冷却速度对Al—Cu合金铸锭宏观组织的影响

白志国+杨勋刚+邓鸿章

摘 要：文章以铝铜合金作为实验材料，开展了电磁模铸的应用研究，研究了不同冷却速度对于铸锭质量的影响规律。结果表明：冷却速度过高或过低均不利于发挥磁场对于凝固组织的改善效果，冷却速度0.47K/s条件下，获得的铸锭凝固质量最佳。

关键词：Al-Cu合金；冷却速度；宏观组织

中图分类号：TG146 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）34-0073-02

1 概述

近几十年来，人们发现在凝固的过程中综合利用电磁场，能够有效的控制凝固过程，达到改善晶粒组织，提高性能的目的。研究发现在金属熔体凝固的过程中施加电磁场，在磁场的作用下，能够促使熔体内部的溶质元素浓度分布和温度场分布更为均匀，能够加快过热熔体的热量耗散，有利于固液界面处溶质元素的扩散，对于抑制枝晶组织的生长、细化晶粒组织、改善合金元素偏析和降低铸锭内部的缩孔缩松现象等都有显著的效果[1-3]。目前关于金属的电磁铸造工艺主要集中于铝、铁等合金的连铸过程中，电磁场在连铸过程中的应用已经得到了系统的研究，目前已经发展成为了比较成熟的铸造工艺[4-10]。而电磁场在模铸条件下的应用的相关研究相对较少，尤其是对于模铸条件下，电磁场对于铸锭宏观组织均匀性与铸锭质量等影响的研究较少，目前模铸条件下的电磁铸造工艺还不是很成熟，尚有待系统的研究和探索。在电磁模铸过程中，冷却速度会直接影响合金熔體中的温度场分布和磁场的作用时间，同时对铸锭的表面质量有严重的影响。不同的冷却速度会影响磁场的作用效果，因此探讨冷却条件对于电磁模铸工艺的影响是很有必要的。为了在模铸条件下获得良好的铸锭质量，本实验采用近似定向凝固的冷却方式，主要考察了不同的冷却速度下，行波磁场对于合金铸锭的影响。

2 实验方法

实验采用的是行波磁场，磁场的电流为160A、频率为20Hz。行波磁场会在合金熔体中产生轴向方向的环流，磁场的发生装置和原理如图1所示。本文探讨的是冷却速度对于电磁铸造过程中铸锭的影响，分别研究了空冷条件下（0.28K/s）、水冷条件下（0.47K/s）以及快速冷却条件下（0.78K/s）磁场对于铸锭质量的影响。

3 结果与讨论

不同冷却速度下铝铜合金铸锭宏观组织如图2所示。其中图2（a）是水冷条件下不施加任何磁场时的铸锭宏观组织图。图2（b）是不通水空冷条件下，施加磁场电流160A、频率20Hz的行波磁场后得到的铸锭宏观组织图。图2（c）是水冷条件下，施加磁场电流160A、频率20Hz的行波磁场处理过后得到的铸锭宏观组织图。图2（d）是快速冷却条件下，施加磁场电流160A、频率20Hz的行波磁场处理后的铸锭宏观组织图，合金溶液的初始温度均为700℃。

从图2（a）中可以看出，枝晶的有两个生长方向，沿着铸锭轴向方向由底部向顶部生长和沿着铸锭边部向心部生长，这是由模铸条件下铸锭特有的近似定向凝固的冷却方式决定的。靠近试样的顶部和边部的枝晶组织明显要比底部的枝晶组织粗大，而处于试样上部的中心位置存在一个明显的集中缩孔缺陷，且靠近缩孔处的晶粒组织为相对细小均匀的等轴晶组织，这是由于凝固末期溶质元素的富集和散热速度的加快导致的。而从图2（b）和（c）可以看出，施加行波磁场后，铸锭的宏观组织发生了显著地变化，由未加磁场的粗大柱状晶转变为均匀的等轴晶组织，这说明行波磁场能够促使宏观晶粒组织由柱状晶组织向等轴晶组织的转变。对比图2（b）和（c）可以看出，水冷条件下得到的铸锭宏观组织要明显比空冷条件下的细小均匀。而从图2（d）中我们可以看出，当冷却速度为0.78K/s时，铸锭底部获得了细小均匀的组织，而铸锭的中部和上部仍然为发达的枝晶组织，对比图2（c）和（d）我们发现，快速冷却条件下磁场的细化宏观晶粒组织的效果要远差于水冷条件下磁场的效果。因此结合图2（b）、（c）和（d），我们发现，冷却速度的快慢对于磁场细化均匀宏观组织有显著地影响，其规律表现为，在一定的磁场条件下，冷却速度存在一个合适值，太慢的冷却速度下，磁场虽然能够有效促使柱状晶组织向等轴晶组织的转变，得到均匀的等轴晶组织，但是磁场细化晶粒组织的作用被严重削弱，最终获得的是粗大均匀的等轴晶组织；而太快的冷却速度下，磁场促使枝晶组织向等轴晶组织转变的效果则被严重削弱，得到的则是相对细小的枝晶组织。试验中，行波磁场水冷条件（0.47K/s）得到的铸锭宏观组织最好。仔细观察我们还发现，在行波磁场水冷条件下，铸锭的宏观组织并不完全是细小均匀的等轴晶组织，在铸锭的边部和底部仍然存在细小的枝晶组织，这主要是由近似定向凝固条件下模铸特有的冷却边界条件决定的。

4 结束语

本文探讨了冷却速度的变化对于铸锭凝固组织的影响规律，对实验结果进行了分析讨论，得到了以下结论：冷却速度会影响磁场对于凝固组织的改善效果，冷速过慢或过快均不利于磁场对于凝固组织的改善，只有在合适的冷却速度下，磁场才能有效的细化晶粒均匀组织，0.47K/s的冷却条件下获得的铸锭凝固组织最佳。

参考文献：

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