PDF《强磁场对 ！＂#$% 合金凝固组织中硅分布的影响 ！》

强磁场对 !"#$% 合金凝固组织中硅分布的影响! 王春江!) 王强!) " 王亚勤#) 黄剑!) 赫冀成!) !) (东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室, 沈阳 !!$$$%) #) (沈阳铸造研究所, 沈阳 !!$$#!) (#$$& 年'月!$ 日收到;

#$$& 年(月## 日收到修改稿) 为了揭示强磁场对金属凝固组织的影响规律, 本文研究了

0 (质量分数) 和)*+(,#.

/0 (质量分数) 合 金在强磁场作用下凝固组织的变化趋势, 分析了强磁场对合金凝固组织中 /0 分布的影响,研究发现, 均恒磁场和梯 度磁场分别通过洛伦兹力和磁化力的作用对合金的凝固组织产生影响, 强磁场可以显著改变初晶硅在合金中的分 布状况,在均恒磁场作用条件下初晶硅在合金中均匀分布;

在梯度磁场条件下, 由于磁化力和浮力的共同作用, 初 晶硅在试样的上部或下部聚集,同时, 磁化力也改变了共晶体在合金中的组织形态, 使试样上部和下部共晶体的层 片间距明显不同,理论和实验分析表明, )*+/0 合金在强磁场中凝固时, 磁场能作用于凝固过程, 使共晶体中的 )* 含 量增大, 共晶点向左偏移, 关键词:强磁场,凝固过程,共晶组织,)*+/0 合金 &!'':$1&&,!2%$,-!2$3 !国家自然科学基金 (批准号: &$21%$#1) 、 教育部优秀青年教师资助计划项目 (批准号: #$$2$#2) 和国家重大基础研究项目 (批准 号: 4! 资助的课题, " 通讯联系人, 5+670*: 879:;

7CT, #$$' ! " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " #$$' MU09,HUTF, /D@, !" 实验合金的制备 将按一定的质量百分比配备好的工业高纯铝块 (##$#%) 和高纯硅块 放入 &'! () 坩埚, 置 于电阻炉中加热到 #**+熔化, 保温 ,-, 使之充分熔 解, 然后将熔体降温到 .**+, 搅拌 /012 使之均匀混 合$从加热炉中取出坩埚, 将熔体迅速倒入冷石墨坩 埚, 空冷成型, 制备成 &'3,4$ #.%

51 (质量分数, 下同) 和&'3#$!%51 的合金铸锭, 最后在铸锭中切割出 直径为 #00 的试样供凝固实验用$ 合金凝固试验 &'351 合金在磁场中的凝固装置如图 , 所示$ 强 磁场由圆筒形超导磁体产生, 加热炉放置在超导磁 体空腔内, 其与磁体的相对位置可调节$为了保证磁 体的安全, 磁体和加热炉间装有水冷套, 其外壁附有 测温热电偶$合金试样的加热和凝固在氧化铝坩埚 中进行, 试样温度由固定在加热炉内的

6 型热电偶 控制, 为了避免污染, 所有实验都在真空气氛中完 成$试样在磁场中的位置分别为磁感应强度最大的 中心位置 !

078、 磁感应强度和磁场梯度乘积为正最 大的位置

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078 和磁感应强度和磁场梯度 乘积为负最大的位置 < ! (:!;

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078 $ 其中, 试样在 !078 位置时的磁感应强度分别为*= 和,!=, 在9!(:!;

#>) 078及 ・ .7 % ;

#? , #. 分别是初晶硅 和铝熔体的密度, #? ;

!@&0 ?A6.@ , #. ;

!@=0 ?A6.@ ;

"$ 和"% 分别为初晶硅的体积磁化率和铝的体积磁 化率'硅和铝的质量磁化率 (& !< %07 ( .@ 6?A) 分别 为[%!] : "%$ ;

7 0'@%, "%% ;

0'B%' 计算 结果表明, 试样位于4!(5!65") .-/ 和7!(5!65") .-/位置时, 试样中初晶硅受到的力分别 约为

7 )000 C6.@ 和%D000 C6.@ , 在此力的作用下, 初晶硅开始做加速运动, 并且随着运动速度的增加 其所受的黏滞阻力逐渐增大, 当速度增加到某一临 界值 '39 时, 初晶硅受力达到平衡, 开始匀速运动' 对0DB物理学报DD 卷 于直径为 !"# $$ 的初晶体, 计算表明 !%& 约为 ' $$( )"可见, 磁化力的作用效果远大于其他力的作用效 果, 是影响初晶体分布的主要因素, 在其作用下, 初 晶硅会分别向试样的下部和上部偏聚, 这与实验结 果是一致的" 另一方面, 所有试样表面都出现初晶硅宏观偏 聚的现象"通过在显微镜下对表面偏析的观察, 发现 在不同的条件下宏观偏析的偏析层厚度不同, 位于 * " (+"(+#) $,-位置和位于 . " (+"(+#) $,- 位置的试 样的偏析层厚度比位于 "$,-位置的试样的偏析层厚 度大, 不施加磁场的试样的偏析层厚度较施加强磁 场的试样的偏析层厚度大"王艳 [#/] 在研究 012#3456 合金在恒定磁场凝固时也发现了

56 的宏观偏析现 象, 并认为偏析层厚度随着磁感应强度的增大而增 加, 当磁感应强度达到一定值时, 甚至可发生共晶组 织分离现象"在本实验中, 没有磁场作用时试样也出 现了初晶

56 的偏析现象, 施加磁场时偏聚层厚度与 磁感应强度的关系也并非如其所述, 即不能找到偏 聚层厚度随磁场强度增加而增大的关系, 所以偏聚 现象还有待进一步研究" 对比图 ' (,) , (7) 和(8) , (%) , (+) , 可以发现在磁 场作用下的初晶硅的析出量明显多于没有施加磁场 时的初晶硅析出量, 且初晶

56 不仅分布于试样的边 缘区域, 说明磁场促进了

01256 合金中的硅和铝的分 离"由于在强磁场中对流受到抑制, 所以金属中热量 散失速率降低, 这样合金冷却过程的延长导致初晶

56 有充分的时间形核和长大"另一方面, 从能量的角 度来看, 在忽略磁场对吉布斯自由能的影响的前提 下, 在磁场中形成初晶

56 和01256 共晶组织时凝固 体系都伴随着磁场能的变化, 当形成共晶组织时, 共 晶铝析出时具有的磁场能为 $$,9# , 共晶

56 析出时 具有的磁场能为 $$,9' , $$,9 : "' ((' !) , 其中, ! 为 材料的绝对磁导率, 且! : (# *") !! , 其中" 为材 料的体积磁化率, 在这里, 假设材料的体积磁化率为 定值"则在磁场中发生共晶转变时析出共晶硅和共 晶铝的能量差为 !$$,9 : $$,9' . $$,9# : "' ' # !56 . # ! ( )

01 : "' ' !56!01 (!01 . !56) : !! "' ' !56!01 可见, 共晶凝固时施加强磁场后析出更多的共晶铝 成分可以使系统的能量更低, 相当于合金的共晶点 左移" 过共晶成分的

01256 合金在强磁场中凝固时, 首先会析出初晶 56" 一方面强磁场的作用下凝固过 程变缓有利于初晶

56 的形核和长大, 另一方面, 当 剩余液相成分满足强磁场下共晶反应的成分要求时 共晶转变才能发生, 上述两方面的原因共同作用使 得01256 合金在磁场中析出更多的初晶 56" 为了进一步验证强磁场下

01256 合金的共晶点 左移的实验结论, 针对 012P,6] [!.] $#/B I, K'#/ O G, O? ( I,)'? O G !PM('/ (0'/121) [王艳、 边秀房、 徐昌业、 刘相法 +,,

, 金属 学报 %) !PM] . P L + 期 王春江等: 强磁场对 3;

[4' 合金凝固组织中硅分布的影响 0)12%)'- '" 3)02$%20#& '" 4.!3) ,..'5! - 0'

01 )*(%&1#$+) +) 012%),'- 3,-,4)2)('5%6-"),2 7('2"44,-6 '* 3%)"(,%.4, +'()8"%4)"(- 9-,:"(4,)#, ;

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