目录结构

利用自行研制的交替变向电磁场凝固装置, 采用对比实验方法研究了交替变向电磁场对Al-5%Cu合金晶粒度、集中缩孔、分散缩孔和缩松以及致密度的影响规律及机理。结果表明: 交变电磁场对Al-5%Cu合金晶粒形貌和晶粒尺寸产生明显的影响; 随着磁场强度的增加, 合金晶粒形貌由粗大的柱状晶转变为细小的等轴晶, 晶粒尺寸由30.2mm降低到0.2mm; 在0.2T强场下试样集中缩孔相对深度缩小了10倍左右, 分散缩孔和缩松数量明显减少, 铸件的致密度提高了2.9%。

关键词: Al-5%Cu合金; 交替电磁场; 集中缩孔; 缩松

中图分类号: TG113.2 文献标识码: A

Effect of alternating electromagnetic field on shrinkage cavities and porosities in Al-5%Cu alloy

HE Hong-liang, GUO Er-jun

(School of Materials Science and Engineering, Harbin University of Science and Technology,

Harbin 150080, China)

Abstract: Effects of alternating electromagnetic field on the grain size, concentrating shrinkage cavity, dispersing shrinkage porosity and density of Al-5%Cu alloy were investigated by comparative methods using self-made alternating electromagnetic field apparatus. The results show that the alternating electromagnetic field has a significant effect on the grain morphology and grain size of Al-5%Cu. The grain morphology is changed from a very big columnar structure to a fine equiaxed one and the grain size is decreased from 30.2mm to 0.2mm with the increase in alternating electromagnetic field intensity. The depth of concentrating shrinkage cavity is decreased about ten times when magnetic intensity is 0.2T. The volumes of both dispersing shrinkage cavity and shrinkage porosity are reduced, leading to the increase in alloy density about 2.9%.

Key words: Al-5%Cu alloy; electromagnetic field; concentrating shrinkage cavity; shrinkage porosity

铝铜系铸造合金由于良好的室温性能和高温性能而得到广泛应用^[1]。虽然铝铜系合金的力学性能良好, 但目前其进一步应用受到很大的限制, 这是因为该合金具有较宽的结晶温度范围, 铸造性能差, 铸造过程非常容易出现缩孔、缩松、热裂、偏析等缺陷^[2], 所以力学性能不能得到正常发挥。如何改善Al-Cu合金的铸造性能, 充分发挥其高强高韧(σ_s≥400MPa, δ≥8%)的性能特点, 始终是铸造工作者研究的热门课题^[3-14]。

目前有关磁场对Al-Cu合金影响的研究主要集中在改善Al-Cu合金热裂倾向上^[3-12], 人们研究了合金元素对Al-4.5%Cu合金热裂倾向的影响, 研究结果表明^[3-6], 采用添加剂细化晶粒, 可以降低Al-Cu合金热裂倾向; 另外一些研究集中在稀土对Al-Cu合金的作用上^[7-10], 认为稀土可降低Al-Cu合金的热裂倾向, 改善其铸造工艺性能。近年来某些科研人员开始重视电磁场对Al合金晶粒尺寸^[11-13], 热裂^{[14, 15]}, 铸造合金流动性、缩孔缩松等铸造缺陷的影响^{[16, 17]}, 但有关电磁场对Al-Cu合金缩孔缩松倾向的影响规律和机理的研究报道还很少。 Al-Cu合金常采用砂型重力浇注, 由于砂型导热性差、冷速低, 凝固时间长, 导致铸件晶粒粗大, 常常出现缩孔、缩松等缺陷。在重力场中消除Al-Cu合金的上述缺陷比较困难。

本文作者利用自行研制的交替变向电磁场装置控制Al-Cu合金的凝固过程, 研究电磁场对Al-Cu合金铸造缺陷如缩孔和缩松的影响规律并分析其机理, 这对于预防铸件缺陷, 增加铸件的致密度, 提高合金性能, 扩大其应用范围具有重大意义。

1 实验

1.1 材料

Al-5%Cu合金结晶温度间隔大, 易产生缩孔和缩松等缺陷, 实验中选用Al-5%Cu合金作为研究对象。该合金由高纯铝(99.98%)与Al-50%Cu中间合金熔配而成。浇注温度为760℃, 采用水玻璃砂型, 试样尺寸为d40mm×100mm。

1.2 实验方法

本实验用对比方法, 即在铸型、浇注温度等其它工艺参数保持不变的条件下, 分别在重力场和电磁场下浇注试样。产生交替变化电磁场的装置如图1所示, 该装置主要由组合线圈, 自耦变压器、

图1 交替变向电磁场装置示意图

Fig.1 Schematic diagram of experimental equipment

控制线路等组成。其工作原理是将铸型放在组合线圈中, 浇注的金属在电磁力的作用下产生定向运动。通过控制线路定时交替改变电流的方向, 这样金属液就会产生反复的变向运动, 其结果使金属液中产生强烈反复的震荡。金属液在反复震荡作用下冷却、结晶、凝固。本实验中电磁场的电流换向时间设定为5s。试样凝固后, 采用排水法测量其密度。采用线切割将试样沿中心剖开, 制备的试样经研磨、抛光后, 用稀硝酸水溶液(1∶9)腐蚀试样, 利用金相分析技术, 观察并分析试样晶粒度、集中缩孔、分散缩孔和缩松的变化情况。

2 结果与讨论

2.1 交替变向电磁场对宏观晶粒度的影响

图2所示为磁场强度对Al-5%Cu合金晶粒尺寸及宏观组织的影响, 磁场频率固定在25Hz, 可见在电磁场的作用下试样的宏观晶粒形貌和晶粒尺寸发生了明显的变化。随着磁场强度的增加, 晶粒形貌由粗大的柱状晶转变为细小的等轴晶, 晶粒尺寸由30.2mm降低到0.2mm, 表明交替变向电磁场对Al-5%Cu合金具有明显的细化作用。当磁场强度小于0.2T时, Al-5%Cu合金晶粒尺寸随磁场强度的增加基本呈线性降低, 随后磁场强度进一步增加对晶粒尺寸的影响不大。

图2 磁场强度对Al-5%Cu合金晶粒尺寸的影响

Fig.2 Grain sizes of Al-5%Cu as function of magnetic intensity

固定磁场的强度为0.2T, 改变磁场的频率, 研究磁场频率对晶粒形貌和晶粒尺寸的影响, 实验结果见表1。随着磁场频率的增加, 晶粒尺寸呈降低趋势, 而晶粒形貌均为等轴晶, 表明频率的变化对合金的晶粒度有一定的影响, 但与磁场强度对晶粒尺寸的影响相比, 频率变化对晶粒尺寸的影响不明显。

表1 磁场频率对晶粒尺寸的影响

Table 1 Grain sizes as function of magnetic frequency

2.2 交替变向电磁场对集中缩孔的影响

采用交替变向电磁场对集中缩孔进行了研究, 磁场强度为0.2T, 试样尺寸为d40mm×100mm。采用缩孔相对深度来评价磁场对集中缩孔的影响。

集中缩孔相对深度定义为集中缩孔的深度与试样高度之比。实验结果如图3所示。在交替电磁场的作用下集中缩孔的侵入深度明显减小。在重力场下集中缩孔的相对深度为0.56, 在电磁场下集中缩孔的相对深度只有0.05。可见在0.2T磁场强度下d40mm×100mm试样集中缩孔的相对深度缩小了大约10倍。

图3 交替变向电磁场对Al-5%Cu合金集中缩孔的影响

Fig.3 Effect of alternating electromagnetic field on concentration shrinkage cavities in Al-5%Cu alloy

2.3 交替变向电磁场对分散缩孔和缩松的影响

图4和5所示分别为Al-5%Cu合金试样在重力场和交替变向电磁场(0.2T)作用下组织中分散缩孔及缩松的光学金相照片, 试样沿轴线剖开。重力场浇注的试样截面上分布大量的分散缩孔, 局

图4 交替变向电磁场对Al-5%Cu合金分散缩孔的影响

Fig.4 Effects of alternating electromagnetic field on dispersing shrinkage cavities in Al-5%Cu alloy

图5 交替变向电磁场对AI-5%Cu合金缩松的影响

Fig.5 Effects of alternating electromagnetic field on porosities in Al-5%Cu alloy

部有较明显的缩松; 交替变相电磁场下浇注的试样没有分散缩孔出现, 可见在电磁场的作用下分散缩孔及缩松数量明显减少。

2.4 交替变向电磁场对致密度的影响

采用排水法分别测量在重力场和电磁场下制备的Al-5%Cu合金试样的密度, 其表达式为

式中 ρ_t为被测试样在温度为t时的密度; m₁为试样在空气中的质量; m₂为试样在蒸馏水中的质量; ρ_w为温度为t时蒸馏水的密度, ρ_w=1.0g/cm³; ρ_air为空气密度, ρ_air=0.0012g/cm³。

每个试样密度测量3次, 取平均值, 结果如表2所示。可见在交替变向电磁场作用下合金的密度增大, 本实验条件下密度增大了2.9%。

表2 交替变向电磁场对Al-5%Cu合金密度的影响

Table 2 Effect of alternating electromagnetic field on density of Al-5%Cu alloy

2.5 结果讨论

2.5.1 集中缩孔侵入深度

Al-5%Cu合金在重力场下凝固一般是逐层凝固方式, 先形成一个凝固壳, 然后逐层凝固, 在铸锭中心的最后凝固部位形成很深的集中缩孔, 如图6(a)所示。当液态金属在交替变向电磁场下凝固时, 由于液体金属的震荡作用, 使型壁处先结晶的晶体脱落下来, 所以不会先形成凝固壳。这些晶粒会游离到液体金属的内部, 而且在电磁场产生的震荡作用下, 也不会形成通常情况下的柱状树枝晶区, 形成的树枝晶会在液体金属的震荡作用下“折断”或“熔断”, 游离到内部。在游离过程中产生破碎“增殖”现象。而且在强烈的对流作用下金属液的温度会趋于均匀, 这样就会在整个金属液中分散了细小的等轴晶。这些细小等轴晶由于密度大于液体金属而产生下沉作用, 形成由下而上的逐层凝固方式, 使液态收缩阶段延长, 整个铸锭的高度减少, 而使集中缩孔的侵入深度减小, 如图6(b)所示。

图6 交替电磁场对集中缩孔的作用机理示意图

Fig.6 Schematic of effect mechanics of alternating electromagnetic field on concentrating shrinkage voids

2.5.2 分散缩孔及缩松

通常形成缩孔和缩松的条件是合金的结晶温度范围较宽, 倾向于体积凝固方式, 铸件断面的温度梯度小, 冷速慢, 先结晶的固相形成发达的树枝晶, 内生生长时形成粗大的等轴晶。这样发达的树枝晶连成骨架而过早地将液体金属分割成孤立的互不相通的“小溶池”。同样粗大的等轴晶长大后相互接触, 也会把液体金属分割成孤立的“小溶池”。小溶池中液体金属凝固收缩时得不到液体的补充, 从而导致缩松和缩孔的形成。由于结晶温度间隔大, Al-5%Cu合金在砂型重力场中凝固时, 极易产生缩孔和缩松缺陷。在交替变向电磁场中, 液体金属产生强烈的对流和震荡作用, 使其平均流速()比在重力场中大大增加。根据枝晶间液体金属流动的达西定律可知, 平均流速愈大, 其压力梯度p也愈大。在高压和震荡作用下树枝晶产生破碎^[15]。在反复震荡作用下树枝晶也会发生重熔, 形成非常细小的等轴晶。树枝晶的破坏, 液体金属的反复震荡流动冲击, 晶粒的细化, 都会使铸件中的缩孔及缩松大大减少, 从而使其密度增加。

3 结论

在金属液凝固过程中施加一个交替变向的电磁场, 金属液中会产生反复的震荡作用, 这种作用可产生如下结果。

1) 明显细化合金的晶粒, 在本实验条件下随着磁场强度的增加, 细化效果越显著, 而磁场频率对晶粒尺寸的影响不明显。

2) 减小了集中缩孔的深度, 在磁场强度为0.2T下, d40mm×100mm试样集中缩孔的相对深度减小了大约10倍。

3) 减少了分散缩孔及缩松的数量。

4) 增加了合金的致密度, 在本实验条件下, 试样密度提高了2.9%。

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(编辑龙怀中)

收稿日期: 2004-11-15; 修订日期: 2005-02-03

作者简介: 何洪亮(1947-), 男, 副教授.

通讯作者: 郭二军, 教授, 博士; 电话: 0451-86392522; E-mail: guoerjun@126.com