电磁搅拌对半固态钢铁组织的影响

D0I:10.13374j.i8sn100153x.1998.04.005 第20卷第4期 北京科技大学学报 Vol.20 No.4 1998年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.1998 电磁搅拌对半固态钢铁组织的影响 毛卫民赵爱民崔成林李彦军钟雪友 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要研究电磁搅拌对半固态铸铁初生奥氏体和弹簧钢铸态组织的作用.研究表明：铸铁在凝固 过程中，经过短时间的电磁搅拌，粗大的初生奥氏体枝晶就可以被破碎细化，而且随着搅拌功率 的加大，初生奥氏体更加球状化或非枝晶化：经过电磁搅拌，引起铸铁熔体的强烈流动和温度起 伏，加速了初生奥氏体枝晶二次臂的熔断和一次臂的缩短，最终使树枝状初生奥氏体转变为球状 的初生奥氏体.研究还表明：电磁搅拌可以明显细化弹簧钢的柱状枝晶，代之以细等轴晶. 关键词电磁搅拌：半固态金属：显微组织，铸铁；弹簧钢 分类号TG250 70年代初，Spercer在研究低熔点合金的高温热裂时，偶然发现了金属的非枝晶半固态流 变行为和它的组织、性能特点，并提出了金属非枝晶半固态成形(Nondendritic Semi-Solid Forming)新概念和新工艺l.这种新概念和新工艺引起学者们的重视，促使世界各国开展了 金属半固态成形理论和工艺研究，使低熔点的铝合金、镁合金进入了工业化应用阶段~. 在低熔点合金半固态成形研究的同时，对高熔点钢铁材料的半固态成形也进行了一定规 模的研究，Flemings等M.1.T.的学者们采用机械搅拌方法制备了AISI440C,304,4340等钢种 的半固态浆料或坯料，并进行了压铸成形试验，取得了初步成功2).另有学者采用Ospr心y或 SIMA(Strain-Induced Melt Activation)方法制备了M2高速钢的半固态坯料，进行成形研 究向，但是，机械搅拌方法中搅拌室和搅拌棒的寿命不长，搅拌棒易于污染金属；SIMA方法需 要对传统铸坏施加很大的固态变形量，只能生产小型零件毛坯；Osprey方法制备钢铁半固态 坯料过于昂贵，所以，上述几种方法只适合于研究工作，无法满足工业化生产的需要，从低熔 点合金的半固态成形来看，电磁搅拌是低熔点合金半固态坯料工业化生产的主要方法，这种 方法不会污染金属，金属浆料纯净，控制方便，因此电磁搅拌方法也应该是工业化制备钢铁半 固态坯料的主要方法.但这方面的研究才刚刚开始，因此本文初步研究了电磁搅拌对半固态 钢铁组织的影响，试图为高熔点钢铁材料的非枝晶半固态成形提供借鉴， 1试验方法 11试验材料 本试验选用铸铁和1种弹簧钢作为试验材料，因为铸铁和弹簧钢代表两大类铁-碳合金， 它们在凝固时析出的初生固相都是奥氏体树枝晶，其研究结果对铸铁、碳钢或合金钢半固态 浆料的制备具有指导意义，试验材料的成分（质量分数）为：铸铁3.4%，Si0.26%,Mn0.12%, P<0.1%,S<0.05%;弹簧钢C0.6%,Si1.83%,Mn0.7%,P,S<0.03%. 1997-09-20收稿毛卫民，男，39岁，副教授

DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1998．04．005

·332· 北京科技大学学报 I1998年第4期 1.2试验装置 金属液 本试验的电磁搅拌装置如图】所示.首先 铸型 激冷水流 将铸型预热至600℃左右，然后将约1500℃ 隔热材料 的铸铁合金液浇入铸型，立即进行电磁搅 拌，当搅拌一定时间后，立即通水激冷铸型，铸 型的内尺寸为：中90mm×(130~200)mm.弹 簧钢的浇注温度为1600℃，电磁搅拌工艺与 铸铁相同. 1.3金相组织观察 将电磁搅拌试样粗磨、细磨和抛光，用4% 硝酸酒精溶液浸蚀试样，在光学显微镜下观察 搅拌绕组激冷水套 加热电阻丝 试样的组织. 图1电磁搅拌装置示意图 2试验结果及讨论 2.1电磁搅拌对半固态铸铁初生奥氏体的影响 对铸铁作了4种不同工艺试验，搅拌功率W>W,>W>0,显微组织见图2.图中深色的球 状物就是初生奥氏体，经固态转变为珠光体.而浅色区域为共晶液相的凝固组织，即莱氏 (a 200um 图2电磁搅拌对铸铁显微组织的影响(a)1号；(b)2号；(c)3号；()4号

Vol.20 No.4 毛卫民等：电磁搅拌对半固态钢铁组织的影响 ·333· 体.试验参数见表1. 表1电磁搅拌铸铁试样的试验参数 从图2(a)可以看出，未经过电 试样号 2 3 4 56 磁搅拌的铸铁中，初生奥氏体为 搅拌功率 0 W 出 W 形 0 发达的树枝状晶体，一次臂很粗 铸型温度/℃ 600 600600600600600 大，长度约为数百至<10μm,二次 搅拌时间/min0 3 3 33 0 臂也很长.但对凝固中的铸铁进 行强烈的电磁搅拌以后，初生奥氏体的大小和形态发生了很大的变化，树枝状初生奥氏体转 变为球状或非枝晶(dedendrite)奥氏体；与未经电磁搅拌的树枝状初生奥氏体相比，电磁搅拌 后的初生奥氏体要细小得多，其大小约为不搅拌试样奥氏体枝晶二次臂的直径，见图2(b)~ (.从图2还可以看出，在较低的搅拌功率下，初生奥氏体的枝晶形态较明显，而且也较粗大； 只有当搅拌功率增大到一定大小，初生奥氏体才变得细小，形似球状.这是因为搅拌功率加 大，金属熔体旋转的速度增加，紊流加剧，这种激烈搅拌是引起铸铁初生奥氏体枝晶形态和大 小变化的重要条件. 如果铸铁熔体在重力作用下凝固，初生奥氏体枝晶发达，见图3()，而且当析出奥氏体枝 晶时，熔体中固液界面处会产生明显的溶质（即碳）富集，尤其是二次臂根部溶质的富集更明 显，因为此处的溶质很难扩散出这个区域.虽然激烈的电磁搅拌会引起强烈的紊流，使一次臂 或二次臂端部的溶质富集层变薄或消失，但难以改变奥氏体二次枝晶臂根部溶质富集的程 度，所以枝晶根部存在枝晶臂熔断的溶质富集条件，只要存在合适的温度条件，就可以引发二 次臂的迅速熔断，引起奥氏体枝晶的细化，当铸铁熔体在重力作用下凝固时，试样内外的温 度差较大，但当进行激烈的电磁搅拌时，熔体发生激烈的紊流，促使熔体温度的均匀化，这样 可能会引起奥氏体枝晶二次臂根部的过热，使得二次臂熔断.另外，若刚刚析出的奥氏体小枝 晶被运动的熔体带入较热的试样中心区域，奥氏体小枝晶的温度可能会升高，也会引起枝晶 的熔断，所以电磁搅拌会引起铸铁熔体温度起伏的加剧，这一点可能是奥氏体枝晶细化的另 一主要原因.图3(b)中箭头所指的奥氏体枝晶二次臂尚未熔断，但二次臂根部已经很细小，继 续搅拌就可以使其熔断 0m ,50um 图3铸铁半固态显微组织：()1号，b)3号试样；箭头指向二次臂根部 有学者认为：在AI-Si合金的半固态两相区，α-Al枝晶的塑性很好，不会发生枝晶臂的折 断，只可能引起弹性或塑性变形).本文作者也认为：处于液固两相区的初生奥氏体的塑性也

·334 北京科技大学学报 1998年第4期 很好，当奥氏体枝晶臂受力时，也不可能折断，只可能发生弹性变形或塑性变形，如图3b)A 处的二次臂发生了一定的弯曲变形.另外，奥氏体枝晶在流动中可以转动，当作用在枝晶臂上 的流体动力较大时，枝晶可以通过转动来减小枝品臂所受的力，因此枝晶臂就更不可能折断 了.当然，在激烈的搅拌时，奥氏体枝晶可能会发生碰撞，其撞击力在二次臂根部产生的应力 可能会大于奥氏体枝晶的σ，这会引起奥氏体枝晶臂的弯曲变形.试验中还发现：铸铁在不搅 拌的条件下，一次主干很长，但经过电磁搅拌后，一次臂也变短了，这可能与改变固液界面的 溶质浓度场和温度场有关，总之，磁搅拌引起铸铁熔体温度起伏的加剧和枝晶臂的熔断是电 磁搅拌影响铸铁半固态组织的主要原因， 2.2电磁搅拌对弹簧钢组织的影响 为研究电磁搅拌对弹簧钢铸态组织的影响，设计了2个试验，试验条件见表1中的5号、6 号试样，其铸态组织见图4.从图4可以看出，未经电磁搅拌弹簧钢中存在严重的柱状枝晶，由 试样边缘伸向心部，中心有一些较粗大的等轴晶.但对弹簧钢熔体进行强烈电磁搅拌，试样的 柱状枝晶消失，代之以细等轴晶，这说明电磁搅拌可以明显地细化奥氏体柱状枝晶.由于凝固 时间过长，在激冷铸型弹簧钢已经完全凝固，所以组织中没有出现半固态组织形貌的一般特 点，只以细等轴晶的形貌出现，这是弹簧钢凝固后的必然结果.弹簧钢凝固时析出的固相是奥 氏体，它们一般都呈枝品形态，在析出这些枝晶时都会排除溶质（碳），所以弹簧钢熔体在电磁 搅拌条件下，只要激冷条件适当，其半固态组织也会出现与铸铁相类似的结果. (3 西7 200um 图4电磁搅拌后的弹簧钢显微组织：()5号试样；b)6号试样 3 结论 电磁搅拌可以充分细化铸铁的初生奥氏体，并改变其形态，使初生奥氏体成为球状.有 生奥氏体细化和球化的原因是电磁搅拌加速了初生奥氏体枝晶二次臂的熔断和一次臂的缩 短.电磁搅拌也可以明显细化弹簧钢的初生奥氏体枝晶，代之以细等轴晶， 参考文献 1 Spencer D B,Mehrabian R,Flemings M C.Rheological Behaviour of Sn-15pct Pb in the Crystallization Range.Metall Trans,1972,3(A):1925

Vol.20 No.4 毛卫民等：电磁搅拌对半固态钢铁组织的影响 ·335· 2 Flemings M C.Behaviour of Metal Alloys in the Semi-solid State.Metall Trans,1991,22(A):957 3 Brown S B,Flemings M C.Net-shape Forming via Semi-solid Processing.Adv Mater Process,1993, 143:36 4 Midson S P.The Commercial Status of Semi-solid Casting in the USA.In:Kirkwood D H,Kapranos P,eds.The 4th Int Conf on Semi-Solid Processing of Alloys and Compositions.UK:University of Sheffield,1996.251 5 Flemings M C,Young K P.Riek R G.Thixocasting of Steel.In:9th SDCE Interational Die Casting Exposition Congress.Milwaukee,Wisconsin,USA,1977.G-T77-092 6 Kapranos P,Kirkwood D H,Sellars C M.Thixoforrming High Point Alloys into Non-metallic Dies. In:Kirkwood D H,Kapranos P,eds.The 4th Int Conf on Semi-Solid Process-ing of Alloys and Compositions.UK:University of Sheffield,1996.306 7 Hellawell A.Grain Evolution in Conventional and Rheocastings.In:Kirkwood D H,Kapranos P,eds. The 4th Int Conf on Semi-Solid Processing of Alloys and Compositions.UK:University of Sheffield, 1996.60 Effect of Electromagnetic Stirring on the Primary Austinite in the Semi-Solid Cast Iron and Spring Steel Mao Weimin Zhao Aimin Cui Chenglin Li Yanjun Zhong Xueyou Material Science and Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083.China ABSTRACTS The effects of electromagnetic stirring on the primary austenite in the cast iron and as-caststructures of the spring steel was studied.The experiments had shown that the primarily large austenitic dendrites can be fined when stirred by electromagnetic field for a short time and the higher the stirring power,the more sphercal or dedendritic the primary austenite,and that the fluid flow and temperature fluctuation of the melt may be induced by stirring,and accelerate the remelting of the second arm and decrease of the length of the first arm so that the primarily dendritic austenite is changed to spherical shape finally.That the column dendrites of the samples of spring steel can be also fined by the strong electromagnetic stirring and changed into fine equiaxed grains. KEY WORDS electromagnetic stirring;semi-solid metal;microstructure;cast iron;spring steel