强磁场对Al—Si合金凝固组织的细化研究意义

林东来

摘 要：Al-Si合金是目前使用较为广泛的工程材料，其具有良好的耐磨和耐热等性能及易于铸造和流动性好等一系列优良特点，它主要应用于汽车、摩托车等发动机活塞材料。当前采用强磁场对Al-Si合金的晶粒进行细化，提高铝硅合金的性能和质量的意义深远。本文概括当前在强磁场下制备Al-Si合金的工艺研究并综合分析强磁场对Al-Si合金性能的影响。

关键词：Al-Si合金 强磁场 细化

中图分类号：TG146 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）10（b）-0073-02

如今我国经济已经进入快速发展阶段，节约资源、创新技术与发展绿色循环经济已成为人们关注的热点。随着工业、制造业的发展，材料科学也迅速发展，特别是生产领域上工程材料的广范运用，工程材料的性能（硬度、耐磨性、韧性等）也越来越受到人们的关注与研究。Al-Si合金，它是一种轻质金属材料，因其具备良好的耐磨和耐热等性能及易于铸造和流动性好等特点被人们所关注。为了获得更好的共晶合金材料，对细化合金的凝固组织进行研究是有必要的。近些年来研究发现，在磁场下由于磁化力和洛伦兹力的作用对合金的凝固组织产生影响，将强磁场作为一种Al-Si合金改性手段，其性能得到了显著提高。

1 强磁场对Al-Si合金细化处理的特点

随着研究对Al-Si合金变质细化处理的不断深入，人们正努力寻找可以细化铝硅合金的方法。恰巧在研究材料电磁过程中发展了强磁场材料科学，便有研究人员尝试在Al-Si合金的凝固过程中使用磁场的方法[1]，通过对材料处理过程中增加电磁场的手段，达到细化合金凝固组织。此方法以无接触地传递能量，从而实现无污染加工工艺及设备简单的特点，受到了广大研究者的关注[2]。在研究过程中人们发现，强磁场能改变原子的迁移、排列和匹配等行为，它可以无接触地将高强度的能量传递到物质的原子尺度来控制材料晶体取向和长大过程中分布的颗粒大小与形状等[3]，从而改善材料的结构、组织及性能。

2 影响强磁场对Al-Si合金细化处理的因素研究

2.1 磁场梯度

综合近几年来在强磁场下制备Al-Si合金，磁场梯度在实验过程中也成为改变强磁场工艺的一个因素。梯度磁场下的磁化力是影响分布状态与第二相迁移行为的主要控制参数，当磁场梯度较小时，因磁化力受洛伦兹力的制约导致对第二相迁移控制的效果不明显，但随着增加磁场梯度，磁化力逐渐增强了作用效果。晋芳伟[4]等人在关于Al-Si合金凝固过程中通过实验研究发现：当保持磁场强度基本稳定在某一值的情況下，观察凝固试样在不同磁场梯度下的宏观组织，发现偏聚初晶硅颗粒分布的较为均匀，且尺寸有逐渐变小的现象。因为Si为抗磁性，而Al为顺磁性，因此Si颗粒发生迁移由于磁场排斥力的作用，逐渐变小了聚集层的初晶硅尺寸。

2.2 磁场强度

根据目前实验研究，在强磁场下对Al-Si的初晶硅进行分析时发现，当加热至全熔态，由于强磁场抑制了对流效果，阻挡了自由移动的初晶硅晶粒，当其冷却下来对凝固组织进行观察，显然发现初晶硅形态有得到了细化的改变，从一片片变成了一块块。但并不是磁感应强度越大细化效果就越好，虽然磁感应强度越大，洛伦兹力阻碍流体运动也逐渐变大，有更加明显的效果在磁场的对流抑制。张维平[5]等在研究组织细化实验中分别在5T、10T和无磁场下凝固后的微观组织，认为细化中有最佳的磁场强度值存在。

3 强磁场对改善铝硅合金性能的影响

3.1 机械性能

在Al-Si合金中，随着硅含量增加，晶粒直径的增大而降低了冲击值与抗拉强度，并且硅含量越高，初晶硅细化越难，强磁场可以影响初晶硅晶粒尺寸。在施加强磁场的淬火组织中发现弥散分布以及细小的晶粒，这是由于有许多的细小初晶硅晶核生成，虽然晶粒数量增多，但尺寸减少了。这主要是通过强磁控制了晶粒的扩散、遏制了对流，使晶粒的长大受限、使组织得到细化。所以经过强磁变质处理的合金，能获得满意的机械性能。

3.2 铸造性能

Al-Si合金结晶过程中随着增加硅的含量加大了合金的疏松倾向，结晶温度范围变大，降低合金的气密性，使合金的铸造工艺性能变差。而在强磁场的作用下，由于磁场的作用使得固、液界面变形，导致界面失稳，促使胞晶向枝晶、平面向胞晶转变以及细化了枝晶的分枝。这是因为磁场取向作用以及热电磁力的作用，造成组织和凝固过程的变化，使得在强磁场下的Al-Si合金的枝晶的分枝细化，极大地改善了铝硅合金的铸造性能。

4 结语

强磁场在Al-Si合金细化处理工艺中，通过合金晶粒的细化处理，提高Al-Si合金耐磨性和其他一些性能，已得到了共同认可。但它作为材料热处理的一种延续，材料最终性能的好坏，不能单单取决于强磁场处理的工艺，还有降温过程中热处理工艺或热处理与强磁场处理之间相互搭配的工艺，需要相关的文献进行探讨，了解降温过程中的热处理与强磁场处理对材料影响的机理，这也会对强磁场处理技术稳定使用增加了难度。因此鉴于Al-Si合金类型和成分的多样性和复杂性，强磁场处理后Al-Si合金凝固组织细化工艺研究意义，值得相关科研人员继续深入实验、归类以及总结出一定的强磁场处理规律，达到进一步提高Al-Si合金性能的目的。

参考文献

[1] S.Asai.Recent development and prospect of electromagnetic processing of materials[J]. Science and Technology of Advanced Materials，2000，1（4）：191-200.

[2] 王晖，任忠鸣，蒋国昌.均恒强磁场在材料科学中的应用[J].材料科学与工程，2001，19（2）：119-123.

[3] Asai Shigeo.Birth and Recent Activities of Electromagnetic Processing of Materials[J].ISIJ International，1989，29（12）：981-992.

[4] 晋芳伟，任忠鸣，任维丽，等.强磁场下过共晶铝硅合金凝固过程中初晶硅的迁移行为[J].中国有色金属学报，2007（17）：313-319.

[5] 张维平，袁聪.强磁场下Al-Si过共晶合金组织细化原理研究[J].材料科学与工艺，2007，15（5）：670-672.endprint