钢的电磁约束成型定向凝固工艺研究

钢的电磁约束成型定向凝固工艺研究*李金山 张　军 李建国 傅恒志摘　要　以1Cr 18Ni9T i 为实验材料,对钢的电磁约束成型定向凝固工艺进行了一定的探索,获得了合理的感应器结构和理想的工艺参数,并成功地抽拉出直径25m m 、表面光滑、内部为柱状晶组织的试样。

关键词　电磁约束成型,定向凝固,感应器,电磁压力中图分类号　TM 154.2,T F771.1 引　言电磁约束成型定向凝固技术是将电磁铸造技术与定向凝固技术相结合而产生的一种新型的定向凝固技术,与传统的定向凝固技术相比它的优点是: 金属熔体与感应器(铸模)无接触,一方面使所获得的铸件表面质量较好,无毛刺、缩孔、夹渣等铸造缺陷;另一方面,减少了传统定向凝固时模壳材料对铸件的污染,可以充分提高铸件的性能。

冷却介质与铸件直接接触,显著增强了铸件的冷却能力,同时由于金属熔体采用感应加热,加热能力很强,最终形成了沿铸件轴向方向上的强热强冷,满足了一维散热条件,并使液固界面附近获得了较高的温度梯度,有利于获得理想的柱晶或超细柱晶组织。

由于电磁自约束成型定向凝固技术是一项跨多种学科的复杂技术,它涉及到电磁流体力学、冶金、凝固、自动控制等较多学科领域,研究和开发有许多困难需要解决。

因此,目前国内外很少见到这方面研究报道。

西北工业大学凝固技术国家重点实验室傅恒志院士等人近几年致力于这方面的研究,并已取得了一定的研究成果。

本文对小截面不锈钢试样的电磁约束成型定向凝固技术在设备、工艺等方面进行了一定的研究,并获得了直径为25m m 、内部为均匀的柱状晶组织的圆柱状试样。

1　实验原理及方法图1所示为电磁约束成型定向凝固工艺的原理图[1],工作时,电源供给感应器交变的感应电流,使感应器内部产生交变的感应磁场。

根据电磁感应理论,在感应器内部的金属熔体内产生交变的电磁感应电流,由于集肤效应,电流主要集中在金属熔体表层部分,其方向在每一瞬间都与感应器内的电流方向相反。

因此,在熔体的侧表面产生垂直表面并指向熔体内部的电磁压力压缩熔体。

电磁压力、表面张力和熔体的静压力平衡,就实现了熔体与感应器的无接触成型。

在感应器的上面配上送料机构,使固体棒料能够连续被送入感应器内,利用感应加热将其　1998年2月第16卷第1期　西北工业大学学报JOU R N AL O F N O RT HW EST ERN PO L Y T ECHNI CA L U N IV ERSIT Y Feb.　1998V ol.16No.1西北工业大学讲师 西北工业大学教授本文收到日期:1996-11-15*　国防预研基金和航空科学基金资助项目熔化;在感应器下面配上冷却系统和抽拉系统,将已凝固的试样直接浸入冷却介质中,并通过抽拉系统连续向下抽拉,当上部熔化量与下部凝固量相等时,就形成了电磁约束成型定向凝固的连续过程。

1.感应器2.屏蔽罩3.液态金属 1.固体棒料　2.金属液柱　3.感应器4.铸锭5.高频电流6.感应电流 4.冷却水 5.隔热圈 6.试样(铸件)7.感应电流8.电磁压力7.冷却器8.冷却水9.冷却介质10.抽拉杆图1　电磁约束成型定向凝固原理图关于电磁力的计算,浅井滋生[2]等人曾经利用电磁场理论推导出一维时的电磁体积力公式为P =- (B 2/2 0)+B B / 0(1)其中B 为磁感应强度, 0为磁导率。

式中右侧第一项为储存力,可以用来衡量电磁约束力的大小,其最大值为P m =B 2/2 ;式中第二项为搅拌中导致流体运动的力,进行定向凝固时,此项力对晶体单向生长不利,应采取措施减小或消除。

实验材料采用不锈钢(1Cr18Ni9Ti),由于该材料在高温熔化时与空气反应产生氧化夹渣,影响表面质量,故整个实验过程在真空条件下进行。

2　实验结果及分析2.1　感应器结构感应器是电磁约束成型定向凝固设备中最关键的部件,它应该具有两个主要功能:(1)提供高能量密度加热,能够使固体试样迅速熔化,并保证在金属熔体内部靠近液/固界面处能够获得较高的温度梯度。

(2)提供足够大的电磁压力,实现金属熔体与感应器的无接触成型,并保证能够获得比较理想的液柱形状。

此外,对于钢的电磁约束成型,与铝等有色合金相比有其自身的特点[3]。

钢的密度大、熔点高、电导小,相同的电参数条件下所获得的感应电流小。

因此,在进行钢的电磁约束成型定向凝固时,在感应器结构上必须有所改进。

图2所示为经过理论分析和实验摸索后获得的比较理想的感应器结构,从图中可以看出在单匝感应器外面又缠绕多・134・西北工业大学学报 第16卷1.感应器内环2.循环冷却水3.水冷线圈图2　感应器结构示意图匝水冷线圈。

根据电磁感应理论,在其它条件相同时,导体中的感应电流与线圈匝数成正比,即随着线圈匝数的增加,感应电流逐渐增大,它既增加了电磁压力又增加了感应器的加热能力。

从图2中还可以看出,感应器内壁形状设计为倒置喇叭形,这是由于斜边感应器内的磁场强度为上小下大,它导致感应器内的电磁压力沿轴向的分布也为上小下大,与侧面垂直的金属液柱的静压力沿轴向的分布是一致的[4]。

所以,采用斜边感应器可以获得侧面垂直的液柱,有利于提高试样的表面质量。

此外,斜边感应器可以使感应器的加热能力在下端较强。

采用斜边感应器结构既可以保证金属液柱的上界面不超出感应器上表面,避免液柱的塌漏,又可以使靠近界面处的金属熔体得到充分的加热,有利于提高金属熔体的温度梯度,以获得较好定向柱晶组织的铸件。

2.2　工艺参数对电磁约束成型定向凝固的影响液柱高度:对于钢的电磁约束成型定向凝固工艺来讲,它是最重要的工艺参数之一。

如前所述,液柱高度过高,一方面增加金属熔体的静压力,另一方面使液柱的上界面可能超出感应器上表面,两者都可能造成液柱的塌漏;液柱高度过低,则金属熔体的过热度低,这一方面不利于上部固体棒料的熔化,另一方面造成液/固界面附近熔体内温度梯度较小,不利于柱晶组织的生长。

经大量实验证实,较合理的液柱高度为12～15m m 。

冷却强度与冷却距离:实验中采用低熔点合金(熔点为48℃)为冷却介质,它具有很大的蓄热能力,并装在带有循环水的冷却器中。

试样直接与冷却介质接触,这样可以保证将热量迅速排出。

与其它定向凝固方法相比,液态合金冷却可以显著地提高液/固界面附近的温度梯度。

此外,冷却距离(感应器与冷却介质表面的距离)对液/固界面位置的稳定、温度梯度的大小也有较大的影响,冷却距离偏大,金属熔体内靠近界面处的温度梯度较小,既不利于柱晶组织的生长,也造成液/固界面的上下的波动,很容易产生金属熔体的塌漏。

冷却距离偏小,在合理的电源功率下(获得合理的电磁压力),由于冷却强度加大,试样无法熔化。

因此,在其它参数一定时,冷却距离有一最佳值。

对目前的实验装置而言,最佳冷却距离为15～20cm 。

液/固界面位置:实验证明,界面位置处于感应器下部1/3处附近是比较合理的。

液/固界面位置偏高,容易使金属熔体的过热度低,不利于固体棒料的迅速熔化;界面位置偏低,它的微小波动都能引起金属熔体的塌漏,造成整个工艺实验失败,但是,由于影响液/固界面位置工艺参数较多,选择时必须综合考试。

抽拉速度:对于采用固体加料法的电磁约束成型定向凝固工艺来说,合理的抽拉速度是十分重要的,抽拉速度过高,容易使金属熔体的过热度迅速减少,不利于获得柱晶组织的试样;反之,抽拉速度偏低,会降低试样的表面质量。

本实验装置的最佳抽拉速度范围为30～40 m /s 。

由于电磁约束成型定向凝固工艺的技术复杂,涉及的工艺参数较多且相互制约,要使工艺实验顺利进行并获得表面和内部质量均较好的试样,必须对它们进行综合分析和研究。

图3为本实验所获得的试样的外观照片。

2.3　铸件的宏观组织・135・第1期 李金山等:钢的电磁约束成型定向凝固工艺研究图4所示为1Cr18Ni9Ti 试样的剖面宏观组织。

从中可以看出,试样内部组织为均匀的排列整齐的柱状晶。

这是由于在电磁约束成型定向凝固工艺中,试样上部在感应器中获得了很强的感应加热,下部又与冷却介质直接接触。

这样,即得到沿试样轴向的单向热流,又在液/固界面处产生较高的温度梯度,实测出的温度梯度达到280℃/cm ,满足了定向凝固的条件。

此外,从图4中还可以看出,凝固界面为平面,中间略有凸起,也很有利于形成单向生长的柱状晶组织。

图3　试样外观照片 图4　试样纵剖面宏观组织照片由于定向凝固,且液/固界面向液态凸起,使凝固过程中析出的气体及低熔点夹渣不断排向液体,而不会被卷入凝固试样,因此,不产生气孔、夹渣等铸造缺陷。

3　结　论(1)根据钢的密度大、熔点高和电导小等特点,设计出适合钢的电磁约束成型定向凝固工艺的感应器,并对其成型和加热特性进行了一定的研究。

(2)对影响钢的电磁约束成型定向凝固工艺的主要参数进行了分析和研究,确定了合理的工艺参数,并获得了表面质量较好、内部为柱状晶组织的试样。

参　考　文　献1　G etselev Z N.Casting in an Electr om agnetic F ield.Jo urnal of M et als,1971,23(10):382　浅井滋生.材料电磁 !∀#∃动向.铁%钢,1989(1):32～403　周士平.钢的电磁铸造.钢铁,1994,29(12):71754　Shen Jun ,L i Jiang uo ,L i Jinshan .Some Char acterist ics of L iquid M et al M eniscus in Electr omag neticF ield.T r ans N F so c,1995,5(4):64～68・136・西北工业大学学报 第16卷On Electromagnetic Shaping DirectionalSolidification Processing of Stainless SteelL i J inshan Zhang J un L i J ianguo Fu H enzhiState Key Laboratory of So lidification ProcessingNorthwestern Polytechnical U niversity ,Xi ′an 710072Except for a brief m entioning of electr omagnetic shaping directional so lidification pro-cessing in 1986,the autho rs have found no detailed inform ation o n such processing.We un-dertook resear ch on such pro cessing because other appr oaches had failed to yield satisfacto ry results to allow us to co mplete an important research project entrusted to us.1Cr 18Ni 9Ti stainless steel w as chosen as experimental material to ex plore the electro-magnetic shaping directio nal solidification pro cessing.We tested a variety of induction coils.Experimental results show that ,tr um pet induction co il can guar antee :(1)that the upper L /S interface does not override the upper induction co il surface to avo id failing of liquid cy lin-der ,and (2)that enough heating is prov ided for the m elt near the low er L /S interface so as to incr ease the temperature gr adient ahead o f the L/S interface.We conducted ex perim ents for a v ar iety of pro cessing parameters .The height o f liquid metal cy linder is ar ound 12～15mm;the cooling is realized by liquid metal;the distance fr om the inductio n coil to the surface of co oling medium is 15～20cm.Tractio n r ate of a sam ple is 30～40 m/s.Under the above conditions,a smooth cy linder sample w ith diam eter of 25m m and columnar inner micr ostructure w as obtained by electrom agnetic shaping direc-tio nal solidification processing successfully .Key words electromag netic shaping ,directional so lidification ,inductio n coil ・137・第1期 李金山等:钢的电磁约束成型定向凝固工艺研究。