伍德合金凝固組織研究范文

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《安徽工業大學學報》2016年第2期

摘要：

以伍德合金為研究對象，在熔融狀態下對其進行脈沖電場孕育處理，分析脈沖電壓、孕育處理時間、脈沖頻率對伍德合金凝固組織的影響。結果表明，脈沖電場孕育處理可以細化伍德合金的凝固組織，使其中的Cd相平均尺寸變小。一定電壓范圍內，隨著脈沖電壓的增大，伍德合金凝固組織細化程度愈明顯，電壓增大到6V后，細化作用減弱；孕育處理效果與處理時間密切相關，一定時間范圍內，隨處理時間的延長，伍德合金凝固組織細化程度愈明顯，40s時Cd相平均尺寸最小，為29.86μm，較未處理時減小了63.60%，之后細化程度減弱；隨著脈沖頻率的增大，脈沖孕育處理細化伍德合金凝固組織的效果先增強后減弱，脈沖頻率為50Hz時，細化效果最明顯，凝固組織中Cd相平均尺寸為24.15μm。

關鍵詞：

脈沖電場；孕育處理；伍德合金；凝固組織

自Nakada等[1]首次使用脈沖電流作用于Sn-Pb合金的凝固過程細化合金凝固組織以來，科研工作者們利用脈沖電場處理技術開展了一系列的實驗研究。如洪鵬等[2]，廖有友等[3]研究表明，脈沖電場和稀土能有效減小晶界偏聚，改善凝固組織，并能有效細化夾雜物，控制夾雜物形貌；王建軍等[4]發現脈沖電流能有效控制鋼的凝固組織，減小柱狀晶，增大等軸晶區；陳克全等[5]研究顯示，電極側插式，純銅晶粒效果細化最明顯，坩堝式電極次之，平行電極效果最差；孫玉玲等[6]研究表明，電場脈沖處理后銅錫合金鑄態組織明顯改善，偏析減輕，組織更加均勻，進而提高了材料的力學性能；郭麗麗等[7]利用定向凝固的方法，研究了脈沖電場對Al-5.6%(質量分數)Cu合金柱狀晶間距的影響，結果顯示脈沖電壓愈大，柱狀晶間距愈大，冷卻速率越快，脈沖電場作用效果對冷速的響應越明顯。綜上所述，脈沖電場處理已憑借其處理方法簡單、無污染、細化效果明顯的特點，成為近年來金屬凝固控制技術的重要發展方向。伍德合金是以金屬鉍為基的一類低熔點合金，其熔融狀態下的電導率和黏度與鋼液相近，常用來模擬鋼液的攪拌和流場分布[8-10]，而利用其研究鋼液凝固過程的報道較少。鑒于此，筆者采用脈沖電場對伍德合金進行孕育處理，研究其對伍德合金凝固組織的影響，并就其作用機理進行初步探討。

1實驗

1.1實驗材料與設備

實驗材料為伍德合金，主要成分為w(Bi)=50%，w(Pb)=26.7%，w(Sn)=13.3%，w(Cd)=10%，結晶點約71.6℃。實驗裝置示意圖如圖1，主要設備有GM200A-12V高頻脈沖電源、電子恒溫不銹鋼水浴鍋、測溫控溫溫度計、電極等。

1.2實驗方法

將500g伍德合金裝入燒杯，在恒溫水浴槽內加熱到85℃并保溫1h，將脈沖電流引入熔融伍德合金液中，按照不同設計參數(如表1)進行脈沖電場孕育處理。將脈沖電場孕育處理的伍德合金澆鑄到鋼錠模中空冷至室溫；對所得合金錠沿縱向剖開，研磨、拋光，用體積分數為4%的硝酸酒精侵蝕后在金相顯微鏡下觀察其顯微組織，并用ImageJ軟件對伍德合金凝固組織中Cd相的尺寸進行統計，作為脈沖電場孕育處理細化效果的評價依據。為消除電極的冷卻效應，在電極插入伍德合金熔體前先預熱10min，并在熔體中保持5min后施加脈沖電流。

2實驗結果及分析

2.1脈沖電壓對凝固組織的影響

固定脈沖電場的頻率為30Hz，在不同脈沖電壓下對500g伍德合金熔體孕育處理60s，所得試樣的凝固組織和凝固組織中Cd相尺寸統計結果分別如圖2，3。其中：黑色針狀為Cd；白色為Bi；其他為Pb7Bi3和Sn。由圖2，3可以看出：未經脈沖處理的伍德合金中Cd相晶粒粗大(平均為82.04μm)，且尺寸差別較大、分布不均勻；脈沖電壓為4V時，伍德合金中Cd相平均尺寸為53.27μm，增大脈沖電壓到6V時，伍德合金中Cd相平均尺寸減小為31.15μm，較未處理時減小了62.03%，且分布更加均勻；進一步增大脈沖電壓，伍德合金中Cd相平均尺寸略有增大，但其凝固組織更加細小，表明脈沖電場孕育處理可以明顯細化伍德合金凝固組織，其中Cd相平均尺寸明顯減小。根據液態金屬團簇結構假說和電脈沖孕育處理機理[11]，當脈沖電場作用于金屬熔體時，其晶胚外電層結構將發生畸變，部分金屬原子與晶胚結合形成符合幻數特征的大尺度團簇，進而形成穩定晶胚，從而實現晶胚孕育，增加凝固形核核心，細化其組織。從能量的觀點分析，較低和較高的脈沖電壓都不利于熔體中小尺寸團簇向穩態團簇的畸變長大，故脈沖電壓存在最佳值。本實驗中，脈沖電壓為6V時，伍德合金凝固組織相對較細小且分布較為均勻。

2.2孕育時間對凝固組織的影響

用6V，30Hz的脈沖電流對500g伍德合金分別孕育處理20，40，60s，所得試樣的凝固組織及Cd相的平均尺寸分布分別如圖4，5。由圖4，5可以看出：脈沖電場孕育處理時，伍德合金凝固組織的細化效果與孕育處理時間密切相關，孕育處理時間相對較短時(20s)，伍德合金凝固組織略細化，其中Cd相平均尺寸與未處理時相比有所減小，但Cd相平均尺寸仍有49.16μm；隨著孕育處理時間的延長，凝固組織中Cd相平均尺寸減小，分布更加均勻；孕育處理40，60s時，伍德合金凝固組織中Cd相平均尺寸分別為29.86，31.15μm，較未處理時分別減小了63.60%和62.03%。根據電脈沖孕育處理機理，在一定時間范圍內，隨著脈沖電場孕育處理時間延長，在電場力作用下依附到小尺寸團簇上的Cd原子會越多，單位體積內Cd原子與晶胚結合成符合幻數特征的大尺度團簇也越多，因此伍德合金凝固組織得到細化。如果脈沖處理時間超過一定限度后，處于亞穩態團簇中的小粒子可能逃逸出來，甚至使處于穩態位置中的小粒子能量瞬間爆發，致使可能成為形核核心的團簇數目減少，形核率降低，細化效果變差。所以隨著孕育處理時間的進一步延長，伍德合金凝固組織的細化程度有所減弱。

2.3脈沖頻率對凝固組織的影響

固定脈沖電場的電壓為6V，用不同頻率的脈沖電場對500g伍德合金熔體脈沖孕育處理40s，所得試樣的凝固組織如圖6，圖7為凝固組織中Cd相平均尺寸的統計結果。由圖6，7可看出：脈沖電場頻率對伍德合金凝固組織的細化有較大影響，隨著脈沖電場頻率的不斷提高，伍德合金凝固組織的細化程度不斷提高；脈沖電場頻率為30Hz時，伍德合金凝固組織顯著細化，其中的Cd相平均尺寸為29.86μm，較未處理時減小了63.60%；脈沖電場頻率為50Hz，伍德合金試樣中Cd相平均尺寸進一步減小為24.15μm；脈沖電場頻率為80Hz，伍德合金試樣中Cd相平均尺寸相對有所增大，為33.82μm，但較未處理時仍減小了58.78%，伍德合金凝固組織仍得到很大程度的細化。脈沖頻率指單位時間內放電的次數。實驗過程中增大孕育處理脈沖電場頻率，即增大單位時間內向伍德合金熔體施加與撤銷電場的次數，相當于延長脈沖作用時間。因此隨著脈沖電場頻率的增大，熔體中大尺寸團簇數目增多，其形核率提高，伍德合金細化效果提高，其中的Cd相平均尺寸減小。

3結論

在不同參數下，采用脈沖電場對伍德合金的凝固組織進行孕育處理，結果表明：

1)一定范圍內，隨著脈沖電壓的增大，伍德合金組織細化程度明顯提高，當脈沖電壓為6V時，伍德合金中Cd相平均尺寸減小為31.15μm，且分布更加均勻；進一步提高孕育處理的電壓水平，其凝固組織得到細化，但Cd相平均尺寸較6V時略有增大，細化效果減弱。

2)伍德合金組織細化的效果與孕育處理時間密切相關，一定時間范圍內，隨處理時間的延長伍德合金凝固組織細化程度愈明顯，40s時Cd相平均尺寸最小，為29.86μm，之后細化程度減弱。

3)脈沖電場頻率對伍德合金凝固組織的細化也有較大影響，隨著脈沖頻率的增大，脈沖孕育處理細化伍德合金凝固組織的效果先增強后減弱，脈沖頻率為50Hz時，細化效果最明顯，凝固組織中Cd相的平均尺寸為24.15μm。

參考文獻：

[2]洪鵬，王海川，李新，等.脈沖電場對Fe-C-P系合金熔體凝固過程的影響研究[J].過程工程學報，2011,11(1):79-84.

[3]廖直友，王海川，李新，等.脈沖電場和稀土對Fe-C-P系合金凝固過程的影響[J].安徽工業大學學報(自然科學版)，2013,30(3):333-337.

[4]王建軍，周俐，金友林，等.脈沖電流對鋼凝固組織的影響[J].鋼鐵研究學報，2007,19(5):49-53.

[5]陳克全，王海川，錢章秀，等.電極施加方式對純銅凝固組織的影響[J].安徽工業大學學報(自然科學版)，2013,30(1):11-15.

[6]孫玉玲，劉興江.電脈沖處理對銅錫合金凝固組織的影響[J].鑄造技術，2014,35(3):497-499.

[7]郭麗麗，王倩，常國威.脈沖電場對Al-5.6%Cu合金柱狀晶間距的影響[J].鑄造，2004,53(7):531-533.

[8]陳崇峰.連鑄電磁攪拌速率影響因素的多元回歸分析[J].武漢冶金科技大學學報，1996,19(4):15-20.

[9]張奚東，樊養頤.伍德合金模擬鋼液的底吹研究[J].上海金屬，1994,16(2):20-24.

[10]張靜.連鑄電磁攪拌結晶器內鋼液流動的數值模擬與實驗研究[D].沈陽：東北大學，2011:74-104.

[11]王建中，蒼大強.金屬液態脈沖孕育處理：CN98100543[P].1998-02-27.

[12]王建中，齊錦鋼.金屬熔體電脈沖處理理論及應用[M].北京：科學出版社，2011:222-227.

作者:李航 李杰 夏云進 李浩 單位:安徽工業大學冶金工程學院