁場對材料凝固過程方面的研究相對比較多，而關(guān)于脈沖磁場對材料凝固過程及其凝固組織影響方面的研究工作還有待深入。訾炳濤等人[7]曾采用脈沖磁場對LY12鋁合金的凝固組織進行了處理，發(fā)現(xiàn)脈沖磁場不僅可以顯著細化凝固組織，而且其細化效果要明顯比脈沖電流的細化效果好。但對脈沖磁場應(yīng)用方面有關(guān)的新問題、新現(xiàn)象認識還不夠多，相信該技術(shù)應(yīng)該有較大的市場前景，可能用于大塊非晶和大塊金屬納米晶材料的制備[8]。在磁場中通一直流電場，其對材料凝固過程的影響已得到較深入的研究。尤其是直流磁場與直流電場的交互共同作用于金屬的凝固過程，使金屬細化效果更為顯著[9]，并且已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)。但是對于交流電場或脈沖電場與交流磁場或脈沖磁場的交互作用的研究還不多，其交互作用效果對材料凝固組織的影響結(jié)果還不明確，這還需要大量的試驗研究來證明該方法的可行性與實踐性。

4.3電磁攪拌原理的獲取方式方面

在金屬凝固過程中，施加交流磁場的作用和目的就是對液相產(chǎn)生電磁攪拌，使金屬液處于不同于重力狀態(tài)下的結(jié)晶狀態(tài)，凝固模式發(fā)生變化，成為一種不平衡結(jié)晶，從而得到具有優(yōu)良力學性能的細小晶粒組織。Kobayashi[10]等人曾用在直流磁場中低速旋轉(zhuǎn)模具的辦法來實現(xiàn)電磁攪拌過程，并在不銹鋼的凝固組織中產(chǎn)生不同比例的等軸晶粒區(qū)。那么，對于交流磁場獲得的電磁攪拌效果，與在直流磁場作用下通過旋轉(zhuǎn)模具的方式獲得的電磁攪拌效果，兩者對于凝固組織及機理的影響有什么不同，這方面的研究還不明確，還有待于進一步的研究與證實。

4.4材料電磁鑄造時不同的應(yīng)用參數(shù)方面

為了將材料電磁凝固技術(shù)更好地應(yīng)用于鑄造生產(chǎn)，得出某種合金電磁鑄造的最佳方案，這還需要大量的試驗研究及總結(jié)，主要包含以下兩個方面的內(nèi)容：其一，對于相同的合金成分，在不同的澆注溫度、電磁場強度及鑄型溫度下，其凝固后的微觀組織和力學性能會有何不同；其二，對于不同的合金成分，或是改變同一種合金中合金元素的含量，在相同的澆注溫度、電磁場強度及鑄型溫度下，其凝固后的微觀組織和力學性能有何不同。綜合各方面的試驗數(shù)據(jù)與結(jié)果，從而得出某種合金最佳的電磁凝固方案，包括其合金元素含量的多少、澆注溫度的范圍、電磁強度的大小及鑄型預(yù)熱溫度的取值，以便于更有效地指導(dǎo)及應(yīng)用于生產(chǎn)。

5結(jié)束語

經(jīng)過幾十年國內(nèi)外研究人員的不懈努力，材料電磁凝固技術(shù)已經(jīng)取得了很大的進展，并且在冶金生產(chǎn)中已得到了廣泛地應(yīng)用。但是，能否拓展材料電磁凝固技術(shù)在冶金工業(yè)與材料成形加工方面的應(yīng)用，讓其應(yīng)用于鍛壓生產(chǎn)、焊接生產(chǎn)及材料的熱處理加工工序，這種設(shè)想的可執(zhí)行性和可操作性還需要大量的試驗研究與證明。同時，我們還要拓寬材料電磁凝固技術(shù)的研究方向，讓更多的材料能應(yīng)用于電磁凝固生產(chǎn)，并且應(yīng)加大力度研究脈沖磁場及不同磁場與電場的交互作用下對材料凝固組織及性能的影響，從而讓這一技術(shù)更加完善，以便于形成一套有效的理論體系去更好地指導(dǎo)生產(chǎn)。對材料電磁凝固過程技術(shù)的研究具有深遠的意義，其研究成果將為人們進一步探索磁場作用下合金中原子和電子運動規(guī)律提供新的實踐依據(jù)和新的線索與思路。從應(yīng)用的角度來看，可以運用這些新發(fā)現(xiàn)的實驗結(jié)果，指導(dǎo)人們有效地控制合金的原子結(jié)構(gòu)和微組織結(jié)構(gòu)，為有效改變合金的性能提供新的技術(shù)手段，拓寬電磁場在材料加工中的應(yīng)用范圍，推動冶金行業(yè)的快速發(fā)展。