冶金業(yè)電磁凝固研究論文

　　1引言

　　在材料科學(xué)領(lǐng)域里，控制材料的凝固過程是提高傳統(tǒng)工程材料和鑄件性能以及開發(fā)新材料的重要途徑。近幾十年來，人們在利用各種手段控制凝固過程的研究和生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，綜合利用電磁場的多種功能對金屬的凝固過程進(jìn)行控制有著明顯的優(yōu)越性。電磁場下的凝固技術(shù)是指在液態(tài)合金凝固過程中施加以電磁場來控制材料組織和性能的方法。該方法在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中有其自身獨(dú)特的特點(diǎn)，如：細(xì)化晶粒、改善偏析、獲取單一組織、制備鋼鐵半固態(tài)坯料等，并且該方法具有不改變合金的原有成分、無污染、無接觸、設(shè)備簡單、操作方便等其它細(xì)化方法不可代替的優(yōu)點(diǎn)，所以這一技術(shù)一經(jīng)出現(xiàn)就受到了人們的極大關(guān)注，目前已經(jīng)取得了顯著的成果，并已在實(shí)際生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。如何能進(jìn)一步拓展電磁凝固技術(shù)的應(yīng)用空間，讓這一技術(shù)更好的應(yīng)用與于冶金生產(chǎn)及材料的加工方面，仍然是有待探索與解決的問題。

　　2材料電磁凝固過程技術(shù)簡介

　　電磁場在冶金生產(chǎn)過程中的作用，實(shí)質(zhì)上是通過電磁場與熔融金屬液相互感應(yīng)產(chǎn)生電磁力，作用于金屬流體以達(dá)到預(yù)期目的。目前，把這種研究電磁場與流動之間相互關(guān)系的科學(xué)，稱為電磁流體力學(xué)。材料電磁過程是指將磁流體力學(xué)與材料加工技術(shù)結(jié)合起來，將電磁場應(yīng)用于材料制造和加工過程，從而實(shí)現(xiàn)對材料工藝過程的控制及材料組織和性能的改善。

　　2.1材料電磁凝固過程技術(shù)使用的電磁場

　　材料電磁過程技術(shù)使用的電磁場主要有以下幾種：①由傳統(tǒng)線圈產(chǎn)生的普通強(qiáng)度的直流磁場。主要用于控制液體金屬的流動：例如，作為電磁制動抑制連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液的流動，抑制中間包內(nèi)鋼液的紊流等。②由超導(dǎo)線圈產(chǎn)生的高強(qiáng)度的直流磁場。主要用于控制液體金屬的流動；控制液體金屬的形核、生長等凝固過程，開發(fā)新材料。③頻率從幾赫茲到數(shù)十赫茲的交流磁場。交流磁場是材料加工過程中應(yīng)用最廣泛的一種磁場，可以通過磁場頻率的選擇，將其應(yīng)用于感應(yīng)加熱、電磁攪拌、電磁加壓、電磁傳輸?shù)裙に囘^程，是控制液體金屬傳輸?shù)挠辛κ侄巍＂芷渌厥獯艌觥＠纾苿哟艌觥⒚}沖磁場、變幅磁場等。主要用于高效、節(jié)能等新技術(shù)工藝的開發(fā)。上述各種磁場不僅可以單獨(dú)使用，還可以幾種磁場或磁場和電場共同使用于某一材料加工過程。

　　2.2電磁場對凝固組織的影響

　　電磁場主要是通過電磁力對熔融金屬液起抑制或攪拌作用。不同的電磁場產(chǎn)生的電磁力大小、形狀、方向都不同，對凝固組織的影響也不同。

　　2.2.1直流磁場對凝固組織的形態(tài)的影響

　　直流磁場產(chǎn)生的直流磁束既可抑制液態(tài)金屬中的自然對流，也可抑制固液界面處晶核的生長，從而有利于形成柱狀晶組織，為發(fā)展單晶體提供了有利條件。目前，國際上已有人根據(jù)直流磁束抑制鋼液流動的作用，應(yīng)用于連鑄澆口處的鋼流，從而開發(fā)了一種能止噴出流的電閘，防止和降低連鑄件內(nèi)非金屬夾雜物的聚集帶[1]。國內(nèi)也有人將直流磁場用于拉制單晶硅的過程及金屬成形的控制等方面，尤其是西北工大在這方面做了大量的工作[2][3]。

　　2.2.2交流磁場對凝固組織形態(tài)的影響

　　交流磁場作用于熔融金屬時(shí)，則產(chǎn)生定時(shí)改變方向和大小的體積力。該力可對正在凝固中的熔融金屬實(shí)施攪拌，使凝固界面產(chǎn)生結(jié)晶的熔解、枝晶的折斷與脫開，同時(shí)使結(jié)晶核移動呈活潑狀態(tài)，并促使結(jié)晶組織等軸晶化。其作用正好與直流磁場作用相反。諸多交流磁場形式中，旋轉(zhuǎn)磁場是其中一種較普遍采用的形式。旋轉(zhuǎn)磁場與液態(tài)金屬相互作用，對正在結(jié)晶的金屬液產(chǎn)生強(qiáng)烈的攪拌作用，使金屬液處于不同于重力狀態(tài)下的結(jié)晶狀態(tài)，凝固模式發(fā)生變化，成為一種不平衡結(jié)晶。電磁攪拌最早用于考察液態(tài)金屬流動對有色金屬凝固過程和凝固組織的影響。但60年代初，Langen．berg等人[4]報(bào)道了交流磁場可顯著細(xì)化鋼錠的凝固晶粒以后，該技術(shù)才得到了蓬勃發(fā)展和廣泛應(yīng)用。電磁攪拌還可改善鑄件的冶金質(zhì)量，消除宏觀偏析[5]。大部分的研究工作，都是對定向凝固過程中采用旋轉(zhuǎn)磁場來實(shí)現(xiàn)電磁攪拌的。

　　3電磁凝固技術(shù)在冶金生產(chǎn)中的應(yīng)用探索

　　對于材料電磁凝固技術(shù)的研究的主要目的在于應(yīng)用。拓展其在冶金及材料加工方面的應(yīng)用，讓電磁凝固技術(shù)更好、更有效地應(yīng)用于生產(chǎn)，還需要不斷地探索與大量的試驗(yàn)研究。

　　3.1拓寬電磁凝固技術(shù)的應(yīng)用范圍

　　目前，材料電磁凝固技術(shù)主要應(yīng)用于砂型鑄造方面，進(jìn)行材料組織與性能的改變。在特種鑄造方面，電磁離心鑄造是近年來發(fā)展起來的一種新穎的凝固技術(shù)，該技術(shù)可以改善耐熱鋼的宏觀凝固組織，從而可應(yīng)用其制造梯度復(fù)合材料[6]。特種鑄造包含有離心鑄造，金屬型鑄造、壓力鑄造、低壓鑄造及熔模鑄造等多種鑄造方式，能否將電磁技術(shù)應(yīng)用于這些特種鑄造生產(chǎn)，以改善鑄件的凝固組織與結(jié)構(gòu)，制造出符合要求的相關(guān)設(shè)備，值得我們探索與思考。其次，對于材料的熱加工方法除包含鑄造加工外，還包括鍛壓生產(chǎn)及焊接生產(chǎn)。對于鍛壓件，可以采用電磁技術(shù)控制其成形過程，并且在鍛件冷卻過程中能否嘗試采用電磁技術(shù)對其固態(tài)組織與性能進(jìn)行控制；對于焊接件焊接時(shí)，由于焊縫金屬凝固較快，焊縫的質(zhì)量難于控制，容易產(chǎn)生應(yīng)力及變形等缺陷，那么，能否嘗試在焊接過程中對焊縫金屬施以電磁凝固技術(shù)，控制其凝固速度，讓焊縫化學(xué)成分趨于均勻，從而改善并提高焊縫的質(zhì)量，也值得我們?nèi)パ芯考翱甲C。

　　3.2毛坯件的生產(chǎn)方面

　　對于一些要求有較高性能的機(jī)械構(gòu)件，如最常見的齒輪，軸類零件等，其毛坯件往往是選擇鍛件、軋制件或擠壓件，因?yàn)殍T造工藝不能滿足其力學(xué)性能和使用性能的要求。而鍛造生產(chǎn)條件差、勞動強(qiáng)度大，對原材料的利用率較低，且生產(chǎn)周期長，鍛模的制造成本高，鍛件的切削加工性差；軋制件和擠壓件的表面質(zhì)量又難于控制，表面精度低，易產(chǎn)生裂紋等缺陷。若能對這些常用機(jī)械構(gòu)件的毛坯件改用電磁鑄造的方式來生產(chǎn)，通過磁場力來控制鑄件的凝固過程，獲得我們所需要的微觀組織與性能，這樣，與鍛造生產(chǎn)相比，可以改善鍛造工人的勞動強(qiáng)度和工作條件，節(jié)省成本，提高原材料的利用率，減少其機(jī)械切削加工前的熱處理工序，提高生產(chǎn)率；與軋制與擠壓工序相比，電磁鑄造可以控制零件的表面質(zhì)量，減少表面缺陷，提高力學(xué)性能。

　　3.3毛坯件的選材方面

　　不同材料的毛坯件，其本身的性能不同。如20鋼和45鋼，都屬于優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，但是由于含碳量不同，導(dǎo)致其力學(xué)性能不同。若均采用軋制的方式制作軸類圓鋼毛坯件，45鋼的綜合力學(xué)性能要高于20鋼。若將20鋼材料以電磁鑄造的方式凝固成形來制作圓鋼毛坯件，通過晶粒細(xì)化，獲得中心細(xì)小的等軸晶區(qū)，且可以輔助安排熱處理工序來共同提高其力學(xué)性能，從而達(dá)到45鋼軋制件的綜合要求。這樣推廣開來，不僅可大大節(jié)省原材料的成本，而且可改善不同材料的制造及應(yīng)用范圍，拓展材料的利用率。

　　3.4零件的加工方面

　　要將經(jīng)過熱加工制得的毛坯件應(yīng)用于生產(chǎn)，一般均要對其進(jìn)行切削加工及熱處理工序。機(jī)械切削加工的主要目的是提高零件的尺寸精度與形位精度，獲得符合裝配及使用性能要求的零部件。熱處理工序是穿插在切削加工工序中，目的是改變零件的力學(xué)性能，以滿足其加工或使用的需要。任何一種熱處理方式均包含加熱、保溫及冷卻三個(gè)步驟，不同的金屬材料在不同的熱處理方式下，其加熱溫度、保溫時(shí)間及冷卻速度均不相同。若在金屬材料熱處理工藝中采用電磁技術(shù)，觀察其對材料固態(tài)組織的影響，則可討論該技術(shù)對材料熱處理領(lǐng)域的影響程度與可行性。