文章编号：1004-0609(2007)06-0922-05

旋转电磁场对BFe10-1-1合金管坯组织及

力学性能的影响

李新涛^{1, 2}，赵祥伟¹，魏  笔¹，陈凤宝¹，阎志明²，李廷举²

(1. 高新张铜股份有限公司，张家港 215600；

2. 大连理工大学 材料科学与工程学院，大连 116024)

摘  要：研究旋转电磁场对水平连铸空心BFe10?1?1合金管坯凝固组织和力学性能的影响，并对其机理进行初步的探讨。结果表明：在工频旋转电磁场的搅拌作用下，BFe10?1?1合金管坯的凝固组织显著细化，由粗大的柱状晶完全转化为均匀细小的等轴晶，同时抑制了Ni元素的枝晶偏析；施加电磁场后管坯的力学性能得到明显改善，当励磁电流为80 A时，管坯抗拉强度提高了15.3%，屈服强度提高了10.9%，伸长率提高了58.6%。

关键词：BFe10?1?1合金；空心管坯；旋转电磁场；水平连铸

中图分类号：TG 249.7　　     文献标识码：A

Effect of rotating electromagnetic field on solidification structures and mechanical properties of tube billets of BFe10?1?1 alloy

LI Xin-tao^{1, 2}, ZHAO Xiang-wei¹, WEI Bi¹, CHEN Feng-bao¹, YAN Zhi-ming², LI Ting-ju²

(1. Gaoxin Zhangtong Co. LTD., Zhangjiagang 215600, China;

2. School of Materials Science and Engineering,

Dalian University of Science and Technology, Dalian 116024, China)

Abstract: The effects of rotating electromagnetic field on the solidification structure and mechanical properties of horizontal continuously cast tube billets of BFe10?1?1 alloy were investigated and theoretically interpreted. The results indicate that the conventional coarse columnar grains change to fine equiaxed ones with the application of commercial frequency electromagnetic field during horizontal continuous casting. Meanwhile, the segregation of Ni element is suppressed and distributes more uniformly over the cross section. After the electromagnetic treatment, the tensile strength of the billets are all improved, and when the input current is 80 A, the increase of tensile strength, elongation and hardness are 15.3%, 10.9% and 58.6%, respectively.

Key words: BFe10-1-1alloy; tube billet; rotating-electromagnetic field; horizontal continuous casting

白铜是以Ni为主要元素的铜基合金，具有良好的导热性能和耐冲击腐蚀性能，因此作为冷凝管被广泛地应用于船舶、电站和海水淡化等行业^[1?3]。目前白铜管的生产普遍采用半连续铸造实心锭，经挤压穿孔、刨皮、拉拔、酸洗等25道复杂的工序。由于白铜合金强度高，变形抗力大，增加了挤压难度，导致生产效率和成品率都很低^[4]。与传统生产方式相比，水平连铸技术在提高金属利用率、简化工序、降低能耗等方面都具有不可比拟的优势，更能适应现代生产短流程、近终形以及节约能源的要求。因此，利用水平连铸制备空心管坯的技术日益受到研究者和生产企业的关 注^[5?8]。在我国目前空心白铜管坯水平连铸的研究尚处于起步阶段。BFe10?1?1是常用的白铜合金牌号之一，文献[9]对其水平连铸工艺进行了初步的研究。但是采用该工艺制备的空心管坯存在晶粒粗大、分布不均的缺陷，为后续轧制工序带来不利影响，因此如何提高空心BFe10?1?1管坯的质量还需进一步研究。

磁流体力学(MHD)是研究导电流体在电磁场作用下运动规律的一门学科,近年来在冶金工业中得到了广泛的应用^[10?16]。随着MHD的发展，电磁场逐渐被应用于空心管坯水平连铸过程中。例如，Rodrigues^[6]在d 30 mm×6 mm空心铜管坯水平连铸过程中施加工频交变电磁场，使管坯的凝固组织得到了细化；李丘林等^[17]研究了中频电磁场对空心铜管坯表面质量及凝固组织的影响。但是在白铜管坯连铸过程中施加电磁场的研究尚未见报道。为探讨BFe10?1?1合金管坯电磁连铸工艺，本文作者研究旋转电磁场(REF)对水平连铸空心BFe10?1?1合金管坯凝固组织及力学性能的影响，并对其作用机理进行初步探讨。

1  实验

BFe10?1?1合金的实际成分为(质量分数)：Ni 10.0%，Fe 1.0%，Mn 1.0%，余量为Cu。图1所示为主要实验装置的示意图。结晶器由石墨模具和水冷铜套组成，石墨模具壁厚16 mm，型腔高度为20 mm，长度为385 mm，石墨芯子锥度为1?。旋转磁场由置于石墨模具外侧的三相三极对感应线圈产生。用转子流量计控制结晶器冷却强度。实验时，合金经中频熔化炉熔化后在保温炉内保温。达到浇注温度时启动拉坯机，金属液经进液口进入石墨模具，在水冷铜套作用下凝固成型，管坯出结晶器后直接喷水冷却。主要铸造工艺参数如表1所列。

图1  空心管坯水平电磁连铸装置示意图

Fig.1  Schematic views of experimental apparatus and side view showing three-phase coil: 1—Graphite core; 2—Inlet; 3—Mold; 4—Coil; 5—Copper out-jacket; 6—Cooling water; 7—Drawing machine; 8—Tube billet

表1  实验条件

Table 1  Experimental conditions

在管坯水平电磁连铸时,电磁场要对熔体发生作用，必须克服石墨模具壁和凝固前沿初始坯壳对电磁场的屏蔽。在本实验中电磁场的激发源是以一定频率做正弦振荡的时谐电磁波，其在介质中传播时磁感应强度B衰减规律如式1所示。

依据式(1)分别对不同频率的电磁场在石墨-坯壳系统中的衰减情况进行了计算。表2所列为计算时采用的材料物性参数值。结果见图2。

表2  相关材料物性参数

Table 2  Physical properties of materials

图2  不同频率电磁场在石墨?坯壳中的衰减曲线

Fig.2  Attenuation curves of electromagnetic field with different frequency in graphite mold and initial shell

由图2可以看出，如果施加50 Hz的工频电磁场，虽然石墨模具壁对磁场有屏蔽作用，但仍然有相当一部分磁场作用在金属熔体上，在管坯内壁处磁感应强度还剩余63.3%；如果是中频电磁场，即使当频率为1 000 Hz的电磁场渗透到管坯内8 mm处时磁感应强度为表面处的37.6%，在管坯内壁处磁感应强度仅剩余12.9%。因此，为尽可能增强电磁场对管坯凝固前沿金属液的作用，电磁场的频率选择50 Hz。

2  结果与讨论

铸造过程结束后，分别从未施加及施加了电磁场的管坯上取试样，经切割、磨光、腐蚀后得到管坯的凝固组织。水平连铸时熔体热量主要由结晶器壁沿径向导出。未施加电磁场时，熔体内部只存在自然对流，径向上存在很大的温度梯度，因此除了管坯外侧由于激冷作用产生少量的等轴晶外，整个横截面上基本都是粗大的柱状晶，而且分布不均匀，如图3所示。

图3  未施加电磁场时管坯宏观组织

Fig.3  Macrostructure of tube billets without application of REF

施加电磁场后，根据电磁感应定律，有：

在连铸过程中，金属液切割磁力线，产生感应电流，有：

感应电流与交变电磁场相互作用，产生Lorentz力：

在Lorentz力作用下，金属熔体在周向上进行强迫对流，其方向与磁场旋转方向相同。这种强迫对流一方面减小了熔体径向温度梯度，抑制粗大柱状晶的形成；另一方面有利于打碎枝晶，导致晶核数量的倍增，最终凝固区间因大量悬浮晶核的存在，从而形成了均匀细小的等轴晶，如图4所示。

图4  施加电磁场时管坯宏观组织

Fig.4  Macrostructure of tube billets with application of

REF (I=80 A)

Ni元素在白铜合金中主要起到固溶强化、提高合金耐蚀性的作用。采用电子探针考察了电磁场对Ni元素分布的影响，结果见图5。Cu与Ni在元素周期表中位置相近，原子半径差很小，且同为面心立方结构，故能彼此无限互溶,形成α固溶体。但由于Ni在Cu中的扩散速度很慢，因此BFe10?1?1合金凝固组织呈现典型的树枝状偏析，如图5(a)所示。施加电磁场后，Ni元素均匀地分布在横截面上，如图5(b)所示。

图5  Ni元素在BFe10?1?1合金中分布的EPMA分析

Fig.5  Distribution of Ni on cross-section of BFe10?1?1 alloy by EPMA analysis: (a) Without REF; (b) With REF

Ni元素的固溶程度对合金的力学性能及耐蚀性有着重要影响。固溶实质是溶质原子扩散的过程，根据Arrhenius公式，溶质扩散系数D为：

则溶质扩散程度的估计参数α可以表示为

施加旋转电磁场后，由于细化了晶粒组织，减小了l值；所以Ni元素偏析得到了显著的抑制。

管坯的力学性能对后续轧制工序具有重要影响。考虑到水平连铸时重力对凝固组织的影响，分别从未施加磁场及施加磁场两种管坯的上、下和侧面取试样进行拉伸实验，取其平均值进行比较，结果见表3。

表3  旋转电磁场对管坯力学性能的影响

Table 3  Effect of REF on mechanical properties of tube billets

由表3可以看出，施加电磁场后，随着凝固组织的改善，管坯的力学性能明显提高，尤其是伸长率提高了58.6%。

图6所示为电磁场对拉伸试样断口形貌的影响。很显然，未施加磁场的断口韧窝小而浅；而施加电磁场后，韧窝大而深。由于韧窝的大小和深浅取决于基体的塑性变形能力以及析出相的数量、分布，所以断口形貌分析结果进一步证明施加电磁场能够改善凝固组织，提高成分均匀性，从而改善合金的力学性能。

图6  拉伸试样断口SEM形貌

Fig.6  SEM micrographs of fracture surface of tensile samples: (a) Without REF; (b) With REF

3  结论

1) 在空心BFe10?1?1合金管坯水平连铸过程中施加旋转电磁场，凝固组织由柱状晶完全转化为均匀细小的等轴晶，同时Ni元素枝晶偏析得到了抑制。

2) 施加电磁场后，管坯的抗拉强度、屈服强度及伸长率均得到明显提高，其中伸长率提高约58.6%。

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基金项目：国家自然科学基金资助项目(50474055)

收稿日期：2006-11-29；修订日期：2007-03-22

通讯作者：李新涛，博士；电话：0512-58987096；E-mail: xtlee63@sina.com

(编辑 何学锋)