·180 北京科技大学学报 第36卷 化物，且具有相当比例的带空洞的空心碳化物.可 更为显著.另外，图4(a)显示，随着频率的增大，组 见，随着频率的增大，凝固过程出现离异共晶的趋势 织中初生碳化物平均等效直径逐渐减小. 70 70 (b) 65 60 60 50 45 45 40 35 35 30 10 20 30 40 02004006008001000120014001600 领率Hx 电压N 图4初生碳化物平均等效直径与脉冲电流频率()和电压(b)之间的关系 Fig.4 Relations of the average equivalent diameter of primary carbides with ECP frequency (a)and voltage (b) 由麦克斯维电磁理论图可知，当金属熔体通入 (图4) 脉冲电流J时，熔体中将出现变化的磁场B,电场与 2.2脉冲电压对过共晶高铬铸铁凝固组织的影响 磁场的交互作用则会产生电磁力(Lorentz力).单 图3(b)、(e)和(f)为脉冲频率f(15Hz)一定 次脉冲圆柱熔体内距中轴线，处产生的电磁力(F) 时，随着脉冲电压U的增大而处理的高铬铸铁凝固 的方向为沿径向指向中轴线.F的大小可以通过下 组织.如上所述，施加频率和电压都较小的脉冲电 式计算而得 流时，其中的初生碳化物和共晶碳化物的尺寸都有 F=JxB= 所增大（图3(b)).当电压升高到1000V时（图3 2 (1) ()),粗大的初生碳化物受到抑制，大部分为细小 式中：r为圆柱熔体中距中轴线的距离，m;J。为脉冲 初生碳化物（图4(）)并呈弥散分布，但尺寸较图3 电流密度，A·m2o为真空磁导率，4x×10-7H· (b)中细小初生碳化物要大些.共晶碳化物也呈均 m1,高温金属熔体温度远高于其居里温度，因此高 匀分布，围绕着初生碳化物呈辐射状生长的共晶团 铬铸铁熔体的磁导率为真空磁导率) 消失，共晶碳化物也不再呈规则的层片状出现，但其 在本实验范围内，当频率为15Hz时电流趋肤 片的长度有所变短，片的厚度增大.当脉冲电压继 深度约为154mm,频率为45Hz时电流趋肤深 续增大到1400V时（图3(f)),细小初生碳化物数 度n阁为89mm,而实验中圆柱试样半径为9mm,因 量进一步增加，同时还出现了较多的短杆状初生碳 此金属熔体中的电流可近似看成是均匀分布的. 化物，平均等效直径与1000V时基本接近（图4 从式(1)可以看出，电磁力从圆柱心部向外是 (b)).此时无空洞的实心初生碳化物居多，而且相 当一部分颗粒状初生碳化物边界不规整，在形状上 逐渐增大的.电磁力会对熔体产生压缩，促使熔体 与六角形初生碳化物有明显的区别.共晶碳化物的 产生搅拌.搅拌将进一步促使原子扩散，堆积速度 数量明显减少，以小共晶团或几个片层状分布于初 增加，未完全熔化的碳化物核心生长速度加快，初生 生碳化物之间，也出现了离异共晶现象 碳化物的形成几率增加.搅拌也促使后续共晶凝固 脉冲电压升高，脉冲电流产生的电迁移效果增 时共晶碳化物的厚度增大，碳化物片层间距增大 强，溶质原子的移动速率增加，一定条件下促进碳化 (图3(b)).随着脉冲频率的增大，熔体内部的搅拌 物长大导致碳化物粗化的几率增大；但最终碳化物 频率增大.这使得熔体中温度梯度和浓度梯度降 没有粗化反而细化，这跟熔体内部产生的焦耳热 低，碳化物的定向生长受到抑制：同时快速搅拌将加 有关 速熔体散热，过冷度增大，形核率增加：另外促使原 熔体通入脉冲电流时将产生焦耳热，从而会导 子扩散速度进一步加快，较高温度下形成的初生碳 致试样温升，其由下式计算得出吗： 化物的比例增多，离异共晶的现象变得越来越明显 (图3(c)和(d)),即使出现部分共晶碳化物，其片 △T=ipc,d）-'d. (2) 厚也相对增大（图3(d)).总的来说，由于形核率增 式中，△T为试样的温升，p为电阻率，jo为电流密度， 大，初生碳化物的尺寸随着频率的增大而逐渐细化 c,为试样比热容，d为试样密度，t为脉冲持续时间北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 化物，且具有相当比例的带空洞的空心碳化物． 可 见，随着频率的增大，凝固过程出现离异共晶的趋势 更为显著． 另外，图 4( a) 显示，随着频率的增大，组 织中初生碳化物平均等效直径逐渐减小． 图 4 初生碳化物平均等效直径与脉冲电流频率( a) 和电压( b) 之间的关系 Fig． 4 Ｒelations of the average equivalent diameter of primary carbides with ECP frequency ( a) and voltage ( b) 由麦克斯维电磁理论［18］可知，当金属熔体通入 脉冲电流 J 时，熔体中将出现变化的磁场 B，电场与 磁场的交互作用则会产生电磁力( Lorentz 力) ． 单 次脉冲圆柱熔体内距中轴线 r 处产生的电磁力( F) 的方向为沿径向指向中轴线． F 的大小可以通过下 式计算而得［16］． F = J × B = μ0 J 2 0 r 2 ． ( 1) 式中: r 为圆柱熔体中距中轴线的距离，m; J0为脉冲 电流密度，A·m － 2 ; μ0 为真空磁导率，4π × 10 － 7 H· m － 1，高温金属熔体温度远高于其居里温度，因此高 铬铸铁熔体的磁导率为真空磁导率［18］． 在本实验范围内，当频率为 15 Hz 时电流趋肤 深度［18］约为 154 mm，频率为 45 Hz 时电流趋肤深 度［18］为 89 mm，而实验中圆柱试样半径为 9 mm，因 此金属熔体中的电流可近似看成是均匀分布的． 从式( 1) 可以看出，电磁力从圆柱心部向外是 逐渐增大的． 电磁力会对熔体产生压缩，促使熔体 产生搅拌． 搅拌将进一步促使原子扩散，堆积速度 增加，未完全熔化的碳化物核心生长速度加快，初生 碳化物的形成几率增加． 搅拌也促使后续共晶凝固 时共晶碳化物的厚度增大，碳化物片层间距增大 ( 图 3( b) ) ． 随着脉冲频率的增大，熔体内部的搅拌 频率增大． 这使得熔体中温度梯度和浓度梯度降 低，碳化物的定向生长受到抑制; 同时快速搅拌将加 速熔体散热，过冷度增大，形核率增加; 另外促使原 子扩散速度进一步加快，较高温度下形成的初生碳 化物的比例增多，离异共晶的现象变得越来越明显 ( 图 3( c) 和( d) ) ，即使出现部分共晶碳化物，其片 厚也相对增大( 图 3( d) ) ． 总的来说，由于形核率增 大，初生碳化物的尺寸随着频率的增大而逐渐细化 ( 图 4) ． 2. 2 脉冲电压对过共晶高铬铸铁凝固组织的影响 图 3( b) 、( e) 和( f) 为脉冲频率 f ( 15 Hz) 一定 时，随着脉冲电压 U 的增大而处理的高铬铸铁凝固 组织． 如上所述，施加频率和电压都较小的脉冲电 流时，其中的初生碳化物和共晶碳化物的尺寸都有 所增大( 图 3( b) ) ． 当电压升高到 1000 V 时( 图 3 ( e) ) ，粗大的初生碳化物受到抑制，大部分为细小 初生碳化物( 图 4( b) ) 并呈弥散分布，但尺寸较图 3 ( b) 中细小初生碳化物要大些． 共晶碳化物也呈均 匀分布，围绕着初生碳化物呈辐射状生长的共晶团 消失，共晶碳化物也不再呈规则的层片状出现，但其 片的长度有所变短，片的厚度增大． 当脉冲电压继 续增大到 1400 V 时( 图 3( f) ) ，细小初生碳化物数 量进一步增加，同时还出现了较多的短杆状初生碳 化物，平均等效直径与 1000 V 时基本接近( 图 4 ( b) ) ． 此时无空洞的实心初生碳化物居多，而且相 当一部分颗粒状初生碳化物边界不规整，在形状上 与六角形初生碳化物有明显的区别． 共晶碳化物的 数量明显减少，以小共晶团或几个片层状分布于初 生碳化物之间，也出现了离异共晶现象． 脉冲电压升高，脉冲电流产生的电迁移效果增 强，溶质原子的移动速率增加，一定条件下促进碳化 物长大导致碳化物粗化的几率增大; 但最终碳化物 没有粗化反而细化，这跟熔体内部产生的焦耳热 有关． 熔体通入脉冲电流时将产生焦耳热，从而会导 致试样温升，其由下式计算得出［19］: ΔT = ∫ t 0 j 2 0 ρ( cpd) － 1 dt． ( 2) 式中，ΔT 为试样的温升，ρ 为电阻率，j0为电流密度， cp为试样比热容，d 为试样密度，t 为脉冲持续时间． · 081 ·