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作者：張毅

   金屬凝固過(guò)程和晶粒細(xì)化的方法主要有化學(xué)細(xì)化法、物理細(xì)化法、外加物理場(chǎng)法其中，化學(xué)細(xì)化法是目前應(yīng)用最廣泛的方法，但是會(huì)帶人雜質(zhì)，不利于金屬的重復(fù)利用；物理細(xì)化法使用具有局限性，設(shè)備比較復(fù)雜，但細(xì)化效果較好；外加物理場(chǎng)法不會(huì)帶來(lái)外來(lái)雜質(zhì)，材料純度高，細(xì)化效果好，脈沖電流是外加物理場(chǎng)法中的一種，脈沖電流施加在金屬的凝固過(guò)程不會(huì)帶入雜質(zhì)，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，是一種成本低廉、操作簡(jiǎn)易、方便環(huán)保的方法�，F(xiàn)階段的研究采用的脈沖電流大多都是高電壓、大電流，危險(xiǎn)性較大，不利于在工業(yè)中的應(yīng)用。因此，研究低壓、低頻率脈沖電流對(duì)金屬凝固過(guò)程的影響具有積極意義。

1試驗(yàn)方法

  試驗(yàn)選用純度為99 94%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的工業(yè)純鋁作為脈沖處理試驗(yàn)材料。采用的脈沖電源為自制的中低頻低壓脈沖電源（脈沖電壓為10 V.頻率為50 Hz、占空比為60%、電極深度為45 mm）。試驗(yàn)器材有脈沖電源、DL2-15型水冷式電阻爐、剖分式鋼模、流槽、高純度石墨電極、天然氣加熱槍、紅外測(cè)溫儀、熱電偶測(cè)溫儀、除雜裝置、除氣裝置等。

  試驗(yàn)選用20 kg鋁錠，將鋁錠切割為小塊，再將鋁塊進(jìn)行清清處理之后放置于電阻爐內(nèi)加熱熔化，待鋁液] 溫度達(dá)到750 C后進(jìn)行除氣除雜處理，然后在770 C保溫0.5 h出爐。將尺寸為Ø70 mm×130 mm的金屬型預(yù)熱至280℃，將鋁渡傾倒人其中并通入脈沖電流進(jìn)行處理。鋁被澆注之后置于室溫下進(jìn)行空冷。試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。為保證試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)一性，試驗(yàn)用鋁錠為同一批次鑄造而成。電極都放置于≠35 mm與鑄型剖分線的兩個(gè)交點(diǎn)上。每組數(shù)據(jù)均進(jìn)行3次試驗(yàn)，取平均值。

  將經(jīng)過(guò)不同參數(shù)脈沖電流處理的試樣在相同的位置沿橫向和縱向剖開(kāi)。縱向剖開(kāi)位置都選為電極中心線剖開(kāi)（即鑄型剖分線）。橫向剖開(kāi)位置都選為從底部起20 mm處剖切。對(duì)試樣進(jìn)行打磨，采用砂紙逐級(jí)研磨，然后進(jìn)行拋光處理。采用混合酸腐蝕劑（HNO3.HF、H、H2O)體積比為3：3：9：5）腐蝕拋光表面，觀察其表面的宏觀組織。

2試驗(yàn)結(jié)果

  試驗(yàn)采用高純度石墨作為電極，料產(chǎn)生影響，做了未通電情況下施加的對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)高純度石流流過(guò)時(shí)并不會(huì)對(duì)純鋁鑄造組織產(chǎn)生

2 .1 電壓對(duì)純鋁組織的影響

  圈2為電壓對(duì)純Al試樣截面凝固2中可以看出，當(dāng)施加的脈沖電達(dá)固組織依舊是以柱狀晶為主，與圖2a組織狀態(tài)相似，細(xì)化效果不理想。此后隨著脈沖電壓的增大，試樣底部中心區(qū)域逐漸出現(xiàn)越來(lái)越多的等軸晶，由外向內(nèi)生長(zhǎng)的長(zhǎng)條柱狀晶被碎斷；當(dāng)處理的脈沖電壓為10V時(shí)，試樣組織晶粒細(xì)化效果非常顯著（見(jiàn)圖2e），該截面中心區(qū)域產(chǎn)生大量分布均勻、尺寸較小的等軸晶組織，粗大的柱  狀晶區(qū)域面積縮小。從圖2中橫截面宏觀圖像可以看  出，隨著脈沖電壓升高，橫截面葉1心區(qū)域外圍粗大的樹(shù)  枝品呈現(xiàn)變短變細(xì)的趨勢(shì)，內(nèi)部等軸晶面積逐漸增大，等軸品尺-有所減小。

  圖3和圖4分別為不同電壓下合金的等軸晶面積和截面等軸晶尺寸。可以看出，隨著電壓的增大，等軸晶的晶粒尺寸和面積分?jǐn)?shù)都出現(xiàn)了波動(dòng)性變化。隨著電壓的增大等軸晶的面積分?jǐn)?shù)不斷增加，晶粒不斷變細(xì)。在電壓達(dá)到最大值時(shí)等軸晶面積分?jǐn)?shù)達(dá)到最大，晶粒尺寸最為細(xì)小。

2 .2占空比對(duì)純鋁凝固組織的影響

  圖5為占空比對(duì)純鋁試樣凝固組織的影響。由圖5可以看出．隨著占空比的不斷增大．品粒不斷細(xì)化，在占空比為60%時(shí)細(xì)化效果最佳．隨后晶粒義不斷地變粗。在橫截面和縱截面中等軸晶的面積分?jǐn)?shù)也隨著占空比的增加而先增大后減小，在60%時(shí)達(dá)到最大值。

  占空比為15%的脈沖電流處理純鋁熔體后-鑄錠截面中心區(qū)域等軸晶面積有一定程度的增加，但縱截面頂端區(qū)域大多仍然是粗大的樹(shù)枝品，橫截面中心外部樹(shù)枝晶較大，組織細(xì)化效果不明顯。隨著占空比的逐漸增大，縱截面及橫截面中心等軸晶區(qū)域先擴(kuò)大后縮小一當(dāng)占空比為60%時(shí)·等軸晶區(qū)域面積最大。

  圖6和圖7分別為截面等軸晶尺寸和面積分?jǐn)?shù)隨占空比的變化。可以看出，隨著r/空比的增大，等軸晶面積分?jǐn)?shù)先增大后減小，晶粒尺寸先減小后增大；當(dāng)占空比由15%提高至60%，試樣縱截面等軸晶面積分?jǐn)?shù)由18. 1%提高為45.5%，晶粒尺寸由2.3 mm減小為1 58 mm2，試樣橫截面等軸晶面積分?jǐn)?shù)由27.5%增大為39. 9%．平均晶粒尺寸由2 4 mm2減小為1 3 mm2 當(dāng)占空比為90%時(shí)，縱截面和橫截面等軸晶面積分?jǐn)?shù)分別減小至6 3%和225%，下降幅度很大，同時(shí)晶粒尺寸分別為2. 74 mm2和2 44 mm2。由此可見(jiàn)．脈沖電流的占空比在一定范圍內(nèi)的變化能夠改善純鋁的凝固組織。

2 3力學(xué)性能分析

2 3 1拉伸力學(xué)性能

  對(duì)試驗(yàn)中最佳占空比條件F的材料和未施加脈沖電流的材料分別進(jìn)行了力學(xué)性能分析，結(jié)果見(jiàn)圖8。其中的試樣A為未經(jīng)脈沖電場(chǎng)處理的鑄錠，試樣B為組織細(xì)化效果最佳的鑄錠。由圖8可知．經(jīng)脈沖電流處理的試樣抗拉強(qiáng)度由50. 03 M Pa增大為56. 98 M Pa，提高了 1:3. 9%；屈服強(qiáng)度由19. 29 M Pa增大為21 09M Pa，提高了9 3%；伸長(zhǎng)率從32. 8%提高到36. 2%，提高了10. 4%．表明純鋁在經(jīng)過(guò)一定脈沖電流處理后，強(qiáng)度，塑性均得到提高。

2 3.2試樣斷口分析

  圖9為脈沖電流處理前后拉伸試樣斷口中心區(qū)域組織形貌。圖9a中整個(gè)斷口雖然表現(xiàn)出塑性變形后的斷裂特征，但是韌窩分散，斷口面積小，說(shuō)明參與變形晶粒較少，晶粒分布不均勻，最后承受不大的載荷時(shí)便發(fā)生斷裂；圖9b中斷口面積較大，韌窩清晰，可見(jiàn)該組織在拉伸時(shí)能夠承受較大的載荷和變形量。

  根據(jù)Hall-Petch定律，材料的屈服強(qiáng)度隨著平均晶粒直徑的減小而提高。采用脈沖電流施加于純鋁的凝固過(guò)程中減小材料的晶粒直徑，從而達(dá)到增強(qiáng)材料強(qiáng)度的目的。這也和力學(xué)試驗(yàn)的結(jié)果相符合，進(jìn)一步驗(yàn)證了試驗(yàn)的正確性。

3分析及結(jié)論

式中，I為形核率；A'為不依賴溫度的常數(shù),D'為截流介質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù),w0為未加電脈沖時(shí)的熱力學(xué)勢(shì)壘；k為波爾茲曼常數(shù)；T0為未加電脈沖時(shí)的形核溫度；Te為焦耳熱引起的溫度變化值。

  此時(shí)焦耳熱起主要作用并使介質(zhì)的溫度升高。

由于液態(tài)金屬的電導(dǎo)率比同材質(zhì)的固體金屬小很多，所以脈沖電流優(yōu)先選擇通過(guò)固相，使固相內(nèi)產(chǎn)生的熱效應(yīng)大于相鄰的液相。這將會(huì)降低固液界面處的溫度梯度和增加固液界面的穩(wěn)定性，一方面當(dāng)脈沖電流強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，焦耳熱效應(yīng)使柱狀晶的生長(zhǎng)幾乎停止，甚至使得固液界面上粗大的枝晶固相重熔為游離晶核；另一方面電流通過(guò)金屬熔體時(shí)會(huì)增加液相的對(duì)流，使金屬熔體中的溶質(zhì)場(chǎng)均勻化，抑制枝狀晶的擇優(yōu)生長(zhǎng)，促進(jìn)金屬初生相的均勻生長(zhǎng)，從而細(xì)化凝固組織。熱效應(yīng)加大了熔體的過(guò)冷度，從而使得晶粒得到細(xì)化。脈沖電流對(duì)于過(guò)冷度的影響并不是一個(gè)線性的過(guò)程。當(dāng)脈沖電流達(dá)到一定的強(qiáng)度時(shí)，使得過(guò)冷度達(dá)到最大，繼續(xù)增強(qiáng)也會(huì)使過(guò)冷度減小，從而影響形核率而使得晶粒變粗。因此當(dāng)只改變占空比時(shí)，隨著占空比加大過(guò)冷度加大，使得形核率不斷升高、等軸晶面積加大。在占空比達(dá)到60%附近時(shí)過(guò)冷度達(dá)到最大，這時(shí)等軸晶尺寸達(dá)到最大，之后雖然占空比不斷加大，但是過(guò)冷度降低，形核率下降，導(dǎo)致晶粒變粗。

4摘要采用自行設(shè)計(jì)的低頻低壓脈沖電源對(duì)工業(yè)純鋁進(jìn)行處理。脈沖電流處理的熔體宏觀組織從外向內(nèi)生長(zhǎng)的長(zhǎng)條柱狀晶被碎斷，外圍粗大的樹(shù)枝晶呈現(xiàn)變短變細(xì)趨勢(shì)。隨著脈沖電壓不斷增加，等軸晶面積不斷加大'晶粒尺寸不斷減小’影響程度呈現(xiàn)衰弱的趨勢(shì)。當(dāng)占空比不斷增大時(shí)，等軸晶面積和晶粒尺寸的影響呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)·當(dāng)占空比為60%時(shí)，熔體處理效果最佳。最佳件與未施加脈沖試樣相比，布氏硬度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率分別提高10%，13 9%、9 3%、104%。試驗(yàn)表明，脈沖電流影響了鋁熔體在凝固過(guò)程中的過(guò)冷度，使得晶粒細(xì)化程度出現(xiàn)波動(dòng)一這種影響是多種參數(shù)共同作用的結(jié)果，但并不是線性關(guān)系。