强磁场对Al

强磁场对Al-Si合金的变质效果的影响（1）大连理工大学材料工程学院（2）大连海事大学机电与材料工程学院摘要：强磁场对Al-6%Si亚共晶合金，Al-12.6%Si过共晶铝硅合金，Al-18Si%过共晶铝硅合金的研究。

对于Al-6%Si而言，发现通过加入Na盐改良后的样品在强磁场作用下未发生失效。

对于Al-12.6%Si，在改性反应的温度如果样品通过Na盐改良，强磁场可以延缓变质有效时间。

对于通过P盐改良过的Al-18%Si合金，凝固组织中初生硅集中出现在样品的边缘，试样中心磁场强度低。

而初生硅均匀分布在样品上则是在施加高磁场的情况下实现的。

这被认为是强磁场能抑制熔体的对流。

1.介绍在铝硅合金中，铝硅共晶合金的铸造性能最好。

铝硅共晶和亚共晶合金共晶Si相的形态结构、大小和分布的力学性能，高度涉及粗针状共晶硅铝基体严重割裂导致的应力集中，降低机械性能，特别是韧性。

诱变的过程是改变形状，共晶硅的大小，即改变共晶硅由粗大的针状形状到薄的纤维，以提高铝硅合金的机械性能。

变质可以通过添加一些元素或快速冷却来实现，其中前者的应用更为普遍。

元素Na，Sr，Sb等通常用作变质剂，其中Na元素是最有效的。

但其变质有效时间短，变质后30-60min，重熔后Na化改性就会消失。

因此，它往往会被比Na稍差一点的Sr 取代。

为了解决这两个问题为钠化改性是很重要的。

对Al-Si过共晶合金，改性过程是通过外来晶核细化初生硅熔体供给。

例如,改性可以通过添加P盐来实现。

细化初晶硅的目的是结合铝和高熔点的ALP形式可作为外来晶核。

如果初晶硅分布均匀，那么对Al-Si过共晶合金具有良好的切削性能改进。

因此，研究初晶硅的分布很重要。

结果发现，利用旋转磁场细化铝枝晶尺寸会使改性效果进一步增强。

Shieta研究了Al-Cu合金和0.12T磁场对凝固组织定向凝固特点的影响。

Hideyuki等人研究发现凝固铜与磁场悬浮物在1T磁场环境下铜对流熔体难以控制。

对于超导材料的发展，高大约10T的磁场是可用和可研究的，如材料，提高材料性能、开发新材料的宏观或微观控制过程，理化反应与Lorenz磁性材料等成为了今后研究的课题。

例如，铅铜15%偏晶合金凝固组织合金团块状和偏析出现在铅铜35%过偏晶合金在没有强磁场的条件下。

但是，铅铜15%合金的凝固组织在铅铜35.55%合金的偏析与强磁场明显提高情况下会变细。

然而，在高磁场对Al-Si合金的变质效果中却没有研究。

在本研究中，对高磁场对质量的影响，重熔和有效时间的Na盐改性铝硅亚共晶合金和Al16%-12.69%Si共晶合金进行了研究。

研究了高磁场对经过P盐变质处理后Al-18%Si过共晶合金初生硅的分布影响。

2.实验Al-6%Si，Al-12.69%Si和Al-18%Si（质量分数，%)合金是由ZL102（抚顺产）纯铝或纯硅制成的。

ZL102合金成分如下11.9%的Si，0.019%的Mn，0.089%的Cu，0.02%的Ti，0.5%的Fe，0.005%的Zn，0.01%的Mg和平衡铝制成的。

实验装置如图一所示。

产生高磁场的内直径为100mm，高度为460mm，最大磁通量密度为10.02吨，自制加热炉直径和高度为30mm和460mm。

该炉采用直流3500w最大加热功率，温度可达1000℃以上，可以通过调整电压改变。

在实验中，加热炉是把在装置中的水冷管安放在装置的内壁和炉之间，冷却水由下向上流动。

用K型热电偶测量温度。

把固体铝硅合金放进一个内径和外径分别为20mm和24mm的瓷管内，把管放进炉子里，然后开始加热。

对于Al-6%共晶铝硅合金，在改性反应温度达到720℃时添加大约2%的HGB-4在集管中。

该HGB-4由氯盐、钾盐、氯化钠等，其中氟化钠添加占比50%。

当温度降低到520℃时候，实验制作：（1）启动强磁场发生器（它需要对磁通密度从0T至10T 13min），加热20min后停止加热。

在炉中冷却的样品保持温度。

（2）热样品再次开始重熔，同时保持高的磁场。

样品的温度在720℃加热20分钟后停止加热，在炉中冷却样品。

对Al-12.6%Si合金，在改性反应温度（760℃）时添加HGB-2 2%的量到Al-12.6%Si 合金中。

HGB-2主要由氯盐和氟化钠组成，氟化钠占比60%。

改性反应后，开始添加高磁场在760℃条件下保持20min至40min，然后停止加热，在炉中冷却样品。

对Al-18%过共晶合金来说，在改性反应温度达到780℃时，添加P盐，占比1.5%到Al-18%Si所在集管中。

在改性反应过后升高磁场，在780℃温度下保持20min-40min，然后停止加热，在反应炉中冷却试样。

在所有的实验中冷却速度是20℃/min，待样品冷却至室温后停止高磁场。

在无强磁场条件下重复上述实验。

在每20mm从底部切割样品，研磨和抛光，然后用0.5%的氢氟酸腐蚀部分。

光镜下观察横、纵断面的凝固结构并为其拍照。

3.结果3.1 Al-6%Si合金图2显示了固化样品结构在520℃温度下保持20min。

结果表明，在520℃和有无强磁场条件下凝固组织共晶硅纤维变得纤细。

高磁场不影响改性以后的固化后样品。

图3显示了重熔样品保持在720℃连续20min的固化结构。

结果如图，共晶硅的粗片状或针状，和Si的分布是不均匀的在磁场不高条件下。

在高磁场条件下，共晶硅成细纤维状并且分布均匀。

αAl变得圆钝。

当改性样品进行了重熔以后，变质失效的情况下即使没有高磁场也会有高磁场的效果。

图4显示的是样品在760℃条件下保持20min。

从图4显示可以看出，共晶硅变得细小、均匀，在高磁场下产生更多的颗粒硅。

高磁场改性后明显优于无强磁场条件下的样品。

因此，在Na盐改性的样品保持在改性反应温度条件下20min无强磁场条件下，改性质量严重下降。

样品类似于失败的改性样品。

但是改性效果仍旧具有在高磁场条件下改性的质量。

图5显示凝固结构的样品保持在760℃40min。

结果表明，在无强磁场的共晶硅变得粗糙明显，共晶硅是粗状或针状的，且共晶硅之间的距离会变得比保持20min 时的样子大。

改性效果几乎消失。

然而，高磁场条件下，虽然共晶硅比保持20min 还长，共晶硅的密度和形状是扭曲的，其长度较短，无高磁场。

也就是说，保温40miin 改性效果不高的磁场大大下降之后。

在高磁场条件下，虽然下降，仍然发生，改性效果保持在一定温度。

此外，高磁场条件下，在保持40min比在无强磁场条件下保持20min改性效果好。

对于共晶硅的变化，计算共晶硅以方形的10mm*10mm的照片数数的计量方法进行分析，结果如图一所示。

结果表明，保温四十分钟的时候，共晶硅的横、纵截断面的平均数为十四的条件下，无磁场和高为34的条件下具有高的磁场。

相比无磁场，改性20min高磁场共晶硅的数量大概是2倍；无强磁场的条件下，改性40min，共晶硅的高磁场的数量大约是2.5倍。

证明了高磁场条件下共晶硅大大的提高。

图6和图7显示凝固结构的样品保持在780℃40min。

从图中可以看出，无强磁场的条件下，凝固组织中初生硅富集在样品的边缘并且共晶硅结构出现在样品的中心。

再施加高磁场，初生硅样品全部分布均匀。

同样的现象出现，保持时间为20min。

4.探讨根据“中毒”机制，Na盐被在后来加入，钠吸附在硅相的固液表面，其固有的生长期是中毒使样品在表面失去其固有优势。

因此固态成型增加会如此之大，并不断涌现。

对流的作用可能会加强钠双原子表面晶格的成型，使硅变为双增长困难。

作为具有高磁场情况下的如图8所示，感应电流J的生成时在用v的方向的液体流动，即不平行于高磁场B的洛伦兹力Fx=Jz*By=（vx*By）*By 由感应电流和高磁场之间相互作用产生的，θ是导电性，v是由洛伦兹力驱使的，液体流速意味着高磁场可以抑制在所有方向除B方向的流动。

由于磁场对对流的影响，这是困难的钠原子，其集中在固体或液体生长前，因此可大大的控制Si相表面的生长。

钠原子可占据孪晶面的多个晶格位点以增加平面，否则钠原子数目是不够的，因为原子数的增加。

在Si晶体上集成密集并形成球形形状的结构。

这意味着，与磁场重熔不丧失的Na改性效率为Al-6%Si的样品，而修改的质量不下降的为Al-12.6%Si的样品。

甚至保持40min，还没有被氧化并燃烧，仍然可以集中在一定密度的Si相的固液界面上。

这是由于磁场的影响。

Na它仍然在一定程度上被限制在了硅的表面。

并占据孪晶面的一些晶格位点，使硅变化的生在在孪晶上。

如图5所示，在这种情况下的共晶硅为优良品种，具有扭曲的形状，并且与没有磁场的情况相比，他的长度变短。

此外基于对锯齿双增长模型的分析。

对钠的修饰的机制是钠吸附在硅晶体的{111}面和减小孪晶的边界能量，并且导致双晶体在升温情况下的密度增加。

温度改性反应中，由于对流的只有少数的Na原子可以被吸附于Si晶体的{111}面的影响，那么它不针对减少双晶体的形成。

自从磁场的边境能量限制了对流的熔融，钠原子更可以吸附于Si晶体的{111}面来增加孪晶密度仅一步的增加。

因此这是通过与磁场升温得到的细微变化，硅相在共晶结构中和修改的效率更好。

当保持在520℃，Al-6%Si合金凝固时没有对流。

改性效率仍然存在。

因此，改性效率确实不会丢失，如果变形温度保持在低于冰冻点。

与此同时，由于作用，当在520℃加热，如图2所示的磁场，对对流不起作用，磁场对改性效率的影响无法找到。

对于Al-18%Si的共晶合金，在没有高磁场的情况下，分析模型，由于公约和固相的挂过程中没有扩散，液相才可以充分扩散。

初生硅出现在第一凝固边缘。

从液相到固相的硅原子扩散在凝固的前面。

然后初生硅连续出现在样品的边缘凝固，当温度降低到共晶液相温度时，组合物达到共晶的组合物，然后将共晶结构生成。

因此，初晶硅在凝固结构集中在样品的边缘与试样的中央部分成为共晶结构。

在具有高磁场的情况下，因为高磁场幼稚了熔体的对流，液相的充分扩散模型和固相的固化过程中没有扩散。

液相有限扩散，固相无扩散。

晶核的前部是产生于整个液相优先扩散集中在样品的边缘，初晶硅出现在液体的各个部分。

然后初生硅分布均匀在样品的所有部分。

5.结论（1）在高磁场条件下，钠盐对Al-6%Si合金的改性，重熔后不失效。

（2）合金在温度低于凝固点的情况下，高磁场对Al-6%Si合金的改性效率没有影响。

（3）当经过钠盐改性的Al-12.6%共晶合金在反应温度高磁场条件下保持20min时，比不在高磁场条件下共晶硅变得更为精细改性效率也得到更好的提高。

（4）在高磁场情况下，当保持时间延迟的40min时，该改性效率仍然部分保留。

换言之，高磁场可以推迟改性的有效时间。

（5）如果Al-18%Si过共晶合金的磷盐改性样品在高磁场条件下被保持在改性反应温度20和40min条件下，初晶硅在凝固结构集中在样品边缘并且共晶结构出现在样品的中心。