D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2000.02.011 第22卷第2期 北京科技大学学报 Vol.22 No.2 2000年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2000 电磁搅拌对弹簧钢60Si,Mn凝固组织的影响 赵爱民毛卫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 摘要利用金相观察了电磁搅拌对弹簧钢60SiM凝固组织的影响情况，并讨论了形成机制. 结果表明：在凝固过程中进行电磁搅拌，引起熔体的强烈流动，使液相区的温度场和溶质含量 趋于均匀：凝固时奥氏体的一次臂生长速度减慢，消除弹簧钢60SiM一次结晶组织中发达的 柱状树枝晶层：而且随着搅拌功率的加大，弹簧钢一次结晶奥氏体的粒化或非枝晶化(nonden- dite)程度提高：电磁搅拌使弹簧钢凝固的晶核增多，一次结晶组织得到细化， 关键词电磁搅拌：半固态金属：凝固组织：弹簧钢 分类号TG250 经20多年的研究和发展，半固态成形技术 装置可以调整搅拌功率.为了考察搅拌功率对 的理论和应用都取得很大的进展习，低熔点的 60SiMn的凝固组织的影响情况，采用4种搅拌 铝合金、镁合金进入了工业化应用阶段.同时 功率分别为W,W2,W,W,且W>W>W>W>0, 人们十分重视高熔点钢铁材料的半固态成形工 得到4种不同功率下搅拌的试样，分别用S1, 艺的研究，已有不锈钢)、工具钢阿、铸铁等黑 S2,S3,S4表示.此外浇注了1个不经过电磁搅 色金属半固态成形工艺的研究报道. 拌的试样N5,其他条件与搅拌试样相同，电磁 本文在实验室研究了电磁搅拌对弹簧钢 搅拌时首先将铸型预热至600℃左右，然后将约 60SiMn凝固过程和凝固组织的影响情况，利用 1600℃的钢液浇入铸型，立即进行电磁搅拌.当 电磁搅拌改善弹簧钢的一次结晶组织，分析电 搅拌一定时间后，立即通水激冷铸型.铸型的内 磁搅拌下弹簧钢的凝固过程，初步探讨半固态 尺寸为：Φ90mm×170mm×200mm. 弹簧钢凝固组织的形成机制，为高熔点钢铁材 1.3金相组织观察 料的半固态成形提供借鉴. 应用线切割在试棒上截取高度为10mm的 圆形试块，如图2所示，经粗磨、细磨和抛光制 1试验方法 备成金相试样，用2种侵蚀剂侵蚀试样：(1)硫 1.1试验材料与熔炼 酸铜溶液，(2)氢氧化钠十硝酸钠溶液，方法是 本试验选用弹簧钢60Si,Mn作为试验材料， 首先在(2)中侵蚀一段时间后，再在(1)中加深 其含碳量较高，结晶间隔较大，常规铸造的一次 侵蚀，而后在光学显微镜下观察试样的组织. 结晶组织中易产生发达的树枝晶.试验采用100 冷却水 .90 kW工频感应电炉熔炼，用轧制的弹簧钢 隔热材料 60SiMn的切头作为熔炼合金的原材料，配料时 适当加入C,S1以补充它们熔炼中的烧损，合金 熔化后其温度达到1600℃左右时出炉，出炉前 ● 用硅钙粉和铝丝进行脱氧处理.经化学分析检 测出试验材料的成分（质量分数）为：C-0.61%,搅拌绕组 加热电阻丝 Si一1.83%，Mn0.7%,P,S<0.03%. 却水套 铸型金属液 1.2电磁搅拌试验和装置 图1电磁搅拌装置示意图 图2金相试样截取示意图 试验采用了电磁搅拌装置如图1所示，该Fig.1Schematic of electrom- Fig.2 Schematic of metallogra- agnetic stirring equipment phy specimen cut from billet 1999-07-6收稿赵爱民男，38岁，副教授 *国家白然科学基金重点资助课题(No.59995440)
第 2 卷 第 2 期 2 0 0 0 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n i v e r s i yt o f S c i e n e e a n d eT c h n o l o yg B e ij i n g V d l . 2 2 N 0 . 2 A P r. 2 0 0 0 电磁搅拌对弹簧钢 60 S i Z M n 凝 固组织的影响 赵爱民 毛卫 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 10 0 0 83 摘 要 利 用金 相观 察 了 电磁搅 拌对 弹簧 钢 6 OS i Z M n 凝 固组 织 的影 响情况 , 并讨 论 了形成 机制 . 结果 表 明 : 在凝 固过 程 中进行 电磁 搅拌 , 引起 熔体 的 强烈流 动 , 使液相 区的温度 场 和溶质 含量 趋于 均匀 ; 凝 固时奥 氏体 的一 次臂 生长 速度 减慢 , 消除 弹簧 钢 6 0 is ZM n 一 次结 晶组 织 中发达 的 柱状 树枝 晶层 : 而 且 随着搅 拌 功率 的加 大 , 弹 簧钢 一次 结 晶奥 氏体 的粒 化或 非枝 晶化 ( no nd en - dr iet )程度 提 高 ; 电磁搅 拌使 弹簧 钢凝 固的晶 核增 多 , 一 次结 晶组 织得 到细 化 . 关键 词 电磁 搅 拌 : 半 固态金 属 ; 凝 固组织 : 弹簧 钢 分 类号 T G 2 50 经 2 0 多年 的研 究和 发展 , 半固态成形 技术 的理 论和 应用 都取得很 大的进 展 { ’ , ’ 〕 , 低熔 点 的 铝 合金 、 镁合 金进入 了工 业化应用 阶 段 l , , “ 1 . 同 时 人们 十分重视 高熔 点钢 铁材料 的半 固态成形 工 艺 的研 究 , 已 有 不 锈钢 「5 , 、 工 具 钢 `6 , 、 铸铁 〔7] 等黑 色 金 属半 固 态成形 工 艺 的研 究报道 . 本文 在 实 验 室 研 究 了 电 磁 搅拌 对 弹 簧钢 6 0 S i ZM n 凝 固过 程和 凝 固组织 的影 响情况 , 利 用 电磁 搅拌 改善弹簧钢 的一 次 结 晶组织 , 分 析 电 磁搅 拌下 弹簧 钢 的凝 固 过程 , 初步探 讨半 固态 弹簧 钢 凝 固 组织 的 形 成机制 , 为 高熔 点 钢 铁材 料 的 半 固态 成形提供 借鉴 . 1 试验方法 1 . 1 试验材料与 熔炼 本试验选用 弹 簧钢 60 is ZM n 作为试验材料 , 其含碳 量较高 , 结晶 间隔 较大 , 常规铸造的 一 次 结晶 组织 中易产 生 发达的树 枝晶 . 试验 采用 10 kw 工 频 感 应 电 炉 熔 炼 , 用 轧 制 的 弹 簧 钢 6 OS i ZM n 的切 头作为熔炼合 金的 原材料 , 配料时 适 当加 入 C , is 以补 充它 们 熔炼 中 的烧损 , 合 金 熔化后 其温 度达到 1 6 0 ℃ 左 右时 出炉 , 出 炉前 用 硅钙 粉和 铝 丝 进行脱氧 处理 . 经化学分 析检 测 出试验材料 的成分 ( 质量分数) 为 : C一.0 61 % , 5 1一 1 . 8 3 % , M n一 0 . 7 % , P , S 哄> 堆> 夙> 0 , 得到 4 种不 同 功率下 搅拌 的试样 , 分 别 用 lS , 5 2 , 5 3 , 5 4 表 示 . 此外浇注 了 1 个不 经 过 电磁 搅 拌 的试样 N S , 其他 条件与 搅拌 试样相 同 . 电磁 搅拌时首先将铸型 预热至 6 0 0℃ 左右 , 然后 将约 1 60 0℃ 的钢 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9 0 m m x 17 0 m m x Z O0 m m . 1 . 3 金相 组织观察 应用 线切 割在试棒 _ [ 截取高度为 10 m m 的 圆形 试 块 , 如 图 2 所示 . 经 粗 磨 、 细 磨 和 抛光 制 备成 金 相 试样 , 用 2 种 侵蚀剂侵蚀试 样 : ( l) 硫 酸铜 溶液 , (2 ) 氢氧化钠 + 硝 酸钠溶液 . 方 法是 首先在 ( 2) 中侵 蚀一 段 时间 后 , 再在 ( l) 中加 深 侵蚀 , 而 后 在光 学显 微镜下 观察试样 的组 织 . 隔热材料 。一。哟 搅拌 丫 绕组 目 . . 汉 . . . . . . . / 咬 / \ 19 9 9 一 0 7 一 6 收 稿 赵 爱 民 男 , 38 岁 , 副 教授 * 国家 自然科 学基 金重 点资 助课 题 ( N o . 5 9 9 9 54 4 0) 铸型 金属液 图 1 电磁搅 拌 装置示 意 图 F ig · 1 S e h e m a t i e o f e l e e t or m - a g n e t i e s t i r r i n g e q u i P m e n t 图 2 金相 试样 截取 示意 图 F ig . 2 S e h e m a ti e o f m e t a ll o g r a - P h y s P e e i m e n e u t fr o m b i ll e t DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2000. 02. 011
2000年第2期 赵爱民等：电磁搅拌对弹簧钢60SMn的凝固组织的影啊 135. 2试验结果与分析 这说明在本试验条件下，柱状晶中的枝晶的一 次臂的生长速度很快，远远大于二次臂的生长 2.1电磁搅拌对柱状晶层的影响 速度， 经过金相检查发现，未经电磁搅拌的试样 N5的一次结晶组织与一般铸钢件或铸钢锭相 图4(a(d)分别是经电磁搅拌试样Sl,S2, 似，存在发达的柱状树枝晶和中心粗大的等轴 S3,S4的一次结品组织的金相照片，可以看出样 品的一次结晶组织中不存在柱状枝晶层，从试 晶，柱状枝晶层的厚度约为20-30mm,柱状晶 样的表面到试样的心部基本是由等轴晶（如图 内平行排布多个枝晶，且枝品的一次臂的方向 基本上与传热方向相同，由表面伸向试样的中 4(a)、或退化枝晶(dedendrite,.如图4(b)和(c), 心：枝品的一次臀十分发达，其长度约为10-20 或不同取向的短枝晶所组成（如图4(d).这说 明电磁搅拌能有效地消除弹簧钢60Si,Mn中发 mm,几乎与柱状晶层的厚度相当如图3所示. 达的柱状晶层，这是因为电磁搅拌改变了一次 结晶的奥氏体的形核和生长条件， 22搅拌功率对弹簧钢结晶组织的影响 从图4中还可以看出，搅拌功率对60Si:Mn 的一次结品组织产生很大的影响，在较小搅拌 功率S4试样中，一次结晶的奥氏体为具有不同 取向的短的树枝品，其一次臂最大尺寸可达到 1mm左右，如图4(d所示：随着搅拌功率的增 加，短枝晶的一次臂变小，在搅拌功半为用，的 S3试样中，一次结晶的奥氏体的枝品形态没有 S4试样明显，但仍能观察到少量的短的树枝晶， 图3非揽拌试样柱状晶层的金相照 (图4(c):而在搅拌功率为形的试样S2中，观 Fig.3 The microstructure of spring steel (unstirred) 察不到短树枝晶，但仍能看出枝晶的迹象，退化 图4弹簧钢60S,Mn在搅拌功率下搅拌的凝固组织(a)S1号试样，b)S2号试样，cS3号试样，(d)S4号试样 Fig.4 The solidification structure of spring steel ingots stirred with different power
·136 北京科技大学学报 Vol.22 No.2 的枝晶（如图4(b):当搅拌功率增加到W,一次更多，晶粒更为细小. 结晶的奥氏体转化为等轴晶，且变得细小，其晶 32搅拌对弹簧钢一次结晶奥氏体的生长影响 粒大小约为未经电磁搅拌试样的柱状树枝晶的 无论是在搅拌还是非搅拌条件下，铸件或 一次臂间距.这是由于搅拌功率的加大，金属熔 铸锭表面一般都存在一激冷的细小的等轴晶 体的旋转速度加快，紊流作用加剧，合金凝固时 层，如图5所示，在没有搅拌条件下，细小等轴 液相区、液固两相区的温度场和溶质浓度场更 晶层形成之后，与其相邻的液体金属在铸型散 趋于平缓，各个微区的形核和生长条件基本相 热作用下而首先被冷却结晶出固相，此时激冷 同，晶核在各方向的生长速度基本相等，凝固后 层前沿的某些晶体逆着传热方向，以较快的速 得到等轴晶组织 度向液相伸展，就生长出树枝晶的一次臂，且在 适宜的温度梯度下，一次臂不断地长大：随着柱 3电磁搅拌对弹簧钢60SiMn的疑固 状树枝晶层由外向俦件的中心推进，散热速度 组织的作用机制的探讨 减慢，特别是当铸件或铸锭与型壁之间出现气 隙时，传热速度更慢，液相区和液固两相区的温 有不少关于搅拌作用下半固态组织演变过 度梯度平缓，中心的液体金属可能同时被冷却 程的理论解释，如树枝晶臂折断机制、枝晶根 到液相线温度以下，并在某一过冷度下形核，由 部熔断机制)、晶界再结晶机制、温度起伏机 于此时该区域的各个微区的温度趋于相等，各 制等，这些理论解释虽与实验现象相符，但也 个微区的晶核条件和生长条件趋于相同，因此 有不足之处，如对于具有良好韧塑性的一次结 就形成了铸件中心的等轴晶，如图5(a)所示. 晶奥氏体，在搅拌过程中枝晶臂折断的可能性 (a) (b) 时刻 不大.Hellawell计算了在电磁搅拌过程中a(AI) t时刻 枝晶的受力状况，认为a(A1)枝晶不会折断，而 T 只能发生弹性或塑性变形，搅拌会使奥氏体枝 晶根部的溶质富集层减薄，枝晶熔断的几率可 时刻 能更小，本文从电磁搅拌改变了弹簧钢凝固过 t时刻 程中液相区、液固两相区的温度场和溶质浓度 场出发，分析电磁搅拌下弹簧钢的形核和生长 过程，解释电磁搅拌使弹簧钢60SiMn的凝固 组织演变的机理 31电磁搅拌对弹簧钢形核的影响 液体金属是由许许多多类似与晶体结构的 s+L 原子集团，即由晶坯组成，这些原子集团的形状 铸型 和尺寸时而长大，时而缩小，在一定的条件下发 +十+ 展成液体金属凝固的晶核，在过冷液体中，热运 08090 动使某些晶胚借液体金属的能量涨落而达到某 一临界尺寸，晶胚就可以稳定地生长，成为晶 通可迈 核.电磁搅拌使液体金属剧烈的运动，加速了液 分 体金属的原子的碰撞和热运动，从而增加晶胚 发展成晶核的机率，提高了形核率：另外铸件或 图5弹簧钢凝固过程示意图(a)不搅拌，(b)电磁搅拌 铸锭表层的激冷等轴晶可能被激烈运动的金属 I一细等轴晶区：Ⅱ一柱状晶：Ⅲ一粗等轴晶 Fig.5 Schematic of solidification process of spring steel 液流冲刷到液相区而成为晶核；同样己结品出 而在强烈搅拌条件下，细小等轴晶层形成 的固相可能在激烈运动的金属液流作用下游离 到液相区成为新的晶核.因此在搅拌条件下凝 之后，与之相邻的液体金属层的温度在液流激 固，奥氏体的晶核数量大大增加，从而有效地细 烈地运动下不会迅速降至液相线温度以下，而 化的组织.搅拌功率越大，金属液体的运动速度 是与中心的液相区相近.铸件（或铸锭）凝固时 更大，液态原子的热运动和碰撞机率增加，晶核 整个液相区的温度梯度很小，温度趋于相等，大 部分液体金属很可能同时冷却到液固两相区
北 京 科 技 大 学 学 报 V 6 1 . 2 2 N o . 2 的枝 晶 (如 图 4( )b ) ; 当搅拌功 率增加到 班 , 一 次 结晶 的奥 氏体转化 为等轴 晶 , 且变得细 小 , 其 晶 粒大小约为未经 电磁搅 拌试样的柱状树枝 晶 的 一 次臂间 距 . 这是 由于 搅拌功 率 的加大 , 金属 熔 体的旋转速度加快 , 紊流作用 加剧 , 合金凝 固时 液相 区 、 液 固两相 区 的温 度场 和 溶质浓 度场更 趋于平缓 , 各个 微 区 的形核和 生长条件 基本相 同 , 晶 核在 各方 向的生 长速度基本相 等 , 凝 固后 得到等轴 晶 组织 . 更多 , 晶粒 更为细 小 . .3 2 搅拌对弹簧钢一 次结晶奥氏体的生 长影响 无论是在 搅拌还 是非 搅拌条件下 , 铸 件或 铸锭 表 面一 般 都存 在 一 激 冷 的细 小 的等 轴 晶 层 , 如 图 5 所 示 . 在没有 搅拌条件下 , 细 小 等轴 晶层形 成 之后 , 与 其相 邻 的液体金 属在铸 型散 热作用下 而首先被冷 却 结 晶 出 固相 , 此 时激 冷 层前沿 的某些 晶体 逆着传热方 向 , 以较快 的速 度 向液相伸展 , 就生 长出树 枝晶的一次臂 , 且 在 适宜 的温度梯度下 , 一次臂不 断 地长大 ; 随 着柱 状树枝 晶 层 由外 向铸件 的 中心 推进 , 散热 速度 减慢 , 特别 是当 铸件或铸 锭与型 壁之 间出 现气 隙 时 , 传热速度更慢 , 液相 区和 液 固两 相 区 的温 度梯度 平缓 , 中心 的液体金属可 能 同时被冷却 到液相线温度 以下 , 并在某一 过冷度下形 核 , 由 于 此 时 该 区域 的 各个微 区 的温度趋 于相 等 , 各 个微 区 的晶核 条件和 生 长 条件 趋于 相 同 , 因 此 就 形成 了铸件 中心 的等轴 晶 , 如 图 5 (a) 所示 . 续日{ 少 } 气 l { . ~ 、 一 、 尸、 浏~ 沪 ` t . , ’ . 、 一 属言 . 、 剂/ 3 电磁搅拌对弹簧钢 6 0 S i Z M n 的凝固 组织的作用机制 的探讨 有不少 关于 搅拌作用 下 半 固态组织演变过 程 的理 论解释 , 如树枝 晶 臂折 断机制 【, 〕 、 枝 晶根 部熔 断机制 「2] 、 晶界再 结晶 机制 『9 1 、 温 度起伏机 制 【8] 等 . 这些 理论解 释虽 与实验现象 相 符 , 但 也 有 不 足之处 . 如对 于具有 良好韧 塑 性 的一 次结 晶奥 氏 体 , 在搅拌 过程 中枝 晶 臂折 断 的可 能性 不 大 . H el l aw el 沪计算 了在 电磁搅 拌过程 中a( lA ) 枝 晶 的受力状 况 , 认 为a( A l) 枝 晶 不会折 断 , 而 只 能发生 弹 性或塑 性变形 , 搅拌会 使奥 氏 体枝 晶根 部 的溶质 富集层 减薄 , 枝 晶熔 断 的几 率可 能 更小 . 本 文从 电磁搅拌 改变 了 弹簧钢 凝 固 过 程 中液相 区 、 液 固 两相 区 的 温度场 和 溶质浓 度 场 出发 , 分 析 电磁搅拌下 弹簧钢 的形核和 生长 过 程 , 解释 电磁搅拌 使弹簧钢 60 isz M n 的凝 固 组织 演变 的机理 . 3 . 1 电磁搅拌对弹簧钢形核的影响 液 体金属是 由 许许 多多类似 与晶 体结构的 原子集 团 , 即 由晶 坯组成 , 这 些原子集 团的形状 和 尺 寸时而长大 , 时而缩小 , 在一 定的条件下 发 展 成液体金属 凝 固的晶核 . 在过冷液体 中 , 热运 动 使某 些晶胚 借液体金属 的能 量涨落而达到某 一 临界尺 寸 , 晶胚 就可 以 稳定地 生 长 , 成为 晶 核 . 电磁搅拌使 液体金属剧 烈 的运动 , 加速 了液 体金属 的原 子 的碰 撞和 热 运 动 , 从而增 加 晶胚 发展成 晶核的机率 , 提高 了形核率 ; 另外铸件或 铸 锭表层 的激冷等轴 晶可能被激烈 运动 的金属 液 流冲刷 到液相 区 而成 为晶 核 ; 同样 已 结晶 出 的固相 可能 在激 烈运动 的 金属液流作用下 游离 到液相 区 成为新 的 晶核 . 因此在 搅拌条件 下 凝 固 , 奥 氏体的晶 核数量大大增加 , 从而有效地细 化 的组织 . 搅 拌功率越大 , 金属液体 的运动 速度 更大 , 液态原子 的热运动和 碰撞机率增加 , 晶核 图 5 弹 簧钢 凝 固过程 示意 图 ( a) 不搅拌 , ( b) 电磁搅 拌 工一细 等轴 晶 区 : 1 一柱 状晶 : 1 一粗 等轴 晶 F ig · 5 S e h e m a ti e o f s o li d i n e a t i o n P r o e e s s o f s P r i n g s t e e l 而 在强 烈 搅拌条件下 , 细 小等轴 晶层 形 成 之后 , 与之相邻 的液体金属 层 的温度在液流激 烈 地运动 下 不 会迅速 降至液相线温 度 以下 , 而 是与 中心 的液相 区相 近 . 铸件 ( 或铸锭 ) 凝 固时 整个液相区 的温 度梯度很 小 , 温度趋于 相等 , 大 部分液 体金属 很可 能 同 时冷却 到 液 固两相 区
2000年第2期 赵爱民等：电磁搅拌对弹簧钢60SiMn的凝固组织的影响 ◆137- 在具有相同（或很相近）的温度条件下形核或者 参考文献 具有相同的晶核条件：同时强烈的搅拌使固液 1 Flemings MC.Behaviour of Metal Alloys in the Semi-so- 界面的前沿的溶质浓度场趋于均匀，已有的晶 lid State.Metallurgical Transactions A.1991.22A:957 核在很小的温度梯度和比较均匀的溶质浓度场 2 Kirkwood D H.Semi-solid Metal Processing.International 下长大，它各个方向的长大速度基本相等，因此 Materials Review,1994,39(5):173 整个断面上全为等轴晶，如图5(b)所示.在搅拌 3 Brown S B,Flemings MC.Net-shape Forming via Semi- solid Processing.Advance Materials Process,1993,143:36 功率较小的条件下，液相区的温度场和溶质浓 4 Midson S P.The Commercial Status of Semi-solid Casting 度场的均匀程度降低，晶核在的各个方向生长 in the USA.In:the 4th Int Conf on Semi-Solid Processing 速度稍有不同，其一次结晶组织的枝晶形态比 of Alloys and Compositions.England:Sheffield,1996.251 较明显， 5 Oblak J M,Rand W H.Structure and Properties of the Casting Ferrous alloy 440C.Metallurgical Transactions B, 4结论 1976,7B(12):705 6 Kapranos P,Kirkwood D H,Sellars C M.Thixoforrming (1)电磁搅拌可以消除弹簧钢60Si2Mn的 High Point Alloys into Non-metallic Dies.In:the 4th Int 凝固组织中发达的柱状枝晶层， Conf on Semi-Solid Processing of Alloys and Composi- tions.England:Sheffield,1996.306 (2)搅拌功率对弹簧钢的凝固组织产生很 7 Yoshida C,Kitamura K,Ando Y,Hironaka K.Microstruc- 大的影响，在较低的搅拌功率下搅拌，得到短枝 ture and Properties of Cast Iron by Semi-solid Die Cast. 晶的一次结晶组织，随着搅拌功率的增加，弹簧 lomno/Japan Foundrymen's Socoiety,1996,68(2):141 钢的凝固组织转变为退化的枝晶和等轴晶. 8 Hellawell A.Grain Evolution in Conventional and Cas- (3)电磁搅拌改变了弹簧钢凝固时的形核 tings.In:the 4th Int Conf on Semi-Solid Processing of 和生长条件，增加一次结晶的核心，细化了晶 Alloys and Compositions.England:Sheffield,1996.60 9 Doherty RD,Lee Ho-In.Microstructure of Stir-cast Met- 粒. als.Materials Science and Engineering,1984,65:181 Effects of Electromagnetic Stirring on Solidification Structure of Spring Steel Castings ZHAO Aimin,MAO Weimin,CUI Chenglin,LI Yanjun,ZHONG Xueyou Materials Science Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083 ABSTRACTS The influence of electromagnetic stirring on the solidification structures of the spring steel castings or ingots has been investigated.The experiments have shown that the large columnar dendric auste- nitie formed in a conventional unstirred castings can be substituted by fine equiaxed grains or dedendric grains when stirred with electromagnetic field for a short time.The higher stirring power,the more spherical or de- dendritic the austenite was obtained.The amount of austenite nucleation increased and austenite grain become finer in stirring castings. KEY WORDS electromagnetic stirring;semi-solid metal;solidification structure;spring steel
2 0 0 年 第 2 期 赵 爱民等 : 电磁 搅拌 对弹 簧钢 6OS i Z Mn 的凝 固组 织 的影 响 . 1 37 . 在 具有 相 同 (或很相 近 ) 的温度 条件下 形核或者 具 有相 同 的 晶核 条件 ; 同 时 强 烈 的搅拌 使固液 界 面 的前沿 的溶 质浓度场趋 于 均 匀 , 已 有的 晶 核在很小 的温度 梯度和 比较均匀 的溶质浓度场 下 长大 , 它 各个方 向的长 大速度 基本相 等 , 因 此 整个断面上 全为等轴 晶 , 如 图 5 (b) 所 示 . 在搅拌 功率较小 的 条件 下 , 液 相 区 的温 度场和 溶质浓 度 场 的均匀 程度 降低 , 晶核在 的 各个方 向生 长 速 度稍有 不 同 , 其一 次结 晶组 织 的枝 晶 形态 比 较 明 显 . 4 结论 ( l) 电磁搅 拌可 以 消除弹 簧钢 6 OS iZ M n 的 凝固 组织 中发达 的柱状 枝晶 层 . (2 ) 搅拌 功率对弹 簧钢 的凝 固 组织 产生 很 大的影 响 , 在较低 的搅拌 功率下 搅拌 , 得到短枝 晶 的一 次结 晶组 织 , 随着 搅拌功率 的增加 , 弹簧 钢 的凝 固 组织转 变为退 化的 枝 晶和 等轴 晶 . (3 ) 电磁 搅拌 改变 了弹簧钢 凝 固 时的形核 和 生 长条 件 , 增 加 一 次结 晶 的核心 , 细 化 了 晶 粒 . 参 考 文 献 1 F l e m i n g s M C . B e h va i o u r o f Meat l A l loy s i n ht e S e m i 一 5 0 - lid St at e . M e at l l u gr i e a l T r a n s a e t i o n s A , 19 9 1 , 2 2A : 9 5 7 2 K i r kw o o d D H . S em i 一 s o li d M e t a l P or e e s s i n g . I nt e nr at i o n a l M at e r i a l s eR v i e W, 1 9 9 4 , 3 9 ( 5 ) : 1 7 3 3 B or w n S B , F l e m i n g s M C , Ne t- s h ap e F o n n i n g v i a s e m i - s o l id P ro e e s s i n g . A d v an e e M a t e r i a l s P ro e e s s , 19 93 , 14 3 : 3 6 4 M i d s o n S .P T h e C o m m e r e i a l S t aut s o f S e m i 一 s o li d C a s ti n g i n ht e U S A . I n : th e 4 th lnt C o n f o n s e m i 一 S o li d P or e e s s i n g o f A ll o y s an d C o m P o s i t i o n s . E n g l an d : S he if e ld , 1 99 6 2 5 1 5 o bl ak J M , R an d W H . S trU c t u r e an d P or P e rt i e s o f t h e C a s ti n g F e r o u s a l l o y 4 4 0C . M e t a l l u gr i e a l T r a n s ac t i o n s B , 1 97 6 , 7B ( 12 ) : 7 0 5 6 K ap r an o s P, K l r k w o o d D H , S e ll a r s C M . T h i x o of rm i n g H igh P o i n t A l l o y s i n t o N o n 一 m e t a ll i e D i e s . I n : th e 4 th I nt C o n f o n S e m i 一 S o l id Pr o e e s s ign o f A l l o y s an d C o m P o s i - t i o n s . E n g lan d : S h e if e ld , 1 9 9 6 . 3 0 6 7 Y 6 s h id a C , K i t a m u r a K , A n d o 丫 H i or n ak a K . M i e r o s t ur c - t u r e an d P r o P e rt i e s o f C a s t I r on b y S e m i 一 s o l id D i e C a st . I o m n o J/ aP an F ou n d yr m e n , 5 S o c o i e yt, 19 9 6 , 6 8 (2 ) : 14 1 8 H e ll a w e l 1 A . G r a i n E v o l u t i o n i n C o n v e n ti o n a l a n d C a s - t i n g s . I n : th e 4 t h I n t C o n f o n S e m i 一 S o lid Por e e s s i n g o f A ll o y s an d C o m P o s i t i o n s . E n g l an d : S h e if e ld , 1 99 6 . 6 0 9 D o h e rty R D , L e e H o 一 I n . M i e or s utr e ut er o f s t i河 a s t M e -t a l s . M aet r i a l s S e i e n e e an d E n g i n e e r i n g , 19 84 , 6 5 : 1 8 1 E fe e t s o f E l e c t r o m a g n e t i e S t i r r i n g o n S o l i d i if e a t i o n S t r u e t u r e o f S P r i n g S t e e l C a s t i n g s Z IL咬口 A im i n , 几公理O 干掩i m in C UI hC e喇in , lL aY ’nj un , Xu 即o u M at e r i a l s s c i e n c e E雌i n e e r i雌 s c h o o l , U S T B e ij i n g , B e ij i n g 10 0 0 8 3 A B S T R A C T S hT e i n fl u e n e e o f e l e e tr o m a gn e t i e st ir i n g o n ht e s o lid iif e a t i o n s trU e t ure s o f t h e sP r i n g s te e l e a s t i n g s o r i n g o t s h a s b e e n ivn e s t i g at e d . hT e e x Pe r im e nt s h a v e s h o w n t h at ht e l a r g e e o l um n ar d e n idr e a u s t e - n it i e fo rm e d i n a c o n v e nt i o n a l un s t ir e d e a s t i n g s e an b e s u b st i tu e d b y if n e e q u iax e d g ra i n s o r d e d en 面e g r a l n s w h e n s t i re d w iht e l e e tr o m a gn e t i e if e ld fo r a s h o rt t im e . T h e h i g h e r st ir i n g P o w e r, ht e m o r e s Ph e r i e a l o r d e - d e n面 t i c ht e au s t e n i t e w a s o b ta i n e d . hT e am o u n t o f au s t e n it e n u e l e a t i o n i n e r e a s e d an d a u s t e n it e g r a i n b e e o m e if n e r i n s t i币n g e a s t i n g s . K E Y W O R D S e l e e tr o m a g n et i e s t ir i n g: s e m i 一 s o lid m e ta l: s o lid iif e at ion s trU c t Ll r e ; s p r i n g s et e l