电流在金属凝固过程中的应用汇总

等
外加物理场法：如 施加超声场、电场、
磁场等。
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。
不同电流密度对Sn-Pb合金共晶团尺寸的影响 不同脉冲电流密度处理对Sn-Pb合金过冷度ΔT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。
国内外学者做过的一些相关的研究
➢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。
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：
VI aj2
式中：a
Lg(2R)4 144LkeL
；j为电流密度；L 为液态金属的密度；g为重
力液k eL加态为速金溶度属质；的分流配动为系最粘数终度。导系致数凝；固β为过热程膨中胀溶系质数分；配L系为数传k热的系变数化；，Rk为的熔变体化半将径；
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，
0
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，① 可使熔体迅速失 去过热，从而增加过冷度② 将对原子的扩散产生影响；③ 抑制晶核长大， 碎断树枝晶。
冲击波作用
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μs 到数百μs 。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60μs,在整个凝固过程 中施加电脉冲,得到以下结 果:① 过冷度ΔT增加 ② 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
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
电流影响液态金属凝固组织的理论分析
连续电流作用机制分析 脉冲电流作用机制分析
总结
细小均匀的等轴晶组织具有 优良的加工性能和力学性能
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
总结
① 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 ② 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。 ③ 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。
控制液态金属 凝固过程以细 化其凝固组织
的方法
✓20世纪80年代，Misra K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，Nakada M 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。
物理细化法：如电 磁搅拌、机械振动
金属熔体的两种通电方式
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
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： ① 提高局部细化效果 ② 成分的聚集导致凝固温度发生变化 ③ 减小成分过冷倾向
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。
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：
P
0I2r2 8 2R4
R
式中：I 2rj(r)dr ——流过熔体的总电流；R为导电熔体的半径； 0
1.2 脉冲电流的作用 国内外学者做过的一些相关的研究
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。
ΔT为
T j2 et / c
式中： e 为材料的电阻率, ρ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
初生相的形貌特征与电流开始作用时间的关系
开始作用时间
无电流作用 凝固刚开始15s 凝固过程后半段
初生相
树枝状 球状 树枝状
✓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50～400 mA·cm-2时，超耐热合金的组织发生 如下变化： ① 得到细化 ② γ´相的形貌发生改变 ③ 偏析和气孔率得到抑制
QP PSL • j
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。
起伏效应
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
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。
⑤ 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。 ⑥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