冶金業(yè)電磁凝固研究
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1引言
在材料科學(xué)領(lǐng)域里，控制材料的凝固過(guò)程是提高傳統(tǒng)工程材料和鑄件性能以及開(kāi)發(fā)新材料的重要途徑。近幾十年來(lái)，人們?cè)诶酶鞣N手段控制凝固過(guò)程的研究和生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，綜合利用電磁場(chǎng)的多種功能對(duì)金屬的凝固過(guò)程進(jìn)行控制有著明顯的優(yōu)越性。電磁場(chǎng)下的凝固技術(shù)是指在液態(tài)合金凝固過(guò)程中施加以電磁場(chǎng)來(lái)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(xué)研究中有其自身獨(dú)特的特點(diǎn)，如：細(xì)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(wú)污染、無(wú)接觸、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便等其它細(xì)化方法不可代替的優(yōu)點(diǎn)，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(shí)際生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。如何能進(jìn)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(wèn)題。
2材料電磁凝固過(guò)程技術(shù)簡(jiǎn)介
電磁場(chǎng)在冶金生產(chǎn)過(guò)程中的作用，實(shí)質(zhì)上是通過(guò)電磁場(chǎng)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(dá)到預(yù)期目的。目前，把這種研究電磁場(chǎng)與流動(dòng)之間相互關(guān)系的科學(xué)，稱(chēng)為電磁流體力學(xué)。材料電磁過(guò)程是指將磁流體力學(xué)與材料加工技術(shù)結(jié)合起來(lái)，將電磁場(chǎng)應(yīng)用于材料制造和加工過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料工藝過(guò)程的控制及材料組織和性能的改善。
2.1材料電磁凝固過(guò)程技術(shù)使用的電磁場(chǎng)
材料電磁過(guò)程技術(shù)使用的電磁場(chǎng)主要有以下幾種：①由傳統(tǒng)線圈產(chǎn)生的普通強(qiáng)度的直流磁場(chǎng)。主要用于控制液體金屬的流動(dòng)：例如，作為電磁制動(dòng)抑制連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動(dòng)，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(qiáng)度的直流磁場(chǎng)。主要用于控制液體金屬的流動(dòng)；控制液體金屬的形核、生長(zhǎng)等凝固過(guò)程，開(kāi)發(fā)新材料。③頻率從幾赫茲到數(shù)十赫茲的交流磁場(chǎng)。交流磁場(chǎng)是材料加工過(guò)程中應(yīng)用最廣泛的一種磁場(chǎng)，可以通過(guò)磁場(chǎng)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^(guò)程，是控制液體金屬傳輸?shù)挠辛κ侄巍＂芷渌厥獯艌?chǎng)。例如，移動(dòng)磁場(chǎng)、脈沖磁場(chǎng)、變幅磁場(chǎng)等。主要用于高效、節(jié)能等新技術(shù)工藝的開(kāi)發(fā)。上述各種磁場(chǎng)不僅可以單獨(dú)使用，還可以幾種磁場(chǎng)或磁場(chǎng)和電場(chǎng)共同使用于某一材料加工過(guò)程。
2.2電磁場(chǎng)對(duì)凝固組織的影響
電磁場(chǎng)主要是通過(guò)電磁力對(duì)熔融金屬液起抑制或攪拌作用。不同的電磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁力大小、形狀、方向都不同，對(duì)凝固組織的影響也不同。
2.2.1直流磁場(chǎng)對(duì)凝固組織的形態(tài)的影響
直流磁場(chǎng)產(chǎn)生的直流磁束既可抑制液態(tài)金屬中的自然對(duì)流，也可抑制固液界面處晶核的生長(zhǎng)，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(guó)際上已有人根據(jù)直流磁束抑制鋼液流動(dòng)的作用，應(yīng)用于連鑄澆口處的鋼流，從而開(kāi)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(guó)內(nèi)也有人將直流磁場(chǎng)用于拉制單晶硅的過(guò)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(chǎng)對(duì)凝固組織形態(tài)的影響
交流磁場(chǎng)作用于熔融金屬時(shí)，則產(chǎn)生定時(shí)改變方向和大小的體積力。該力可對(duì)正在凝固中的熔融金屬實(shí)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(kāi)，同時(shí)使結(jié)晶核移動(dòng)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(chǎng)作用相反。諸多交流磁場(chǎng)形式中，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是其中一種較普遍采用的形式。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與液態(tài)金屬相互作用，對(duì)正在結(jié)晶的金屬液產(chǎn)生強(qiáng)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(dòng)對(duì)有色金屬凝固過(guò)程和凝固組織的影響。但60年代初，Langen．berg等人[4]報(bào)道了交流磁場(chǎng)可顯著細(xì)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(duì)定向凝固過(guò)程中采用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來(lái)實(shí)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(duì)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(yàn)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(jìn)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(lái)發(fā)展起來(lái)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(duì)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(duì)于鍛壓件，可以采用電磁技術(shù)控制其成形過(guò)程，并且在鍛件冷卻過(guò)程中能否嘗試采用電磁技術(shù)對(duì)其固態(tài)組織與性能進(jìn)行控制；對(duì)于焊接件焊接時(shí)，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(guò)程中對(duì)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(xué)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(duì)于一些要求有較高性能的機(jī)械構(gòu)件，如最常見(jiàn)的齒輪，軸類(lèi)零件等，其毛坯件往往是選擇鍛件、軋制件或擠壓件，因?yàn)殍T造工藝不能滿足其力學(xué)性能和使用性能的要求。而鍛造生產(chǎn)條件差、勞動(dòng)強(qiáng)度大，對(duì)原材料的利用率較低，且生產(chǎn)周期長(zhǎng)，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(duì)這些常用機(jī)械構(gòu)件的毛坯件改用電磁鑄造的方式來(lái)生產(chǎn)，通過(guò)磁場(chǎng)力來(lái)控制鑄件的凝固過(guò)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(dòng)強(qiáng)度和工作條件，節(jié)省成本，提高原材料的利用率，減少其機(jī)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(xué)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(xué)性能不同。若均采用軋制的方式制作軸類(lèi)圓鋼毛坯件，45鋼的綜合力學(xué)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(lái)制作圓鋼毛坯件，通過(guò)晶粒細(xì)化，獲得中心細(xì)小的等軸晶區(qū)，且可以輔助安排熱處理工序來(lái)共同提高其力學(xué)性能，從而達(dá)到45鋼軋制件的綜合要求。這樣推廣開(kāi)來(lái)，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(guò)熱加工制得的毛坯件應(yīng)用于生產(chǎn)，一般均要對(duì)其進(jìn)行切削加工及熱處理工序。機(jī)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(xué)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(gè)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(shí)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(duì)材料固態(tài)組織的影響，則可討論該技術(shù)對(duì)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(duì)于電磁場(chǎng)在材料凝固過(guò)程中的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外的研究人員已經(jīng)做出了很多工作，取得了很大進(jìn)展，但是對(duì)電磁場(chǎng)處理影響凝固組織的機(jī)理還認(rèn)識(shí)不深，存在很多盲區(qū)。這不僅僅是因?yàn)殡姶艌?chǎng)處理是一門(mén)錯(cuò)綜復(fù)雜的交叉領(lǐng)域，而且還因?yàn)槠溲芯渴侄魏腿藗兯季S的局限性，這些有待于進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)。
4.1從鑄件材料及凝固方法方面考慮
國(guó)內(nèi)外科研人員對(duì)材料電磁過(guò)程技術(shù)的研究，主要集中在鋁合金、低熔點(diǎn)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(duì)欠缺。同時(shí)，對(duì)于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(duì)于一些采用同時(shí)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(chǎng)類(lèi)型及其與電場(chǎng)的交互作用方面
直流磁場(chǎng)及交流磁場(chǎng)對(duì)材料凝固過(guò)程方面的研究相對(duì)比較多，而關(guān)于脈沖磁場(chǎng)對(duì)材料凝固過(guò)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(chǎng)對(duì)LY12鋁合金的凝固組織進(jìn)行了處理，發(fā)現(xiàn)脈沖磁場(chǎng)不僅可以顯著細(xì)化凝固組織，而且其細(xì)化效果要明顯比脈沖電流的細(xì)化效果好。但對(duì)脈沖磁場(chǎng)應(yīng)用方面有關(guān)的新問(wèn)題、新現(xiàn)象認(rèn)識(shí)還不夠多，相信該技術(shù)應(yīng)該有較大的市場(chǎng)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(chǎng)中通一直流電場(chǎng)，其對(duì)材料凝固過(guò)程的影響已得到較深入的研究。尤其是直流磁場(chǎng)與直流電場(chǎng)的交互共同作用于金屬的凝固過(guò)程，使金屬細(xì)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(duì)于交流電場(chǎng)或脈沖電場(chǎng)與交流磁場(chǎng)或脈沖磁場(chǎng)的交互作用的研究還不多，其交互作用效果對(duì)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(yàn)研究來(lái)證明該方法的可行性與實(shí)踐性。
4.3電磁攪拌原理的獲取方式方面
在金屬凝固過(guò)程中，施加交流磁場(chǎng)的作用和目的就是對(duì)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(xué)性能的細(xì)小晶粒組織。Kobayashi[10]等人曾用在直流磁場(chǎng)中低速旋轉(zhuǎn)模具的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)電磁攪拌過(guò)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(duì)于交流磁場(chǎng)獲得的電磁攪拌效果，與在直流磁場(chǎng)作用下通過(guò)旋轉(zhuǎn)模具的方式獲得的電磁攪拌效果，兩者對(duì)于凝固組織及機(jī)理的影響有什么不同，這方面的研究還不明確，還有待于進(jìn)一步的研究與證實(shí)。
4.4材料電磁鑄造時(shí)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(yàn)研究及總結(jié)，主要包含以下兩個(gè)方面的內(nèi)容：其一，對(duì)于相同的合金成分，在不同的澆注溫度、電磁場(chǎng)強(qiáng)度及鑄型溫度下，其凝固后的微觀組織和力學(xué)性能會(huì)有何不同；其二，對(duì)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(chǎng)強(qiáng)度及鑄型溫度下，其凝固后的微觀組織和力學(xué)性能有何不同。綜合各方面的試驗(yàn)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(qiáng)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(yǔ)
經(jīng)過(guò)幾十年國(guó)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(jìn)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(yàn)研究與證明。同時(shí)，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(chǎng)及不同磁場(chǎng)與電場(chǎng)的交互作用下對(duì)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(duì)材料電磁凝固過(guò)程技術(shù)的研究具有深遠(yuǎn)的意義，其研究成果將為人們進(jìn)一步探索磁場(chǎng)作用下合金中原子和電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律提供新的實(shí)踐依據(jù)和新的線索與思路。從應(yīng)用的角度來(lái)看，可以運(yùn)用這些新發(fā)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)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(chǎng)在材料加工中的應(yīng)用范圍，推動(dòng)冶金行業(yè)的快速發(fā)展。