冶金业电磁凝固研究

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1引言

在材料科学领域里，控制材料的凝固过程是提高传统工程材料和铸件性能以及开发新材料的重要途径。近几十年来，人们在利用各种手段控制凝固过程的研究和生产实践中发现，综合利用电磁场的多种功能对金属的凝固过程进行控制有着明显的优越性。电磁场下的凝固技术是指在液态合金凝固过程中施加以电磁场来控制材料组织和性能的方法。该方法在工业生产和科学研究中有其自身独特的特点，如：细化晶粒、改善偏析、获取单一组织、制备钢铁半固态坯料等，并且该方法具有不改变合金的原有成分、无污染、无接触、设备简单、操作方便等其它细化方法不可代替的优点，所以这一技术一经出现就受到了人们的极大关注，目前已经取得了显著的成果，并已在实际生产中得到广泛应用。如何能进一步拓展电磁凝固技术的应用空间，让这一技术更好的应用与于冶金生产及材料的加工方面，仍然是有待探索与解决的问题。

2材料电磁凝固过程技术简介

电磁场在冶金生产过程中的作用，实质上是通过电磁场与熔融金属液相互感应产生电磁力，作用于金属流体以达到预期目的。目前，把这种研究电磁场与流动之间相互关系的科学，称为电磁流体力学。材料电磁过程是指将磁流体力学与材料加工技术结合起来，将电磁场应用于材料制造和加工过程，从而实现对材料工艺过程的控制及材料组织和性能的改善。

2.1材料电磁凝固过程技术使用的电磁场

材料电磁过程技术使用的电磁场主要有以下几种：①由传统线圈产生的普通强度的直流磁场。主要用于控制液体金属的流动：例如，作为电磁制动抑制连铸结晶器内钢液的流动，抑制中间包内钢液的紊流等。②由超导线圈产生的高强度的直流磁场。主要用于控制液体金属的流动；控制液体金属的形核、生长等凝固过程，开发新材料。③频率从几赫兹到数十赫兹的交流磁场。交流磁场是材料加工过程中应用最广泛的一种磁场，可以通过磁场频率的选择，将其应用于感应加热、电磁搅拌、电磁加压、电磁传输等工艺过程，是控制液体金属传输的有力手段。④其他特殊磁场。例如，移动磁场、脉冲磁场、变幅磁场等。主要用于高效、节能等新技术工艺的开发。上述各种磁场不仅可以单独使用，还可以几种磁场或磁场和电场共同使用于某一材料加工过程。

2.2电磁场对凝固组织的影响

电磁场主要是通过电磁力对熔融金属液起抑制或搅拌作用。不同的电磁场产生的电磁力大小、形状、方向都不同，对凝固组织的影响也不同。

2.2.1直流磁场对凝固组织的形态的影响

直流磁场产生的直流磁束既可抑制液态金属中的自然对流，也可抑制固液界面处晶核的生长，从而有利于形成柱状晶组织，为发展单晶体提供了有利条件。目前，国际上已有人根据直流磁束抑制钢液流动的作用，应用于连铸浇口处的钢流，从而开发了一种能止喷出流的电闸，防止和降低连铸件内非金属夹杂物的聚集带[1]。国内也有人将直流磁场用于拉制单晶硅的过程及金属成形的控制等方面，尤其是西北工大在这方面做了大量的工作[2][3]。

2.2.2交流磁场对凝固组织形态的影响

交流磁场作用于熔融金属时，则产生定时改变方向和大小的体积力。该力可对正在凝固中的熔融金属实施搅拌，使凝固界面产生结晶的熔解、枝晶的折断与脱开，同时使结晶核移动呈活泼状态，并促使结晶组织等轴晶化。其作用正好与直流磁场作用相反。诸多交流磁场形式中，旋转磁场是其中一种较普遍采用的形式。旋转磁场与液态金属相互作用，对正在结晶的金属液产生强烈的搅拌作用，使金属液处于不同于重力状态下的结晶状态，凝固模式发生变化，成为一种不平衡结晶。电磁搅拌最早用于考察液态金属流动对有色金属凝固过程和凝固组织的影响。但60年代初，Langen．berg等人[4]报道了交流磁场可显著细化钢锭的凝固晶粒以后，该技术才得到了蓬勃发展和广泛应用。电磁搅拌还可改善铸件的冶金质量，消除宏观偏析[5]。大部分的研究工作，都是对定向凝固过程中采用旋转磁场来实现电磁搅拌的。

3电磁凝固技术在冶金生产中的应用探索

对于材料电磁凝固技术的研究的主要目的在于应用。拓展其在冶金及材料加工方面的应用，让电磁凝固技术更好、更有效地应用于生产，还需要不断地探索与大量的试验研究。

3.1拓宽电磁凝固技术的应用范围

目前，材料电磁凝固技术主要应用于砂型铸造方面，进行材料组织与性能的改变。在特种铸造方面，电磁离心铸造是近年来发展起来的一种新颖的凝固技术，该技术可以改善耐热钢的宏观凝固组织，从而可应用其制造梯度复合材料[6]。特种铸造包含有离心铸造，金属型铸造、压力铸造、低压铸造及熔模铸造等多种铸造方式，能否将电磁技术应用于这些特种铸造生产，以改善铸件的凝固组织与结构，制造出符合要求的相关设备，值得我们探索与思考。其次，对于材料的热加工方法除包含铸造加工外，还包括锻压生产及焊接生产。对于锻压件，可以采用电磁技术控制其成形过程，并且在锻件冷却过程中能否尝试采用电磁技术对其固态组织与性能进行控制；对于焊接件焊接时，由于焊缝金属凝固较快，焊缝的质量难于控制，容易产生应力及变形等缺陷，那么，能否尝试在焊接过程中对焊缝金属施以电磁凝固技术，控制其凝固速度，让焊缝化学成分趋于均匀，从而改善并提高焊缝的质量，也值得我们去研究及考证。

3.2毛坯件的生产方面

对于一些要求有较高性能的机械构件，如最常见的齿轮，轴类零件等，其毛坯件往往是选择锻件、轧制件或挤压件，因为铸造工艺不能满足其力学性能和使用性能的要求。而锻造生产条件差、劳动强度大，对原材料的利用率较低，且生产周期长，锻模的制造成本高，锻件的切削加工性差；轧制件和挤压件的表面质量又难于控制，表面精度低，易产生裂纹等缺陷。若能对这些常用机械构件的毛坯件改用电磁铸造的方式来生产，通过磁场力来控制铸件的凝固过程，获得我们所需要的微观组织与性能，这样，与锻造生产相比，可以改善锻造工人的劳动强度和工作条件，节省成本，提高原材料的利用率，减少其机械切削加工前的热处理工序，提高生产率；与轧制与挤压工序相比，电磁铸造可以控制零件的表面质量，减少表面缺陷，提高力学性能。

3.3毛坯件的选材方面

不同材料的毛坯件，其本身的性能不同。如20钢和45钢，都属于优质碳素结构钢，但是由于含碳量不同，导致其力学性能不同。若均采用轧制的方式制作轴类圆钢毛坯件，45钢的综合力学性能要高于20钢。若将20钢材料以电磁铸造的方式凝固成形来制作圆钢毛坯件，通过晶粒细化，获得中心细小的等轴晶区，且可以辅助安排热处理工序来共同提高其力学性能，从而达到45钢轧制件的综合要求。这样推广开来，不仅可大大节省原材料的成本，而且可改善不同材料的制造及应用范围，拓展材料的利用率。

3.4零件的加工方面

要将经过热加工制得的毛坯件应用于生产，一般均要对其进行切削加工及热处理工序。机械切削加工的主要目的是提高零件的尺寸精度与形位精度，获得符合装配及使用性能要求的零部件。热处理工序是穿插在切削加工工序中，目的是改变零件的力学性能，以满足其加工或使用的需要。任何一种热处理方式均包含加热、保温及冷却三个步骤，不同的金属材料在不同的热处理方式下，其加热温度、保温时间及冷却速度均不相同。若在金属材料热处理工艺中采用电磁技术，观察其对材料固态组织的影响，则可讨论该技术对材料热处理领域的影响程度与可行性。

4材料电磁凝固技术研究方向的探索

对于电磁场在材料凝固过程中的应用，国内外的研究人员已经做出了很多工作，取得了很大进展，但是对电磁场处理影响凝固组织的机理还认识不深，存在很多盲区。这不仅仅是因为电磁场处理是一门错综复杂的交叉领域，而且还因为其研究手段和人们思维的局限性，这些有待于进一步研究和开发。

4.1从铸件材料及凝固方法方面考虑

国内外科研人员对材料电磁过程技术的研究，主要集中在铝合金、低熔点的Pb-Sn合金、Fe-C合金及一些复合材料等方面，在其他一些合金材料的研究还相对欠缺。同时，对于旋转磁场电磁搅拌功能的研究，大部分都集中在钢锭的定向凝固中，对于一些采用同时凝固方法获得的中小型薄壁铸件，电磁凝固技术在这方面的研究和应用还有待深入与提高。

4.2磁场类型及其与电场的交互作用方面

直流磁场及交流磁场对材料凝固过程方面的研究相对比较多，而关于脉冲磁场对材料凝固过程及其凝固组织影响方面的研究工作还有待深入。訾炳涛等人[7]曾采用脉冲磁场对LY12铝合金的凝固组织进行了处理，发现脉冲磁场不仅可以显著细化凝固组织，而且其细化效果要明显比脉冲电流的细化效果好。但对脉冲磁场应用方面有关的新问题、新现象认识还不够多，相信该技术应该有较大的市场前景，可能用于大块非晶和大块金属纳米晶材料的制备[8]。在磁场中通一直流电场，其对材料凝固过程的影响已得到较深入的研究。尤其是直流磁场与直流电场的交互共同作用于金属的凝固过程，使金属细化效果更为显著[9]，并且已经广泛应用于生产。但是对于交流电场或脉冲电场与交流磁场或脉冲磁场的交互作用的研究还不多，其交互作用效果对材料凝固组织的影响结果还不明确，这还需要大量的试验研究来证明该方法的可行性与实践性。

4.3电磁搅拌原理的获取方式方面

在金属凝固过程中，施加交流磁场的作用和目的就是对液相产生电磁搅拌，使金属液处于不同于重力状态下的结晶状态，凝固模式发生变化，成为一种不平衡结晶，从而得到具有优良力学性能的细小晶粒组织。Kobayashi[10]等人曾用在直流磁场中低速旋转模具的办法来实现电磁搅拌过程，并在不锈钢的凝固组织中产生不同比例的等轴晶粒区。那么，对于交流磁场获得的电磁搅拌效果，与在直流磁场作用下通过旋转模具的方式获得的电磁搅拌效果，两者对于凝固组织及机理的影响有什么不同，这方面的研究还不明确，还有待于进一步的研究与证实。

4.4材料电磁铸造时不同的应用参数方面

为了将材料电磁凝固技术更好地应用于铸造生产，得出某种合金电磁铸造的最佳方案，这还需要大量的试验研究及总结，主要包含以下两个方面的内容：其一，对于相同的合金成分，在不同的浇注温度、电磁场强度及铸型温度下，其凝固后的微观组织和力学性能会有何不同；其二，对于不同的合金成分，或是改变同一种合金中合金元素的含量，在相同的浇注温度、电磁场强度及铸型温度下，其凝固后的微观组织和力学性能有何不同。综合各方面的试验数据与结果，从而得出某种合金最佳的电磁凝固方案，包括其合金元素含量的多少、浇注温度的范围、电磁强度的大小及铸型预热温度的取值，以便于更有效地指导及应用于生产。

5结束语

经过几十年国内外研究人员的不懈努力，材料电磁凝固技术已经取得了很大的进展，并且在冶金生产中已得到了广泛地应用。但是，能否拓展材料电磁凝固技术在冶金工业与材料成形加工方面的应用，让其应用于锻压生产、焊接生产及材料的热处理加工工序，这种设想的可执行性和可操作性还需要大量的试验研究与证明。同时，我们还要拓宽材料电磁凝固技术的研究方向，让更多的材料能应用于电磁凝固生产，并且应加大力度研究脉冲磁场及不同磁场与电场的交互作用下对材料凝固组织及性能的影响，从而让这一技术更加完善，以便于形成一套有效的理论体系去更好地指导生产。对材料电磁凝固过程技术的研究具有深远的意义，其研究成果将为人们进一步探索磁场作用下合金中原子和电子运动规律提供新的实践依据和新的线索与思路。从应用的角度来看，可以运用这些新发现的实验结果，指导人们有效地控制合金的原子结构和微组织结构，为有效改变合金的性能提供新的技术手段，拓宽电磁场在材料加工中的应用范围，推动冶金行业的快速发展。