冶金業電磁凝固研究論文
冶金業電磁凝固研究論文
1引言
在材料科學領域裡，控制材料的凝固過程是提高傳統工程材料和鑄件效能以及開發新材料的重要途徑。近幾十年來，人們在利用各種手段控制凝固過程的研究和生產實踐中發現，綜合利用電磁場的多種功能對金屬的凝固過程進行控制有著明顯的優越性。電磁場下的凝固技術是指在液態合金凝固過程中施加以電磁場來控制材料組織和效能的方法。該方法在工業生產和科學研究中有其自身獨特的特點，如：細化晶粒、改善偏析、獲取單一組織、製備鋼鐵半固態坯料等，並且該方法具有不改變合金的原有成分、無汙染、無接觸、裝置簡單、操作方便等其它細化方法不可代替的優點，所以這一技術一經出現就受到了人們的極大關注，目前已經取得了顯著的成果，並已在實際生產中得到廣泛應用。如何能進一步拓展電磁凝固技術的應用空間，讓這一技術更好的應用與於冶金生產及材料的加工方面，仍然是有待探索與解決的問題。
2材料電磁凝固過程技術簡介
電磁場在冶金生產過程中的作用，實質上是透過電磁場與熔融金屬液相互感應產生電磁力，作用於金屬流體以達到預期目的。目前，把這種研究電磁場與流動之間相互關係的科學，稱為電磁流體力學。材料電磁過程是指將磁流體力學與材料加工技術結合起來，將電磁場應用於材料製造和加工過程，從而實現對材料工藝過程的控制及材料組織和效能的改善。
2.1材料電磁凝固過程技術使用的電磁場
材料電磁過程技術使用的電磁場主要有以下幾種：①由傳統線圈產生的普通強度的直流磁場。主要用於控制液體金屬的流動：例如，作為電磁製動抑制連鑄結晶器內鋼液的流動，抑制中間包內鋼液的紊流等。②由超導線圈產生的高強度的直流磁場。主要用於控制液體金屬的流動；控制液體金屬的形核、生長等凝固過程，開發新材料。③頻率從幾赫茲到數十赫茲的交流磁場。交流磁場是材料加工過程中應用最廣泛的一種磁場，可以透過磁場頻率的選擇，將其應用於感應加熱、電磁攪拌、電磁加壓、電磁傳輸等工藝過程，是控制液體金屬傳輸的有力手段。④其他特殊磁場。例如，移動磁場、脈衝磁場、變幅磁場等。主要用於高效、節能等新技術工藝的開發。上述各種磁場不僅可以單獨使用，還可以幾種磁場或磁場和電場共同使用於某一材料加工過程。
2.2電磁場對凝固組織的影響
電磁場主要是透過電磁力對熔融金屬液起抑制或攪拌作用。不同的電磁場產生的電磁力大小、形狀、方向都不同，對凝固組織的影響也不同。
2.2.1直流磁場對凝固組織的形態的影響
直流磁場產生的直流磁束既可抑制液態金屬中的自然對流，也可抑制固液介面處晶核的生長，從而有利於形成柱狀晶組織，為發展單晶體提供了有利條件。目前，國際上已有人根據直流磁束抑制鋼液流動的作用，應用於連鑄澆口處的鋼流，從而開發了一種能止噴出流的電閘，防止和降低連鑄件內非金屬夾雜物的聚集帶[1]。國內也有人將直流磁場用於拉制單晶矽的過程及金屬成形的控制等方面，尤其是西北工大在這方面做了大量的工作[2][3]。
2.2.2交流磁場對凝固組織形態的影響
交流磁場作用於熔融金屬時，則產生定時改變方向和大小的體積力。該力可對正在凝固中的熔融金屬實施攪拌，使凝固介面產生結晶的熔解、枝晶的折斷與脫開，同時使結晶核移動呈活潑狀態，並促使結晶組織等軸晶化。其作用正好與直流磁場作用相反。諸多交流磁場形式中，旋轉磁場是其中一種較普遍採用的形式。旋轉磁場與液態金屬相互作用，對正在結晶的金屬液產生強烈的攪拌作用，使金屬液處於不同於重力狀態下的結晶狀態，凝固模式發生變化，成為一種不平衡結晶。電磁攪拌最早用於考察液態金屬流動對有色金屬凝固過程和凝固組織的影響。但60年代初，Langen．berg等人[4]報道了交流磁場可顯著細化鋼錠的凝固晶粒以後，該技術才得到了蓬勃發展和廣泛應用。電磁攪拌還可改善鑄件的冶金質量，消除宏觀偏析[5]。大部分的研究工作，都是對定向凝固過程中採用旋轉磁場來實現電磁攪拌的。
3電磁凝固技術在冶金生產中的應用探索
對於材料電磁凝固技術的研究的主要目的在於應用。拓展其在冶金及材料加工方面的應用，讓電磁凝固技術更好、更有效地應用於生產，還需要不斷地探索與大量的試驗研究。
3.1拓寬電磁凝固技術的應用範圍
目前，材料電磁凝固技術主要應用於砂型鑄造方面，進行材料組織與效能的改變。在特種鑄造方面，電磁離心鑄造是近年來發展起來的一種新穎的凝固技術，該技術可以改善耐熱鋼的宏觀凝固組織，從而可應用其製造梯度複合材料[6]。特種鑄造包含有離心鑄造，金屬型鑄造、壓力鑄造、低壓鑄造及熔模鑄造等多種鑄造方式，能否將電磁技術應用於這些特種鑄造生產，以改善鑄件的凝固組織與結構，製造出符合要求的相關裝置，值得我們探索與思考。其次，對於材料的熱加工方法除包含鑄造加工外，還包括鍛壓生產及焊接生產。對於鍛壓件，可以採用電磁技術控制其成形過程，並且在鍛件冷卻過程中能否嘗試採用電磁技術對其固態組織與效能進行控制；對於焊接件焊接時，由於焊縫金屬凝固較快，焊縫的質量難於控制，容易產生應力及變形等缺陷，那麼，能否嘗試在焊接過程中對焊縫金屬施以電磁凝固技術，控制其凝固速度，讓焊縫化學成分趨於均勻，從而改善並提高焊縫的質量，也值得我們去研究及考證。
3.2毛坯件的生產方面
對於一些要求有較高效能的機械構件，如最常見的齒輪，軸類零件等，其毛坯件往往是選擇鍛件、軋製件或擠壓件，因為鑄造工藝不能滿足其力學效能和使用效能的要求。而鍛造生產條件差、勞動強度大，對原材料的利用率較低，且生產週期長，鍛模的製造成本高，鍛件的切削加工性差；軋製件和擠壓件的表面質量又難於控制，表面精度低，易產生裂紋等缺陷。若能對這些常用機械構件的毛坯件改用電磁鑄造的方式來生產，透過磁場力來控制鑄件的凝固過程，獲得我們所需要的微觀組織與效能，這樣，與鍛造生產相比，可以改善鍛造工人的勞動強度和工作條件，節省成本，提高原材料的利用率，減少其機械切削加工前的熱處理工序，提高生產率；與軋製與擠壓工序相比，電磁鑄造可以控制零件的表面質量，減少表面缺陷，提高力學效能。
3.3毛坯件的選材方面
不同材料的毛坯件，其本身的效能不同。如20鋼和45鋼，都屬於優質碳素結構鋼，但是由於含碳量不同，導致其力學效能不同。若均採用軋製的方式製作軸類圓鋼毛坯件，45鋼的綜合力學效能要高於20鋼。若將20鋼材料以電磁鑄造的方式凝固成形來製作圓鋼毛坯件，透過晶粒細化，獲得中心細小的等軸晶區，且可以輔助安排熱處理工序來共同提高其力學效能，從而達到45鋼軋製件的綜合要求。這樣推廣開來，不僅可大大節省原材料的成本，而且可改善不同材料的製造及應用範圍，拓展材料的利用率。
3.4零件的加工方面
要將經過熱加工製得的毛坯件應用於生產，一般均要對其進行切削加工及熱處理工序。機械切削加工的主要目的是提高零件的尺寸精度與形位精度，獲得符合裝配及使用效能要求的零部件。熱處理工序是穿插在切削加工工序中，目的是改變零件的力學效能，以滿足其加工或使用的需要。任何一種熱處理方式均包含加熱、保溫及冷卻三個步驟，不同的金屬材料在不同的熱處理方式下，其加熱溫度、保溫時間及冷卻速度均不相同。若在金屬材料熱處理工藝中採用電磁技術，觀察其對材料固態組織的影響，則可討論該技術對材料熱處理領域的影響程度與可行性。
4材料電磁凝固技術研究方向的探索
對於電磁場在材料凝固過程中的應用，國內外的研究人員已經做出了很多工作，取得了很大進展，但是對電磁場處理影響凝固組織的機理還認識不深，存在很多盲區。這不僅僅是因為電磁場處理是一門錯綜複雜的交叉領域，而且還因為其研究手段和人們思維的侷限性，這些有待於進一步研究和開發。
4.1從鑄件材料及凝固方法方面考慮
國內外科研人員對材料電磁過程技術的研究，主要集中在鋁合金、低熔點的'Pb-Sn合金、Fe-C合金及一些複合材料等方面，在其他一些合金材料的研究還相對欠缺。同時，對於旋轉磁場電磁攪拌功能的研究，大部分都集中在鋼錠的定向凝固中，對於一些採用同時凝固方法獲得的中小型薄壁鑄件，電磁凝固技術在這方面的研究和應用還有待深入與提高。
4.2磁場型別及其與電場的互動作用方面
直流磁場及交流磁場對材料凝固過程方面的研究相對比較多，而關於脈衝磁場對材料凝固過程及其凝固組織影響方面的研究工作還有待深入。訾炳濤等人[7]曾採用脈衝磁場對LY12鋁合金的凝固組織進行了處理，發現脈衝磁場不僅可以顯著細化凝固組織，而且其細化效果要明顯比脈衝電流的細化效果好。但對脈衝磁場應用方面有關的新問題、新現象認識還不夠多，相信該技術應該有較大的市場前景，可能用於大塊非晶和大塊金屬奈米晶材料的製備[8]。在磁場中通一直流電場，其對材料凝固過程的影響已得到較深入的研究。尤其是直流磁場與直流電場的互動共同作用於金屬的凝固過程，使金屬細化效果更為顯著[9]，並且已經廣泛應用於生產。但是對於交流電場或脈衝電場與交流磁場或脈衝磁場的互動作用的研究還不多，其互動作用效果對材料凝固組織的影響結果還不明確，這還需要大量的試驗研究來證明該方法的可行性與實踐性。
4.3電磁攪拌原理的獲取方式方面
在金屬凝固過程中，施加交流磁場的作用和目的就是對液相產生電磁攪拌，使金屬液處於不同於重力狀態下的結晶狀態，凝固模式發生變化，成為一種不平衡結晶，從而得到具有優良力學效能的細小晶粒組織。Kobayashi[10]等人曾用在直流磁場中低速旋轉模具的辦法來實現電磁攪拌過程，並在不鏽鋼的凝固組織中產生不同比例的等軸晶粒區。那麼，對於交流磁場獲得的電磁攪拌效果，與在直流磁場作用下透過旋轉模具的方式獲得的電磁攪拌效果，兩者對於凝固組織及機理的影響有什麼不同，這方面的研究還不明確，還有待於進一步的研究與證實。
4.4材料電磁鑄造時不同的應用引數方面
為了將材料電磁凝固技術更好地應用於鑄造生產，得出某種合金電磁鑄造的最佳方案，這還需要大量的試驗研究及總結，主要包含以下兩個方面的內容：其一，對於相同的合金成分，在不同的澆注溫度、電磁場強度及鑄型溫度下，其凝固後的微觀組織和力學效能會有何不同；其二，對於不同的合金成分，或是改變同一種合金中合金元素的含量，在相同的澆注溫度、電磁場強度及鑄型溫度下，其凝固後的微觀組織和力學效能有何不同。綜合各方面的試驗資料與結果，從而得出某種合金最佳的電磁凝固方案，包括其合金元素含量的多少、澆注溫度的範圍、電磁強度的大小及鑄型預熱溫度的取值，以便於更有效地指導及應用於生產。
5結束語
經過幾十年國內外研究人員的不懈努力，材料電磁凝固技術已經取得了很大的進展，並且在冶金生產中已得到了廣泛地應用。但是，能否拓展材料電磁凝固技術在冶金工業與材料成形加工方面的應用，讓其應用於鍛壓生產、焊接生產及材料的熱處理加工工序，這種設想的可執行性和可操作性還需要大量的試驗研究與證明。同時，我們還要拓寬材料電磁凝固技術的研究方向，讓更多的材料能應用於電磁凝固生產，並且應加大力度研究脈衝磁場及不同磁場與電場的互動作用下對材料凝固組織及效能的影響，從而讓這一技術更加完善，以便於形成一套有效的理論體系去更好地指導生產。對材料電磁凝固過程技術的研究具有深遠的意義，其研究成果將為人們進一步探索磁場作用下合金中原子和電子運動規律提供新的實踐依據和新的線索與思路。從應用的角度來看，可以運用這些新發現的實驗結果，指導人們有效地控制合金的原子結構和微組織結構，為有效改變合金的效能提供新的技術手段，拓寬電磁場在材料加工中的應用範圍，推動冶金行業的快速發展。