白庆伟等：铝合金表面脉冲电磁场对半连续铸造晶粒的细化 ·1829· 一系列新颖的技术通过对熔体凝固过程引入适当的搅 强制对流及焦耳热效应对熔体影响较小 拌或波动来实现晶粒细化，例如：超声波处理、电脉 表1试验材料的化学成分（质量分数） 冲技术切、电磁搅拌圆、电磁振荡技术)等.但在铝合 Table 1 Chemical composition of the base metal % 金半连续铸造(direct chill casting)生产中，由于特定的 Cu Mg Zn Ti 磁场施加方式、凝固条件及大截面铸锭尺寸等因素限 0.09 1.92 2.45 5.22 0.04 余量 制以上技术的应用 接近液相线温度的金属熔体由具有一定尺寸和稳 铝合金熔体经电阻炉加热至730℃保温0.5h后 定性的原子团簇和液态原子构成，在液相阶段（孕育 进行浇铸，经流槽先后进入石墨环及结晶器水冷凝固. 期)施加电场或磁场能引起电子层结构畸变，促使原 圆柱铸锭直径为210mm,铸造速度为68mm'minl,冷 子团簇结合孕育出大量晶核来细化组织@.i等四 却水量为18m3h,冷却水温度为19℃.铸造时需保 通过网罩凝固试验证明电磁能可以抵消部分表面能， 证电磁脉冲处理位置附近熔体温度为660℃，待浇铸 导致形核率增加是晶粒细化的重要原因.本研究基于 温度稳定后施加脉冲电磁场.根据前期研究，选取最 脉冲电磁场瞬时产生较高电磁能的特性，将熔体表面 优电特性参数进行试验：磁感应强度为0.153T,脉冲 脉冲磁场处理技术应用于7A04铝合金半连续铸造过 频率为20Hz,单向脉冲占空比为20%.浇铸完成后， 程中，利用脉冲电磁场形成的高能渗入熔体及初生相 取同一批次施加磁场与未施加磁场的铸锭截面试样进 特殊的运动状态促使晶粒细化.同时顶置磁场设计有 行组织观察及力学性能测试.取得良好的表面脉冲电 效地削弱焦耳热、电磁力等因素对凝固界面的影响，较 磁场处理效果需满足以下条件：(1)熔体具有较低过 为直接地研究电磁能在凝固过程中的作用.通过分析 热度，(2)有效的脉冲磁场处理工艺，(3)适当的熔体 铸锭的凝固组织及性能，考察表面脉冲电磁场处理技 处理时间 术在铝合金半连续铸造中应用的可行性.探讨电磁能 2 试验结果 对形核动力学、初生晶核运动形式的影响，为表面脉冲 电磁场处理技术改善凝固组织的机理提供理论支持. 分别对7A04铝合金铸锭截面心部及边部组织进 行观察，如图2所示.未施加脉冲磁场的凝固组织多 1试验装置及过程 呈带有一次枝晶的玫瑰状结构，心部晶粒尺寸较边部 本试验在某铝业公司的8流DC铸机上进行，对 明显粗大，导致径向截面组织均匀性差.施加脉冲磁 其中一流进行表面电磁场处理，如图1所示.试验装 场后，铸锭心部及边部组织均显著细化，心部由77.7 置由电阻炉、浇注盘、石墨环、结晶器、引锭装置、脉冲 降低到60.1μm;边部由59.2减低到50.8μm,晶粒尺 电源、表面脉冲发生器（中空水冷感应线圈及铁芯）等 寸分别下降了22.7%和14.2%.凝固组织形貌由玫 瑰状转变为圆整的等轴晶，截面径向组织均匀性较好， 构成.将脉冲发生器置于浇铸口位置正上方且与熔体 在铸造过程中向铸锭心部插入热电偶测定凝固冷却曲 表面间距小于10mm.表面脉冲发生器无需对DC连 线如图3所示.由于半连续铸造过程中采用低温浇铸 铸机进行大幅度改造，在不破坏熔体表面氧化膜的同 时对内部金属进行处理.试验材料为超硬铝7A04,其 技术，脉冲电磁场处理位置温度为接近液相线温度的 660℃，暂不对凝固开始温度分析.施加脉冲磁场后， 化学成分如表1所示.与在凝固前沿进行电磁处理相 凝固结束温度较传统铸造高6℃，电磁处理阻碍凝固 比较团，该设计的洛伦兹力引起微弱的表面振动，而 60 mm 温度下降 铁芯 晶粒尺寸降低的重要原因之一是形核率提高.脉 线图 冲电磁处理引发较高的形核率，在结晶潜热释放时致 熔体 使铸造凝固温度升高.此外，铝的固一液界面属于非小 石墨环 平面的粗糙界面，在界面上某一局部生长较快，形成突 水冷装置 出的尖端并深入到过冷度更大的合金熔体中，易产生 糊状区 枝晶.而初生α一A1在磁场作用下运动形式产生变化， 210 mm 发生旋转国、碰撞等概率增加，体系温度梯度降低，抑 一铸锭 制枝晶生长 -引锭装置 对7A04铝合金铸态组织进行力学性能测试结果 图1表面脉冲电磁场半连续铸造装置示意图 如图4所示.未施加磁场时，7A04铝合金抗拉强度与 Fig.1 Schematic of the apparatus used for DC casting with a surface 硬度分别为255MPa和HV99.45,在表面脉冲处理后 electromagnetic pulse 抗拉强度提高约20MPa,硬度提升约HV10.从试样白庆伟等: 铝合金表面脉冲电磁场对半连续铸造晶粒的细化 一系列新颖的技术通过对熔体凝固过程引入适当的搅 拌或波动来实现晶粒细化，例如: 超声波处理［6］、电脉 冲技术［7］、电磁搅拌［8］、电磁振荡技术［9］等． 但在铝合 金半连续铸造( direct chill casting) 生产中，由于特定的 磁场施加方式、凝固条件及大截面铸锭尺寸等因素限 制以上技术的应用． 接近液相线温度的金属熔体由具有一定尺寸和稳 定性的原子团簇和液态原子构成，在液相阶段( 孕育 期) 施加电场或磁场能引起电子层结构畸变，促使原 子团簇结合孕育出大量晶核来细化组织［10］． Li 等［11］ 通过网罩凝固试验证明电磁能可以抵消部分表面能， 导致形核率增加是晶粒细化的重要原因． 本研究基于 脉冲电磁场瞬时产生较高电磁能的特性，将熔体表面 脉冲磁场处理技术应用于 7A04 铝合金半连续铸造过 程中，利用脉冲电磁场形成的高能渗入熔体及初生相 特殊的运动状态促使晶粒细化． 同时顶置磁场设计有 效地削弱焦耳热、电磁力等因素对凝固界面的影响，较 为直接地研究电磁能在凝固过程中的作用． 通过分析 铸锭的凝固组织及性能，考察表面脉冲电磁场处理技 术在铝合金半连续铸造中应用的可行性． 探讨电磁能 对形核动力学、初生晶核运动形式的影响，为表面脉冲 电磁场处理技术改善凝固组织的机理提供理论支持． 图 1 表面脉冲电磁场半连续铸造装置示意图 Fig． 1 Schematic of the apparatus used for DC casting with a surface electromagnetic pulse 1 试验装置及过程 本试验在某铝业公司的 8 流 DC 铸机上进行，对 其中一流进行表面电磁场处理，如图 1 所示． 试验装 置由电阻炉、浇注盘、石墨环、结晶器、引锭装置、脉冲 电源、表面脉冲发生器( 中空水冷感应线圈及铁芯) 等 构成． 将脉冲发生器置于浇铸口位置正上方且与熔体 表面间距小于 10 mm． 表面脉冲发生器无需对 DC 连 铸机进行大幅度改造，在不破坏熔体表面氧化膜的同 时对内部金属进行处理． 试验材料为超硬铝 7A04，其 化学成分如表 1 所示． 与在凝固前沿进行电磁处理相 比较［12］，该设计的洛伦兹力引起微弱的表面振动，而 强制对流及焦耳热效应对熔体影响较小． 表 1 试验材料的化学成分 ( 质量分数) Table 1 Chemical composition of the base metal % Si Cu Mg Zn Ti Al 0. 09 1. 92 2. 45 5. 22 0. 04 余量 铝合金熔体经电阻炉加热至 730 ℃ 保温 0. 5 h 后 进行浇铸，经流槽先后进入石墨环及结晶器水冷凝固． 圆柱铸锭直径为 210 mm，铸造速度为 68 mm·min － 1，冷 却水量为 18 m3 ·h － 1，冷却水温度为 19 ℃ ． 铸造时需保 证电磁脉冲处理位置附近熔体温度为 660 ℃，待浇铸 温度稳定后施加脉冲电磁场． 根据前期研究，选取最 优电特性参数进行试验: 磁感应强度为 0. 153 T，脉冲 频率为 20 Hz，单向脉冲占空比为 20% ． 浇铸完成后， 取同一批次施加磁场与未施加磁场的铸锭截面试样进 行组织观察及力学性能测试． 取得良好的表面脉冲电 磁场处理效果需满足以下条件: ( 1) 熔体具有较低过 热度，( 2) 有效的脉冲磁场处理工艺，( 3) 适当的熔体 处理时间． 2 试验结果 分别对 7A04 铝合金铸锭截面心部及边部组织进 行观察，如图 2 所示． 未施加脉冲磁场的凝固组织多 呈带有一次枝晶的玫瑰状结构，心部晶粒尺寸较边部 明显粗大，导致径向截面组织均匀性差． 施加脉冲磁 场后，铸锭心部及边部组织均显著细化，心部由 77. 7 降低到 60. 1 μm; 边部由 59. 2 减低到 50. 8 μm，晶粒尺 寸分别下降了 22. 7% 和 14. 2% ． 凝固组织形貌由玫 瑰状转变为圆整的等轴晶，截面径向组织均匀性较好． 在铸造过程中向铸锭心部插入热电偶测定凝固冷却曲 线如图 3 所示． 由于半连续铸造过程中采用低温浇铸 技术，脉冲电磁场处理位置温度为接近液相线温度的 660 ℃，暂不对凝固开始温度分析． 施加脉冲磁场后， 凝固结束温度较传统铸造高 6 ℃，电磁处理阻碍凝固 温度下降． 晶粒尺寸降低的重要原因之一是形核率提高． 脉 冲电磁处理引发较高的形核率，在结晶潜热释放时致 使铸造凝固温度升高． 此外，铝的固--液界面属于非小 平面的粗糙界面，在界面上某一局部生长较快，形成突 出的尖端并深入到过冷度更大的合金熔体中，易产生 枝晶． 而初生 α--Al 在磁场作用下运动形式产生变化， 发生旋转［13］、碰撞等概率增加，体系温度梯度降低，抑 制枝晶生长． 对 7A04 铝合金铸态组织进行力学性能测试结果 如图 4 所示． 未施加磁场时，7A04 铝合金抗拉强度与 硬度分别为 255 MPa 和 HV 99. 45，在表面脉冲处理后 抗拉强度提高约 20 MPa，硬度提升约 HV 10． 从试样 · 9281 ·