电流在金属凝固过程中的应用

电流在金属凝固过程中的应用 电流影响金属凝固组织的研究现状 连续电流的作用 脉冲电流的作用 连续电流作用机制分析 电流影响液态金属凝固组织的理论分析 脉冲电流作用机制分析 总结 控制液态金属凝固过程以细化其凝固组织的方法 化学细化法 如孕育处理 即在金属熔体内添加少量其他物质以促进形核和抑制生长 物理细化法 如电磁搅拌 机械振动等 外加物理场法 如施加超声场 电场 磁场等 细小均匀的等轴晶组织具有优良的加工性能和力学性能 20世纪80年代 MisraK在多元合金凝固过程中施加直流电 试验后发现凝固组织得到了改善 20世纪90年代初 NakadaM首次使用脉冲电流处理Sn Pb二元合金的凝固过程 结果发现凝固组织多为细小球状的等轴晶 电流凝固 电流凝固技术是在金属凝固过程中或在金属凝固前给金属熔体施加选定的电流 如直流电流 交流电流或脉冲电流等 从而改变金属凝固组织和性能 该技术具有无污染 操作方便 效果显著等优点 受到了材料工作者的高度重视 并显示出十分广阔的应用前景 电流处理前后对比 电脉冲处理前后铸铁三角试样断口 金属熔体的两种通电方式 电极插入方式主要有两种 一是将两个电极分别插入金属熔体的两端进行通电处理 二是在熔体一端将两个电极平行插入熔体中 两种通电形式在匹配的参数内都能显著细化凝固组织 但从工业安装应用方面讲 平行电极比上下电极方便 且平行电极的细化效果好于上下电极 所以多采用平行电极 金属熔体的两种通电方式 在液态熔体中施加电场能够引起熔体中不同性质的的离子产生运动 从而导致熔体成分的变化 通过电场对液态金属影响的研究建立了电迁移理论 在浓度梯度 焦耳热和洛伦兹力的共同作用下产生的电迁移对溶质分配系数k0具有重要的影响 由此导致 提高局部细化效果 成分的聚集导致凝固温度发生变化 减小成分过冷倾向 1电流影响金属凝固组织的研究现状 1 1连续电流的作用 印度学者Misra研究了30 40mA cm 2直流电流对过共晶PbSb15Sn7合金凝固组织的影响 发现凝固组织不仅得到了细化 而且变得更均匀 Flemings发明了制备非晶组织的凝固控制技术 这一技术的核心内容是对开始凝固的金属进行高电压大电流的放电操作 使所得的凝固组织明显细化 晶粒形状为表面光滑的球形或准球形 同时研究发现开始放电时间对晶粒细化效果影响很大 开始放电时间越晚 晶粒细化效果越差 国内外学者做过的一些相关的研究 初生相的形貌特征与电流开始作用时间的关系 顾根大对电流作用下金属定向凝固行为进行了系统的研究 通过对AlCu4 5 SnBi5和Al Si合金的试验结果表明 合金界面成分分配系数随电流密度增大而减小 凝固组织随着电流密度的增大而进一步细化 近年来 Ahmed等人通过进一步的试验 发现电流密度为50 400mA cm 2时 超耐热合金的组织发生如下变化 得到细化 相的形貌发生改变 偏析和气孔率得到抑制 Nakada等首先研究了大密度脉冲电流对过共晶Sn90Pb10合金凝固过程的作用 所用电容器电压为3Kv 脉冲间隔为20s 熔体凝固时开始放电 最后凝固组织由树枝晶转变为等轴晶 并且发现等轴晶的数量随电容器的充电电压升高而增多 李建明等通过对近共晶Sn60Pb40合金凝固过程的研究 进一步肯定了电脉冲在凝固过程中具有细化凝固组织的作用 1 2脉冲电流的作用 国内外学者做过的一些相关的研究 Barnak等人主要研究了脉冲电流密度对共晶Pb Sn合金凝固组织的影响 所采用的脉冲电流密度为150 1500Acm 2 脉冲有效放电时间为60 s 在整个凝固过程中施加电脉冲 得到以下结果 过冷度 T增加 共晶团尺寸显著减小 共晶层片间距没有显著变化 而且 电脉冲对初生富Pb枝晶的形貌 尺寸没有明显作用 不同脉冲电流密度处理对Sn Pb合金过冷度 T的影响 不同电流密度对Sn Pb合金共晶团尺寸的影响 唐勇等研究了电脉冲对高熔点金属 钢铁凝固组织的影响作用 研究者认为电脉冲的主要作用是减小柱状晶的尺寸和改善珠光体的形貌 其中引人注意的是有关珠光体形貌的改善 因为通常钢中的珠光体是由固 固相变而形成的 这表明电脉冲不仅对液态金属在凝固过程的相转变有作用 而且对凝固以后固态金属的相转变也有着一定的作用 2电流影响液态金属凝固组织的理论分析 2 1连续电流作用机制分析 电迁移效应 即液态金属中的各种离子在电场力的作用下发生定向迁移的现象 由于各种金属离子所带电量的不同 从而在定向迁移过程中的运动速度也不同 由此引起液态金属的流动速度为 式中 j为电流密度 为液态金属的密度 g为重力加速度 为粘度系数 为热膨胀系数 为传热系数 R为熔体半径 为溶质分配系数 液态金属的流动最终导致凝固过程中溶质分配系数k的变化 k的变化将对凝固组织产生很大影响 树枝晶转变为等轴晶组织 枝晶形貌也由树枝状转变为圆形或近圆形 焦耳热效应 电流通过金属熔体时 将产生焦耳热效应 从而将导致熔体温度的变化 T为式中 为材料的电阻率 为熔体的密度 c为比热容 t为通电时间 对于凝固体系来说 焦耳热相当于内热源 它将使凝固系统的整体冷速降低 过冷度减小 对于固液共存的凝固状态而言 由于液体金属的电阻率比同材质的固体金属高数倍 所以固相将是电流优先选择的通道 因而固相内产生的热效应将大于相邻的液相 因此完全有可能导致固相的重熔 降低固液界面的温度梯度 促进熔体的同时凝固 均匀长大 从而最终的结晶组织比较细小均匀 Peltier效应 电导率不同的两种材料接触时 接触面上会有接触电位差 进而产生了附加的热量 这一效应被称为Peltier效应 相应的这一热量称为Peltier热 用QP表示 其大小与通过界面的电流密度j成正比 其比例系数称为Peltier系数 如下式 在凝固过程中 由于固液两相的电导率存在明显的差异 所以在电流作用下 固液界面会产生Peltier效应 由此产生的Peltier热将导致固液界面上的凸出部分熔化 从而使界面趋于光滑圆整 因此可以理解电流作用将促进球形或准球形晶粒的形成 抑制树枝晶生长的试验事实 由于凝固系统中处于熔点附近的原子实质上处于一种近程有序状态 当电流作用凝固体系时 这些近程有序团的结构 尺寸和数量都会随着所加电场的强度 方向而发生变化 这种现象称为起伏效应 它包括结构起伏 能量起伏和温度起伏 而根据结晶的热力学条件和动力学条件可知 凝固体系中的结构起伏 能量和温度起伏都有助于晶体的生长 使凝固方式趋向于匀质形核和同时凝固 同时也细化了晶粒 起伏效应 2 2脉冲电流的作用机制 磁致收缩效应 当导体中有变化的电流通过时 由于电磁感应原理 将产生一个变化的磁场 在磁场的作用下 导电流体会出现向其中心轴收缩的现象 即磁致收缩效应 通过计算 单位面积熔体所受到的磁压力为 式中 流过熔体的总电流 R为导电熔体的半径 为真空磁导率 r为熔体内任意一点到轴线的距离 在磁压力的作用下 熔体反复被压缩 不断地前进和后退 熔体的这种运动 可使熔体迅速失去过热 从而增加过冷度 将对原子的扩散产生影响 抑制晶核长大 碎断树枝晶 脉冲电流的一个显著特点就是其突变性 作用时间非常短 大概为数十 s到数百 s 当高充电电压产生的高密度脉冲电流瞬间通过导电熔体时 将引起大量电子的快速定向漂移 形成强大的冲击波作用 可以想象 当冲击波足够大时 就完全有可能摧毁凝固过程中已经开始长大的树枝晶 产生很多形核质心 从而达到细化凝固组织的目的 但目前关于脉冲电流冲击波的理论研究还远远不够 冲击波作用 电流对金属的凝固过程可以产生明显的良性作用 细化晶粒 改善凝固组织 提高力学性能 凝固前的金属熔体中存在很多类固相原子团簇 而这些原子团簇将最终影响到凝固组织的优劣 如何对这种预结晶金属熔体中的原子团簇进行有效的处理是目前研究和探讨的重点 作为一种新工艺 电流特别是脉冲电流的磁致收缩和冲击波作用能否对熔体中的类固相原子团簇产生摧毁或细化作用 从而影响最终凝固组织 总结 试验研究离不开先进的设备 目前国内能提供的数百安培的电源尚不能满足试验的需要 因此在理论研究的同时要加强对相关设备的开发和研制 电流在凝固过程中将会得到更广泛的应用 人们也将在此技术的支持下对凝固过程及凝固本质获得更深刻的认识 谢谢