环缝式电磁搅拌工艺对A357铝合金组织的影响

D0I:10.13374/i.issnl100103x.2010.09.022 第32卷第9期 北京科技大学学报 Vo132 No 9 2010年9月 Journal ofUniversity of Science and Techno pgy Beijing Se92010 环缝式电磁搅拌工艺对357铝合金组织的影响 陈兴润张志峰梁博白月龙徐骏 北京有色金属研究总院国家有色金属复合材料工程技术研究中心北京10O088 摘要采用环缝式电磁搅拌流变连续铸造技术制备A357铝合金铸坯分析了搅拌电流、搅拌率和搅拌缝隙宽度对坯料 显微组织的影响规律.结果表明：环缝式电磁搅拌流变连续铸造技术制备的A357铝合金铸坯的显微组织从边部到心部分布 比较均匀，初生αa(A)相为球状或蔷薇状：随着搅拌电流或频率的增大，铸坯显微组织中蔷薇状初生α(A相明显减少，球状 初生α(AD相形貌越趋圆整：较小的搅拌缝隙宽度有利于获得均匀细小、球状的凝固组织. 关键词铝合金：浆料流变铸造；电磁搅拌 分类号TG292 Effect of annular electromagnetic stirring (A-FMS)on the m icrostructure of A357 alum inum alby CHEN Xing_un ZHANG Zhi fng L.IANG B9 BAI Yue long XU Jun Na tiona IErg inee ring&Technobgy Research Center orNon femous Men IMa trix Composites General Research Instite for Non ferous Met Beijing 100088Chna ABSTRACT A357 akm inum alpy bilets were continuousy theocast by annular electromnagnetic stiming (A-EMS)and the effects of stirrng current stirring frequency and annular gap width on billetmicostuctures wee analyzed It is shown thatmore unipm m i crostrucures of A357 aim num alloy billets from he edge p center can be produced by A-EMS and the prinaw a (Al)Phase is spherical or rosette like W ith hhe stirrng current or the stirring frequency ncreasng the osete lke prin ava(Al phase decreases sgnifican tly on he billetmicostructures and the nondendritic prmarya (A)is fier admore spherical Narrow annular gap is ad vantageous to obtin unifom y fne spherical solidificatpn structures KEY WORDS akminum alpys surries heocasting electromnagnetic stirring 电磁搅拌技术由于具有不污染金属熔体、控制上，本文结合连续铸造工艺开展环缝式电磁搅拌流 操作方便等独特的优点而获得了较为广泛的应用， 变成形工艺实验研究主要分析了电流、频率和搅拌 现已成为半固态金属坯料主要的生产方式1-.但 缝隙宽度对半连续铸坯显微组织的影响规律， 是，交变电磁场固有的集肤效应往往导致半固态浆 1实验方法 (坯料组织不均匀、难于制备大尺寸坯料等问题 为了解决这些问题前期研究在电磁搅拌的基础 11实验装置 上【6，通过把电磁搅拌与环缝式制浆室巧妙结合， 图1为环缝式电磁搅拌流变连续铸造装置结构 提出了环缝式电磁搅拌制备半固态浆料的新方 示意图.主要由冷却器、熔炉、导流管、结晶器、电磁 法[.该方法将交变电磁场集肤效应的劣势转变 搅拌器、水箱和连铸引伸机构等组成.采用中频感 为优势，充分利用集肤效应层磁感应强度高、剪切强 应炉化料，其熔化铝合金的最大质量为150kg 度和剪切速率大的优点，实现半固态浆料强制均匀 1.2实验合金 凝固，获得组织细小均匀的半固态坯料.在此基础 实验合金采用商业铝合金A357通过直读光谱 收稿日期：2009-09-27 基金项目：国家重点基础蹰究规划计划资助项目(N92006C05203方国家高技术研究发展计划资助项目(N92009A03534) 作者简介：陈兴润(198S一，男.顾士研究生：张志峰(1970-，男.教授级高级工程师博士，Em时hg色四cm

第 32卷 第 9期 2010年 9月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.32 No.9 Sep.2010 环缝式电磁搅拌工艺对 A357铝合金组织的影响 陈兴润 张志峰 梁 博 白月龙 徐 骏 北京有色金属研究总院国家有色金属复合材料工程技术研究中心, 北京 100088 摘 要 采用环缝式电磁搅拌流变连续铸造技术制备 A357 铝合金铸坯, 分析了搅拌电流、搅拌频率和搅拌缝隙宽度对坯料 显微组织的影响规律.结果表明:环缝式电磁搅拌流变连续铸造技术制备的 A357 铝合金铸坯的显微组织从边部到心部分布 比较均匀, 初生 α(Al)相为球状或蔷薇状;随着搅拌电流或频率的增大, 铸坯显微组织中蔷薇状初生 α(Al)相明显减少, 球状 初生 α(Al)相形貌越趋圆整;较小的搅拌缝隙宽度有利于获得均匀细小、球状的凝固组织. 关键词 铝合金;浆料;流变铸造;电磁搅拌 分类号 TG292 Effectofannularelectromagneticstirring(A-EMS)onthemicrostructureof A357 aluminumalloy CHENXing-run, ZHANGZhi-feng, LIANGBo, BAIYue-long, XUJun NationalEngineering＆ TechnologyResearchCenterforNon-ferrousMetalMatrixComposites, GeneralResearchInstituteforNon-ferrousMetals, Beijing 100088, China ABSTRACT A357 aluminumalloybilletswerecontinuouslyrheocastbyannularelectromagneticstirring(A-EMS), andtheeffects ofstirringcurrent, stirringfrequencyandannulargapwidthonbilletmicrostructureswereanalyzed.Itisshownthatmoreuniformmi￾crostructuresofA357 aluminumalloybilletsfromtheedgetocentercanbeproducedbyA-EMS, andtheprimaryα(Al)phaseis sphericalorrosette-like.Withthestirringcurrentorthestirringfrequencyincreasing, therosette-likeprimaryα(Al)phasedecreases significantlyonthebilletmicrostructures, andthenondendriticprimaryα(Al)isfinerandmorespherical.Narrowannulargapisad￾vantageoustoobtainuniformlyfinesphericalsolidificationstructures. KEYWORDS aluminumalloys;slurries;rheocasting;electromagneticstirring 收稿日期:2009--09--27 基金项目:国家重点基础研究规划计划资助项目(No.2006CB605203);国家高技术研究发展计划资助项目(No.2009AA03Z534) 作者简介:陈兴润(1985— ), 男, 硕士研究生;张志峰(1970— ), 男, 教授级高级工程师, 博士, E-mail:zhangzf@grinm.com 电磁搅拌技术由于具有不污染金属熔体 、控制 操作方便等独特的优点而获得了较为广泛的应用 , 现已成为半固态金属坯料主要的生产方式 [ 1--5] .但 是 ,交变电磁场固有的集肤效应往往导致半固态浆 (坯)料组织不均匀、难于制备大尺寸坯料等问题 . 为了解决这些问题, 前期研究在电磁搅拌的基础 上 [ 6--7] ,通过把电磁搅拌与环缝式制浆室巧妙结合 , 提出了环缝式电磁搅拌制备半固态浆料的新方 法 [ 8--10] .该方法将交变电磁场集肤效应的劣势转变 为优势 ,充分利用集肤效应层磁感应强度高、剪切强 度和剪切速率大的优点, 实现半固态浆料强制均匀 凝固, 获得组织细小均匀的半固态坯料.在此基础 上, 本文结合连续铸造工艺开展环缝式电磁搅拌流 变成形工艺实验研究,主要分析了电流 、频率和搅拌 缝隙宽度对半连续铸坯显微组织的影响规律 . 1 实验方法 1.1 实验装置 图 1为环缝式电磁搅拌流变连续铸造装置结构 示意图.主要由冷却器、熔炉 、导流管 、结晶器 、电磁 搅拌器、水箱和连铸引伸机构等组成 .采用中频感 应炉化料 ,其熔化铝合金的最大质量为 150 kg. 1.2 实验合金 实验合金采用商业铝合金 A357, 通过直读光谱 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2010.09.022

。1176 北京科技大学学报 第32卷 电源加热熔化，经过氮气除气、精炼和扒渣后开始连 中频加热炉 铸.连铸过程中，在冷却水和电磁力的作用下，贴近 冷却器 结晶器内壁的熔体快速凝固，形成凝固壳层，壳层内 的熔体在搅动中逐渐凝固.随着合金熔体的凝固， 热顶 牵引设备下降，最终铸造出规格为中80m以 1000m的半固态坯料.截取中80mmy40mm试样 导流管 水箱 的1/4作为金相试样，经过粗磨、细磨和抛光后，用 电磁搅拌器 质量分数0.%的HF水溶液对试样进行腐蚀，最后 结品器 采用Zeis光学显微镜观察金相组织，利用MIAPS 软件分析初生相形貌.试样截取示意图如图2 半固态坯料 所示. 图1环缝式电磁搅拌流变连续铸造装置结构示意图 Fg 1 Schema tic view of rhea continuous cast ing appartus with an nular electmomagnetic stimng 分析其成分，结果见表1经过差示扫描热分析仪 (型号STA4O9P℃测定所用合金的液相线和固相线 边部中部心部 分别为613℃和557℃.该合金是目前国外应用较 图2金相试样的截取位置示意图 多的半固态成形铝合金，因此研究该合金的半固态连 Fg 2 Schematic map of intereeting positin of a mealkgmaphic 铸制备和组织形成规律具有更重要的实际意义山， sample 表1A357铝合金的化学成分（质量分数） TabeI Chem ical composition ofA357 akm nm alby 2 实验结果及讨论 Si Mg Fe Zn Cu AI 2.1环缝式电磁搅拌连续铸造工艺对铸坯组织的 7.060 0530<0025<0.011<0020余量 影响 1.3实验工艺 图3为用环缝式电磁搅拌流变连续铸造工艺制 实验先将A357铝合金在石墨坩埚炉中用中频 备的357坯料径向不同部位的显微组织.工艺参 b 100μm 1004m 100四 图3环缝式电磁搅拌连续铸造工艺制备的A357坯料径向不同部位的显微组织。（两坯料边部：(b)坯料中部：(9坯料心部 Fig 3 Microstructures in the rdal direction of A357 billets continuouspy cast by A-EMS at diffe entpositins (a)edge (b)m iddle (c)center

北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 图 1 环缝式电磁搅拌流变连续铸造装置结构示意图 Fig.1 Schematicviewofrheo-continuouscastingapparatuswithan￾nularelectromagneticstirring 分析其成分 , 结果见表 1.经过差示扫描热分析仪 (型号 STA409PC)测定所用合金的液相线和固相线 分别为 613 ℃和 557 ℃.该合金是目前国外应用较 多的半固态成形铝合金,因此研究该合金的半固态连 铸制备和组织形成规律具有更重要的实际意义 [ 11] . 图 3 环缝式电磁搅拌连续铸造工艺制备的 A357坯料径向不同部位的显微组织.(a)坯料边部;(b)坯料中部;(c)坯料心部 Fig.3 MicrostructuresintheradialdirectionofA357 billetscontinuouslycastbyA-EMSatdifferentpositions:(a)edge;(b)middle;(c)center 表 1 A357铝合金的化学成分(质量分数) Table1 ChemicalcompositionofA357 aluminumalloy % Si Mg Fe Zn Cu Al 7.060 0.530 <0.025 <0.011 <0.020 余量 1.3 实验工艺 实验先将 A357铝合金在石墨坩埚炉中用中频 电源加热熔化 ,经过氮气除气 、精炼和扒渣后开始连 铸.连铸过程中, 在冷却水和电磁力的作用下 ,贴近 结晶器内壁的熔体快速凝固 ,形成凝固壳层 ,壳层内 的熔体在搅动中逐渐凝固 .随着合金熔体的凝固, 牵引 设 备 下 降, 最 终 铸 造 出 规格 为 80 mm× 1 000 mm的半固态坯料 .截取 80 mm×40 mm试样 的 1/4作为金相试样 ,经过粗磨、细磨和抛光后, 用 质量分数 0.5%的 HF水溶液对试样进行腐蚀 ,最后 采用 Zeiss光学显微镜观察金相组织 , 利用 MIAPS 软件分析初生相形貌.试样截取示意图如图 2 所示 . 图 2 金相试样的截取位置示意图 Fig.2 Schematicmapofinterceptingpositionofametallographic sample 2 实验结果及讨论 2.1 环缝式电磁搅拌连续铸造工艺对铸坯组织的 影响 图 3为用环缝式电磁搅拌流变连续铸造工艺制 备的 A357坯料径向不同部位的显微组织.工艺参 · 1176·

第9期 陈兴润等：环缝式电磁搅拌工艺对A357铝合金组织的影响 1177 数为：浇注温度750℃，连铸速度20mmr,冷却 了优势，充分利用了集肤效应层磁感应强度高、剪切 水压0.08MP?搅拌电流80A搅拌频率30H?石墨 强度和速率大的优点，这样就提高了熔体的搅拌效 冷却器直径40m从图3可以看出，环缝式电磁搅 率加速了熔体的散热使熔体内温度场、浓度场更 拌连续铸造技术制备的铸坯组织无论是边部、中 均匀，有效形核率提高。晶粒细化，获得的显微组 部，还是心部，都是由球状或者蔷薇状的初生α(A) 织更加细小均匀.另外，插入石墨冷却器可使导流 相构成. 管熔体心部的热量迅速通过石墨冷却器散去，在熔 普通电磁搅拌和环缝式电磁搅拌均是采用电磁 体中形成自导流管内壁向熔体心部温度逐渐降低的 搅拌作为外力场对熔体实施搅拌，使A357铝合金 温度场，结晶器内壁和冷却器外壁激冷所产生的晶 熔体逐渐凝固，得到初生非枝晶组织的过程.但是， 核在这样的温度场中的存活率会更高.同时，强烈 二者对熔体的搅拌效果和散热效果却存在明显的区 搅拌作用的存在也使初生相的团聚现象大大减轻 别.在普通电磁搅拌连续铸造工艺中，铸坯边部的 这些都利于浆料质量的提高， 组织主要与结晶器中铸坯的冷却条件有关，靠近结 2.2搅拌电流对铸坯组织的影响 晶器的坯料表层冷却过快，还未来得及被搅拌就己 搅拌电流是半固态坯料制备过程中的一个重要 经形成了一层细枝晶-.心部和中部的组织差 参数.图4为浇注温度750℃连铸速度20mm 异比较大，主要是因为铝合金熔体受到的搅拌力边 mr1、冷却水压008MP频率30H和石墨冷却 缘大、内部小，搅拌的不均匀性很明显，导致温度场 器直径40m时，采用环缝式电磁搅拌流变连续铸 分布不均匀，最终铸坯组织呈现典型的三晶带特征. 造工艺，在不同搅拌电流条件下制备的A357铝合 采用环缝式电磁搅拌连续铸造工艺，石墨冷却器的 金坯料心部的显微组织.从图4中可以看出，随着 加入使熔体主要集中在石墨冷却器和导流管共同形 搅拌电流的增大，铸坯显微组织中蔷薇状初生相数 成的圆腔内，将交变电磁场集肤效应的劣势转变为 量明显减少，球状晶逐渐增多 h 100um 100m 100um 图4搅拌电流对357铝合金坯料显微组织的影响.(20A(b)40A(9)80A Fg4 Effect of stirrng cumrent on them icrostrucures of A357 akm inumn allo bille ts (a)20A (b)40A (C)80A 造成组织变化的主要原因为是搅拌电流越大， 的热交换也越剧烈，温度场也越均匀，也越有利于初 磁感应强度的增加越明显，熔体所受的电磁力也就 生α(AD晶核的大量形成和获得细小的组织.同 越大.较大的电磁力有利于熔体的搅拌和换热及温 时，剧烈的搅拌会加强溶质的扩散和流动，促进合金 度场的均匀化，电磁搅拌力越大，熔体的搅拌越剧 熔体内部溶质场的均匀化，减薄α(A品粒周围的 烈.剧烈搅拌可促进熔体的换热，搅拌越剧烈，熔体 热扩散层和溶质扩散边界层的厚度，减小成分过冷

第 9期 陈兴润等:环缝式电磁搅拌工艺对 A357铝合金组织的影响 数为:浇注温度 750℃,连铸速度 20 mm·min -1 ,冷却 水压 0.08 MPa,搅拌电流 80A,搅拌频率 30Hz,石墨 冷却器直径 40 mm.从图 3可以看出 ,环缝式电磁搅 拌连续铸造技术制备的铸坯组织, 无论是边部、中 部 ,还是心部 ,都是由球状或者蔷薇状的初生 α(Al) 相构成 . 普通电磁搅拌和环缝式电磁搅拌均是采用电磁 搅拌作为外力场对熔体实施搅拌 , 使 A357铝合金 熔体逐渐凝固,得到初生非枝晶组织的过程.但是 , 二者对熔体的搅拌效果和散热效果却存在明显的区 别 .在普通电磁搅拌连续铸造工艺中 , 铸坯边部的 组织主要与结晶器中铸坯的冷却条件有关 , 靠近结 晶器的坯料表层冷却过快 , 还未来得及被搅拌就已 经形成了一层细枝晶 [ 11--12] .心部和中部的组织差 异比较大,主要是因为铝合金熔体受到的搅拌力边 缘大、内部小 ,搅拌的不均匀性很明显, 导致温度场 分布不均匀 ,最终铸坯组织呈现典型的三晶带特征 . 采用环缝式电磁搅拌连续铸造工艺, 石墨冷却器的 加入使熔体主要集中在石墨冷却器和导流管共同形 成的圆腔内 ,将交变电磁场集肤效应的劣势转变为 了优势,充分利用了集肤效应层磁感应强度高、剪切 强度和速率大的优点 ,这样就提高了熔体的搅拌效 率, 加速了熔体的散热, 使熔体内温度场 、浓度场更 均匀 [ 13] ,有效形核率提高, 晶粒细化, 获得的显微组 织更加细小均匀 .另外 ,插入石墨冷却器可使导流 管熔体心部的热量迅速通过石墨冷却器散去, 在熔 体中形成自导流管内壁向熔体心部温度逐渐降低的 温度场,结晶器内壁和冷却器外壁激冷所产生的晶 核在这样的温度场中的存活率会更高 .同时, 强烈 搅拌作用的存在也使初生相的团聚现象大大减轻, 这些都利于浆料质量的提高 . 2.2 搅拌电流对铸坯组织的影响 搅拌电流是半固态坯料制备过程中的一个重要 参数 .图 4为浇注温度 750 ℃、连铸速度 20 mm· min -1 、冷却水压 0.08 MPa、频率 30 Hz和石墨冷却 器直径 40 mm时,采用环缝式电磁搅拌流变连续铸 造工艺 , 在不同搅拌电流条件下制备的 A357 铝合 金坯料心部的显微组织.从图 4 中可以看出, 随着 搅拌电流的增大, 铸坯显微组织中蔷薇状初生相数 量明显减少,球状晶逐渐增多 . 图 4 搅拌电流对 A357铝合金坯料显微组织的影响.(a)20A;(b)40A;(c)80A Fig.4 EffectofstirringcurrentonthemicrostructuresofA357 aluminumalloybillets:(a)20A;(b)40A;(c)80A 造成组织变化的主要原因为是搅拌电流越大 , 磁感应强度的增加越明显 , 熔体所受的电磁力也就 越大.较大的电磁力有利于熔体的搅拌和换热及温 度场的均匀化 , 电磁搅拌力越大, 熔体的搅拌越剧 烈 .剧烈搅拌可促进熔体的换热, 搅拌越剧烈, 熔体 的热交换也越剧烈 ,温度场也越均匀,也越有利于初 生 α(Al)晶核的大量形成和获得细小的组织.同 时, 剧烈的搅拌会加强溶质的扩散和流动,促进合金 熔体内部溶质场的均匀化 ,减薄 α(Al)晶粒周围的 热扩散层和溶质扩散边界层的厚度,减小成分过冷, · 1177·

1178 北京科技大学学报 第32卷 抑制树枝晶生长，促进晶粒形貌向近球状或蔷薇状 20mmr,冷却水压0.08MP9石墨冷却器直径 转化.此外，大的搅拌电流引起的熔体剧烈搅拌会 40四从图5可以看出，搅拌频率对坯料的组织影 增大初生a(A组织之间的碰撞作用，有利于枝晶 响较大.搅拌频率为10H附，浆料初生相组织以粗 的破碎，促进其形貌的圆整 大的蔷薇状为主，还存在一定的树枝晶.当搅拌频 2.3搅拌频率对铸坯组织的影响 率增大至30H时，初生相组织发生较大变化，树枝 搅拌频率是连续铸造过程中输入变频搅拌器的 晶组织大大减少，仍然以蔷薇状为主，还出现少量的 频率，也是浆料制备过程中的一个重要参数.图5球状晶粒.当搅拌频率继续增大到50H附，蔷薇状 为不同搅拌频率下采用环缝式电磁搅拌流变连续铸 组织大大减少，组织形貌以球状组织为主，晶粒细 造工艺制备的357铝合金坯料心部显微组织.实 小，分布均匀.这就说明随着搅拌频率的增大，铸坯 验条件：浇注温度750℃搅拌电流80A连铸速度 初生相的组织形貌越来越好 100m 1004m 100um 图5搅拌频率对A357铝合金连铸坯坯料显微组织的影响.(10H2(b)30H2(950Hz Fg5 Effect of stirring frequency an them icrostrucures of A357 akm num alk billets (a 10Hz (b)30 Hz (C)50 Hz 在采用环缝式电磁搅拌流变连续铸造工艺制备 不均匀.采用环缝式电磁搅拌流变连续铸造技术 A357铝合金坯料的过程中，搅拌频率的变化实质上 时，合金浆料是在狭窄的环缝中被剪切，感应电流在 是磁场转速的变化.根据电机原理可知，旋转磁场 浆料内的衰减变化不大，浆料受到的搅拌力比较均 转速=60f/P式中，为电源频率，P为线圈的 匀，即使在50H的搅拌频率下仍能获得良好的半 极对数.电源频率越高。旋转磁场的转速越高，相应 固态组织. 的金属熔体的搅拌也越剧烈.熔体的搅拌越剧烈， 2.4搅拌缝隙宽度对坯料组织的影响 紊流程度越大，熔体的温度场和成分场也更加均匀， 搅拌缝隙宽度是导流管内壁与冷却器外壁之间 越有利于获得细小的初生α(A组织，同时也越有 的环缝宽度.在导流管中分别插入中20m四中40mm 利于促进初生α(A阻织向球形转化. 和中60m的三种石墨冷却器形成搅拌宽度分别为 30.20和10m的环缝.在搅拌电流80A频率 感应电流的趋肤深度可以用=5030 N计 50Hz浇注温度750℃、连铸速度20mmr和冷 算.式中，P为合金熔体的电阻率，为合金熔体 却水压0.08MP的实验条件下采用环缝式电磁搅 的相对磁导率，为电源频率.由此可知，频率越大， 拌流变连续铸造技术制备357铝合金，坯料心部 趋肤深度越小，感应电流在浆料内部的衰减越明显， 显微组织如图6所示.当搅拌缝隙宽度为30mm 普通电磁搅拌连续铸造工艺中浆料受到的搅拌力越 时，得到的初生α(A品粒尺寸较大，组织形貌呈蔷

北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 抑制树枝晶生长 ,促进晶粒形貌向近球状或蔷薇状 转化.此外 ,大的搅拌电流引起的熔体剧烈搅拌会 增大初生 α(Al)组织之间的碰撞作用, 有利于枝晶 的破碎 ,促进其形貌的圆整 . 2.3 搅拌频率对铸坯组织的影响 搅拌频率是连续铸造过程中输入变频搅拌器的 频率, 也是浆料制备过程中的一个重要参数.图 5 为不同搅拌频率下采用环缝式电磁搅拌流变连续铸 造工艺制备的 A357铝合金坯料心部显微组织.实 验条件 :浇注温度 750 ℃, 搅拌电流 80 A, 连铸速度 20 mm·min -1 ,冷却水压 0.08 MPa,石墨冷却器直径 40 mm.从图 5可以看出 ,搅拌频率对坯料的组织影 响较大.搅拌频率为 10Hz时 ,浆料初生相组织以粗 大的蔷薇状为主 ,还存在一定的树枝晶 .当搅拌频 率增大至 30Hz时,初生相组织发生较大变化 ,树枝 晶组织大大减少,仍然以蔷薇状为主,还出现少量的 球状晶粒 .当搅拌频率继续增大到 50 Hz时 ,蔷薇状 组织大大减少, 组织形貌以球状组织为主, 晶粒细 小,分布均匀.这就说明随着搅拌频率的增大 ,铸坯 初生相的组织形貌越来越好 . 图 5 搅拌频率对 A357铝合金连铸坯坯料显微组织的影响.(a)10Hz;(b)30Hz;(c)50Hz Fig.5 EffectofstirringfrequencyonthemicrostructuresofA357 aluminumalloybillets:(a)10Hz;(b)30Hz;(c)50Hz 在采用环缝式电磁搅拌流变连续铸造工艺制备 A357铝合金坯料的过程中 ,搅拌频率的变化实质上 是磁场转速的变化.根据电机原理可知 ,旋转磁场 转速 n0 =60f1 /P.式中 , f1为电源频率 , P为线圈的 极对数 .电源频率越高,旋转磁场的转速越高, 相应 的金属熔体的搅拌也越剧烈.熔体的搅拌越剧烈 , 紊流程度越大,熔体的温度场和成分场也更加均匀 , 越有利于获得细小的初生 α(Al)组织, 同时也越有 利于促进初生 α(Al)组织向球形转化. 感应电流的趋肤深度可以用 δ=5 030 ρ μf 计 算 [ 14] .式中, ρ为合金熔体的电阻率 , μ为合金熔体 的相对磁导率, f为电源频率.由此可知 ,频率越大 , 趋肤深度越小,感应电流在浆料内部的衰减越明显 , 普通电磁搅拌连续铸造工艺中浆料受到的搅拌力越 不均匀.采用环缝式电磁搅拌流变连续铸造技术 时, 合金浆料是在狭窄的环缝中被剪切 ,感应电流在 浆料内的衰减变化不大, 浆料受到的搅拌力比较均 匀, 即使在 50 Hz的搅拌频率下仍能获得良好的半 固态组织 . 2.4 搅拌缝隙宽度对坯料组织的影响 搅拌缝隙宽度是导流管内壁与冷却器外壁之间 的环缝宽度.在导流管中分别插入 20mm、 40mm 和 60 mm的三种石墨冷却器形成搅拌宽度分别为 30、20 和 10 mm的环缝.在搅拌电流 80 A、频率 50 Hz、浇注温度 750 ℃、连铸速度 20 mm·min -1和冷 却水压 0.08 MPa的实验条件下采用环缝式电磁搅 拌流变连续铸造技术制备 A357铝合金 , 坯料心部 显微组织如图 6 所示 .当搅拌缝隙宽度为 30 mm 时, 得到的初生 α(Al)晶粒尺寸较大, 组织形貌呈蔷 · 1178·

第9期 陈兴润等：环缝式电磁搅拌工艺对A357铝合金组织的影响 1179 薇状，如图6(a所示；当搅拌缝隙宽度为20m时， 隙宽度为10时，初生a(A品粒尺寸减小，形貌 蔷薇状组织大幅减少，如图6(b)所示：而当搅拌缝 呈近球状，如图6（所示. 1004m 100u 100m 图6缝隙宽度对$57铝合金坯料显微组织的影响.(a)30m四(b)20m四(910mm Fg 6 Effect of gap wi th on them icostrucures ofA357 alm num alby billets (a 30 mm (b)20mm (c)10mm 出现这种现象的主要原因是357铝合金浆料 粒尺寸也比较细小 受到的剪切强度不同，根据Spencer和Flem ings's (2)环缝式电磁搅拌流变连续铸造工艺下，随 的计算方法剪切连率了会式 着搅拌电流或者搅拌频率的增大，铸坯显微组织中 蔷薇状初生a(A相明显减少，球状的初生α(Ab 中，，为旋转角速度。R为导流管内径，为冷却器外 形态也越趋圆整. 径，为旋转磁场转速.由此可见，随着搅拌缝隙宽 (3)随着搅拌缝隙宽度的减小，蔷薇状组织大 度的逐渐减小，357铝合金受到的剪切速率越来越 幅减少，初生Q（A品粒尺寸也不断减小. 大，熔体的搅动也越来越剧烈，而熔体的剧烈搅动有 参考文献 利于其温度场和成分场更加均匀.另外，铝合金熔 体受到的冷却强度也不同.随着搅拌缝隙宽度的减 [I]KangCG Bae JW Km B M The gran siae control of A356 a kminum alky by horizntal elec tromagne tic stiming fr theobgy 小，合金熔体以“薄膜”的形式流经缝隙，单位体积 ging JMa ter P roces Technol 2007 187/188 344 熔体的冷却面积增加，熔体的冷却强度加大同时熔 ZoquiE J PaesM EsSadAiE Mac nandmicrostucure aa ysis 体的温度场分布更均匀，有利于熔体“凝固初期晶 of SSMA356 Poduced by e kctomagnetic stirring JMater Process 核瞬间大量生成，有利于获得细小的组织.因此， Technol2002120(1-3片365 对于环缝式电磁搅拌流变连续铸造技术来说，在保 【3犭Stenbach S RateL The efectof otatingm图etic fels an the m icrostrucure of direct ionally solidified AlSiMg a lkw Ma ter Sci 证铸造工艺的前提下，为了促进“凝固初期晶核”的 EngA2005413/414200 大量增加，得到晶粒细小的半固态组织采用较小的 [4 MaoW M Lin H BaiY L et al New me thol or he prepamtin 搅拌缝隙宽度是有效措施之一· of sm isolid ASiMg alby suumy J Univ Sci Tednol Beiing 200714(1):56 3结论 [5 RajM Pandey JC Optmizatin ofe lecumagnet ic stimng n con tinuousy cast steel bilkets using ultrasonic C_scan maging tech (1)环缝式电磁搅拌流变连续铸造工艺制备的 nHue Iommaking Steemak ing 2008 35(4)288 A357铝合金坯料组织，无论是边部、中部，还是心 I6 ZhangZ F Xu J ShiL K Study on multple electromnagnetic 部，都是由球状或者蔷薇状的初生α(A相构成晶 contnuaus casng of akmnum alky JMater SciTechnal 2006

第 9期 陈兴润等:环缝式电磁搅拌工艺对 A357铝合金组织的影响 薇状,如图 6(a)所示;当搅拌缝隙宽度为 20 mm时 , 蔷薇状组织大幅减少, 如图 6(b)所示;而当搅拌缝 隙宽度为 10 mm时 ,初生 α(Al)晶粒尺寸减小,形貌 呈近球状 ,如图 6(c)所示 . 图 6 缝隙宽度对 A357铝合金坯料显微组织的影响.(a)30mm;(b)20mm;(c)10mm Fig.6 EffectofgapwidthonthemicrostructuresofA357 aluminumalloybillets:(a)30mm;(b)20mm;(c)10mm 出现这种现象的主要原因是 A357铝合金浆料 受到的剪切强度不同 , 根据 Spencer和 Flemings [ 15] 的计算方法 ,剪切速率 γ · = 2ωRr R 2 -r 2 = 2Rr R 2 -r 2· 2πn 60 .式 中 , ω为旋转角速度, R为导流管内径 , r为冷却器外 径 , n为旋转磁场转速 .由此可见 ,随着搅拌缝隙宽 度的逐渐减小, A357铝合金受到的剪切速率越来越 大 ,熔体的搅动也越来越剧烈, 而熔体的剧烈搅动有 利于其温度场和成分场更加均匀 .另外 ,铝合金熔 体受到的冷却强度也不同 .随着搅拌缝隙宽度的减 小 ,合金熔体以 “薄膜 ”的形式流经缝隙, 单位体积 熔体的冷却面积增加 ,熔体的冷却强度加大,同时熔 体的温度场分布更均匀, 有利于熔体 “凝固初期晶 核 ”瞬间大量生成 ,有利于获得细小的组织 .因此 , 对于环缝式电磁搅拌流变连续铸造技术来说 , 在保 证铸造工艺的前提下 ,为了促进 “凝固初期晶核 ”的 大量增加,得到晶粒细小的半固态组织,采用较小的 搅拌缝隙宽度是有效措施之一 . 3 结论 (1)环缝式电磁搅拌流变连续铸造工艺制备的 A357铝合金坯料组织 , 无论是边部、中部 , 还是心 部 ,都是由球状或者蔷薇状的初生 α(Al)相构成,晶 粒尺寸也比较细小 . (2)环缝式电磁搅拌流变连续铸造工艺下, 随 着搅拌电流或者搅拌频率的增大 , 铸坯显微组织中 蔷薇状初生 α(Al)相明显减少 ,球状的初生 α(Al) 形态也越趋圆整. (3)随着搅拌缝隙宽度的减小 , 蔷薇状组织大 幅减少,初生 α(Al)晶粒尺寸也不断减小. 参 考 文 献 [ 1] KangCG, BaeJW, KimBM.ThegrainsizecontrolofA356 aluminumalloybyhorizontalelectromagneticstirringforrheology forging.JMaterProcessTechnol, 2007, 187/188:344 [ 2] ZoquiEJ, PaesM, Es-SadiqiE.Macro-andmicrostructureanalysis ofSSMA356 producedbyelectromagneticstirring.JMaterProcess Technol, 2002, 120(1-3):365 [ 3] SteinbachS, RatkeL.Theeffectofrotatingmagneticfieldsonthe microstructureofdirectionallysolidifiedAl-Si-Mgalloy.MaterSci EngA, 2005, 413/414:200 [ 4] MaoWM, LinH, BaiYL, etal.Newmethodforthepreparation ofsemi-solidAlSi7Mgalloyslurry.JUnivSciTechnolBeijing, 2007, 14(1):56 [ 5] RajM, PandeyJC.Optimizationofelectromagneticstirringincon￾tinuouslycaststeelbilletsusingultrasonicC-scanimagingtech￾nique.IronmakingSteelmaking, 2008, 35(4):288 [ 6] ZhangZF, XuJ, ShiLK.Studyonmultipleelectromagnetic continuouscastingofaluminumalloy.JMaterSciTechnol, 2006, · 1179·

。1180 北京科技大学学报 第32卷 22(4).437 ure fmati知Acta MetaⅡS即200036(5)：539 7 Zhang Z E Tian ZF Xu J et a]Effect ofmultpe e kectromag (毛卫民，赵爱民，崔成林等.ASMg合金半固态连铸坯料 ne tic stirring on micostmucture of A357 alby Chn J Rae Met 和组织形成研究.金属学报。200036(5)：539) 200630(2)217 [12 Li Z Mao W M Zhao ZD Sm isolid A357 alby sjumy pre G张志峰.田战峰.徐骏.等.施加复合电磁搅拌对A357合金微 pared by a new poce5 ActaMetal‖S0200g45(4片507 观组织的影响.稀有金属.200630(2)217) (刘政，毛卫民赵振锋.新工艺制备半固态A356铝合金浆 【周ChenX B ZhangZ F Xu J etal Numericalsmukti知ofek 料.金属学报，200945(4,507) tomagnetic fiel n semisolid surey Prepamticn by A-EMS J 13 Zharg K Lu G J Xu J et al Smm isold A Si allcy pre Univ SiTechnolBeijng 2009 31(10):1305 Pared by electron agne tic stirring contnuous casting techno kgy 陈兴润张志峰.徐骏，等.环缝式电磁搅拌法制备半固态浆 and its solidification micostuctures Chin J Nonfemous Met 料过程电磁场的数值模拟.北京科技大学学报。200931(10： 200010(1):47 1305) (张奎，刘国钧，徐骏，等.电磁搅拌法连铸半固态铝合金及 I9 BaiYL XuJ Zhang Z F et al Annulus ekectromagnetic stirrng 其凝固组织分析.中国有色金属学报.200010(1)：47) for preparng semisold A357 akminm alby surry TransNonfer [14 MaoWM gmioliMemlFoming Techniques Beijng China ous Met Spc Ching 2009 19(5):1104 Machine Press 2004 10]ZhuG L Xu J ZhangZ E et a]Anmulr electomagnetic stic (毛卫民.半固态金属成形技术.北京：机械工业出版社， ring a newmetod for the production of sem i sold A357 akm i 2004) num alby sumy Acta Memll Sin EnglLest 2009 22(6):408 [15 SpencerD B MehabianR Fkm ngsMC Rheokgicalbehavor 11]MaoW M Zhao AM CuiCL.et a]Research on the continu of Sn15 pct Pb in the costallization rang Metall Trans 1972 ous cast bille ts of sm i sold A SiMg al by and their m icrostruc 3(71925

北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 22(4):437 [ 7] ZhangZF, TianZF, XuJ, etal.Effectofmultipleelectromag￾neticstirringonmicrostructureofA357 alloy.ChinJRareMet, 2006, 30(2):217 (张志峰, 田战峰, 徐骏, 等.施加复合电磁搅拌对 A357合金微 观组织的影响.稀有金属, 2006, 30(2):217) [ 8] ChenXR, ZhangZF, XuJ, etal.Numericalsimulationofelec￾tromagneticfieldinsemi-solidslurrypreparationbyA-EMS.J UnivSciTechnolBeijing, 2009, 31(10):1305 (陈兴润, 张志峰, 徐骏, 等.环缝式电磁搅拌法制备半固态浆 料过程电磁场的数值模拟.北京科技大学学报, 2009, 31(10): 1305) [ 9] BaiYL, XuJ, ZhangZF, etal.Annuluselectromagneticstirring forpreparingsemisolidA357 aluminumalloyslurry.TransNonfer￾rousMetSocChina, 2009, 19(5):1104 [ 10] ZhuGL, XuJ, ZhangZF, etal.Annularelectromagneticstir￾ring:anewmethodfortheproductionofsemi-solidA357 alumi￾numalloyslurry.ActaMetallSinEnglLett, 2009, 22(6):408 [ 11] MaoW M, ZhaoAM, CuiCL, etal.Researchonthecontinu￾ouscastbilletsofsemi-solidAlSi7Mgalloyandtheirmicrostruc￾tureformation.ActaMetallSin, 2000, 36 (5):539 (毛卫民, 赵爱民, 崔成林, 等.AlSi7Mg合金半固态连铸坯料 和组织形成研究.金属学报, 2000, 36(5):539) [ 12] LiuZ, MaoW M, ZhaoZD.Semi-solidA357 alloyslurrypre￾paredbyanewprocess.ActaMetallSin, 2009, 45(4):507 (刘政, 毛卫民, 赵振铎.新工艺制备半固态 A356铝合金浆 料.金属学报, 2009, 45(4):507) [ 13] ZhangK, LiuGJ, XuJ, etal.Semi-solidAl-7%Sialloypre￾paredbyelectromagneticstirring-continuouscastingtechnology anditssolidificationmicrostructures.ChinJNonferrousMet, 2000, 10 (1):47 (张奎, 刘国钧, 徐骏, 等.电磁搅拌法连铸半固态铝合金及 其凝固组织分析.中国有色金属学报, 2000, 10 (1):47) [ 14] MaoWM.Semi-solidMetalFormingTechniques.Beijing:China MachinePress, 2004 (毛卫民.半固态金属成形技术.北京:机械工业出版社, 2004) [ 15] SpencerDB, MehrabianR, FlemingsMC.Rheologicalbehavior ofSn-15 pctPbinthecrystallizationrange.MetallTrans, 1972, 3(7):1925 · 1180·