李 航,李 杰,夏云進(jìn),李 浩(安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院,安徽馬鞍山243002)
脈沖電場(chǎng)孕育處理對(duì)伍德合金凝固組織的影響
李航,李杰,夏云進(jìn),李浩
(安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院,安徽馬鞍山243002)
以伍德合金為研究對(duì)象,在熔融狀態(tài)下對(duì)其進(jìn)行脈沖電場(chǎng)孕育處理,分析脈沖電壓、孕育處理時(shí)間、脈沖頻率對(duì)伍德合金凝固組織的影響。結(jié)果表明,脈沖電場(chǎng)孕育處理可以細(xì)化伍德合金的凝固組織,使其中的Cd相平均尺寸變小。一定電壓范圍內(nèi),隨著脈沖電壓的增大,伍德合金凝固組織細(xì)化程度愈明顯,電壓增大到6 V后,細(xì)化作用減弱;孕育處理效果與處理時(shí)間密切相關(guān),一定時(shí)間范圍內(nèi),隨處理時(shí)間的延長,伍德合金凝固組織細(xì)化程度愈明顯,40 s時(shí)Cd相平均尺寸最小,為29.86 μm,較未處理時(shí)減小了63.60%,之后細(xì)化程度減弱;隨著脈沖頻率的增大,脈沖孕育處理細(xì)化伍德合金凝固組織的效果先增強(qiáng)后減弱,脈沖頻率為50 Hz時(shí),細(xì)化效果最明顯,凝固組織中Cd相平均尺寸為24.15 μm。
脈沖電場(chǎng);孕育處理;伍德合金;凝固組織
自Nakada等[1]首次使用脈沖電流作用于Sn-Pb合金的凝固過程細(xì)化合金凝固組織以來,科研工作者們利用脈沖電場(chǎng)處理技術(shù)開展了一系列的實(shí)驗(yàn)研究。如洪鵬等[2],廖有友等[3]研究表明,脈沖電場(chǎng)和稀土能有效減小晶界偏聚,改善凝固組織,并能有效細(xì)化夾雜物,控制夾雜物形貌;王建軍等[4]發(fā)現(xiàn)脈沖電流能有效控制鋼的凝固組織,減小柱狀晶,增大等軸晶區(qū);陳克全等[5]研究顯示,電極側(cè)插式,純銅晶粒效果細(xì)化最明顯,坩堝式電極次之,平行電極效果最差;孫玉玲等[6]研究表明,電場(chǎng)脈沖處理后銅錫合金鑄態(tài)組織明顯改善,偏析減輕,組織更加均勻,進(jìn)而提高了材料的力學(xué)性能;郭麗麗等[7]利用定向凝固的方法,研究了脈沖電場(chǎng)對(duì)Al-5.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Cu合金柱狀晶間距的影響,結(jié)果顯示脈沖電壓愈大,柱狀晶間距愈大,冷卻速率越快,脈沖電場(chǎng)作用效果對(duì)冷速的響應(yīng)越明顯。綜上所述,脈沖電場(chǎng)處理已憑借其處理方法簡單、無污染、細(xì)化效果明顯的特點(diǎn),成為近年來金屬凝固控制技術(shù)的重要發(fā)展方向。
伍德合金是以金屬鉍為基的一類低熔點(diǎn)合金,其熔融狀態(tài)下的電導(dǎo)率和黏度與鋼液相近,常用來模擬鋼液的攪拌和流場(chǎng)分布[8-10],而利用其研究鋼液凝固過程的報(bào)道較少。鑒于此,筆者采用脈沖電場(chǎng)對(duì)伍德合金進(jìn)行孕育處理,研究其對(duì)伍德合金凝固組織的影響,并就其作用機(jī)理進(jìn)行初步探討。
圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Diagram of experiment device
1.1實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備
實(shí)驗(yàn)材料為伍德合金,主要成分為w(Bi)=50%,w(Pb)=26.7%,w(Sn)=13.3%,w(Cd)=10%,結(jié)晶點(diǎn)約71.6℃。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1,主要設(shè)備有GM200A-12V高頻脈沖電源、電子恒溫不銹鋼水浴鍋、測(cè)溫控溫溫度計(jì)、電極等。
1.2實(shí)驗(yàn)方法
將500 g伍德合金裝入燒杯,在恒溫水浴槽內(nèi)加熱到85℃并保溫1 h,將脈沖電流引入熔融伍德合金液中,按照不同設(shè)計(jì)參數(shù)(如表1)進(jìn)行脈沖電場(chǎng)孕育處理。將脈沖電場(chǎng)孕育處理的伍德合金澆鑄到鋼錠模中空冷至室溫;對(duì)所得合金錠沿縱向剖開,研磨、拋光,用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精侵蝕后在金相顯微鏡下觀察其顯微組織,并用Image J軟件對(duì)伍德合金凝固組織中Cd相的尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì),作為脈沖電場(chǎng)孕育處理細(xì)化效果的評(píng)價(jià)依據(jù)。為消除電極的冷卻效應(yīng),在電極插入伍德合金熔體前先預(yù)熱10 min,并在熔體中保持5 min后施加脈沖電流。
表1 實(shí)驗(yàn)方案Tab.1 Experimental scheme
2.1脈沖電壓對(duì)凝固組織的影響
固定脈沖電場(chǎng)的頻率為30 Hz,在不同脈沖電壓下對(duì)500 g伍德合金熔體孕育處理60 s,所得試樣的凝固組織和凝固組織中Cd相尺寸統(tǒng)計(jì)結(jié)果分別如圖2,3。其中:黑色針狀為Cd;白色為Bi;其他為Pb7Bi3和Sn。由圖2,3可以看出:未經(jīng)脈沖處理的伍德合金中Cd相晶粒粗大(平均為82.04 μm),且尺寸差別較大、分布不均勻;脈沖電壓為4 V時(shí),伍德合金中Cd相平均尺寸為53.27 μm,增大脈沖電壓到6 V時(shí),伍德合金中Cd相平均尺寸減小為31.15 μm,較未處理時(shí)減小了62.03%,且分布更加均勻;進(jìn)一步增大脈沖電壓,伍德合金中Cd相平均尺寸略有增大,但其凝固組織更加細(xì)小,表明脈沖電場(chǎng)孕育處理可以明顯細(xì)化伍德合金凝固組織,其中Cd相平均尺寸明顯減小。
圖2 不同脈沖電壓處理時(shí)伍德合金凝固組織Fig.2 Solidification microstructure of Wood alloy with different pulsed voltage
根據(jù)液態(tài)金屬團(tuán)簇結(jié)構(gòu)假說和電脈沖孕育處理機(jī)理[11],當(dāng)脈沖電場(chǎng)作用于金屬熔體時(shí),其晶胚外電層結(jié)構(gòu)將發(fā)生畸變,部分金屬原子與晶胚結(jié)合形成符合幻數(shù)特征的大尺度團(tuán)簇,進(jìn)而形成穩(wěn)定晶胚,從而實(shí)現(xiàn)晶胚孕育,增加凝固形核核心,細(xì)化其組織。從能量的觀點(diǎn)分析,較低和較高的脈沖電壓都不利于熔體中小尺寸團(tuán)簇向穩(wěn)態(tài)團(tuán)簇的畸變長大,故脈沖電壓存在最佳值。本實(shí)驗(yàn)中,脈沖電壓為6 V時(shí),伍德合金凝固組織相對(duì)較細(xì)小且分布較為均勻。
圖3 Cd相平均尺寸與脈沖處理電壓的關(guān)系Fig.3 Relationship between the average size of Cd and electric pulsed voltage
2.2孕育時(shí)間對(duì)凝固組織的影響
用6 V,30 Hz的脈沖電流對(duì)500 g伍德合金分別孕育處理20,40,60 s,所得試樣的凝固組織及Cd相的平均尺寸分布分別如圖4,5。由圖4,5可以看出:脈沖電場(chǎng)孕育處理時(shí),伍德合金凝固組織的細(xì)化效果與孕育處理時(shí)間密切相關(guān),孕育處理時(shí)間相對(duì)較短時(shí)(20 s),伍德合金凝固組織略細(xì)化,其中Cd相平均尺寸與未處理時(shí)相比有所減小,但Cd相平均尺寸仍有49.16 μm;隨著孕育處理時(shí)間的延長,凝固組織中Cd相平均尺寸減小,分布更加均勻;孕育處理40,60 s時(shí),伍德合金凝固組織中Cd相平均尺寸分別為29.86,31.15 μm,較未處理時(shí)分別減小了63.60%和62.03%。
圖4 不同脈沖處理時(shí)間下伍德合金凝固組織Fig.4 Solidification microstructure of Wood alloy with different pulsed treatment time
根據(jù)電脈沖孕育處理機(jī)理,在一定時(shí)間范圍內(nèi),隨著脈沖電場(chǎng)孕育處理時(shí)間延長,在電場(chǎng)力作用下依附到小尺寸團(tuán)簇上的Cd原子會(huì)越多,單位體積內(nèi)Cd原子與晶胚結(jié)合成符合幻數(shù)特征的大尺度團(tuán)簇也越多,因此伍德合金凝固組織得到細(xì)化。如果脈沖處理時(shí)間超過一定限度后,處于亞穩(wěn)態(tài)團(tuán)簇中的小粒子可能逃逸出來,甚至使處于穩(wěn)態(tài)位置中的小粒子能量瞬間爆發(fā),致使可能成為形核核心的團(tuán)簇?cái)?shù)目減少,形核率降低,細(xì)化效果變差。所以隨著孕育處理時(shí)間的進(jìn)一步延長,伍德合金凝固組織的細(xì)化程度有所減弱。
圖5 Cd相平均尺寸與脈沖處理時(shí)間的關(guān)系Fig.5 Relationship between the average size of Cd and pulsed treatment time
2.3脈沖頻率對(duì)凝固組織的影響
固定脈沖電場(chǎng)的電壓為6 V,用不同頻率的脈沖電場(chǎng)對(duì)500 g伍德合金熔體脈沖孕育處理40 s,所得試樣的凝固組織如圖6,圖7為凝固組織中Cd相平均尺寸的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由圖6,7可看出:脈沖電場(chǎng)頻率對(duì)伍德合金凝固組織的細(xì)化有較大影響,隨著脈沖電場(chǎng)頻率的不斷提高,伍德合金凝固組織的細(xì)化程度不斷提高;脈沖電場(chǎng)頻率為30 Hz時(shí),伍德合金凝固組織顯著細(xì)化,其中的Cd相平均尺寸為29.86 μm,較未處理時(shí)減小了63.60%;脈沖電場(chǎng)頻率為50 Hz,伍德合金試樣中Cd相平均尺寸進(jìn)一步減小為24.15 μm;脈沖電場(chǎng)頻率為80 Hz,伍德合金試樣中Cd相平均尺寸相對(duì)有所增大,為33.82 μm,但較未處理時(shí)仍減小了58.78%,伍德合金凝固組織仍得到很大程度的細(xì)化。
圖6 不同脈沖頻率處理下伍德合金凝固組織Fig.6 Solidification microstructure of Wood alloy with different pulsed frequency
脈沖頻率指單位時(shí)間內(nèi)放電的次數(shù)。實(shí)驗(yàn)過程中增大孕育處理脈沖電場(chǎng)頻率,即增大單位時(shí)間內(nèi)向伍德合金熔體施加與撤銷電場(chǎng)的次數(shù),相當(dāng)于延長脈沖作用時(shí)間。因此隨著脈沖電場(chǎng)頻率的增大,熔體中大尺寸團(tuán)簇?cái)?shù)目增多,其形核率提高,伍德合金細(xì)化效果提高,其中的Cd相平均尺寸減小。
圖7 Cd相平均尺寸與脈沖處理頻率的關(guān)系Fig.7 Relationship between the average size of Cd and electric pluse frequency
在不同參數(shù)下,采用脈沖電場(chǎng)對(duì)伍德合金的凝固組織進(jìn)行孕育處理,結(jié)果表明:
1)一定范圍內(nèi),隨著脈沖電壓的增大,伍德合金組織細(xì)化程度明顯提高,當(dāng)脈沖電壓為6 V時(shí),伍德合金中Cd相平均尺寸減小為31.15 μm,且分布更加均勻;進(jìn)一步提高孕育處理的電壓水平,其凝固組織得到細(xì)化,但Cd相平均尺寸較6 V時(shí)略有增大,細(xì)化效果減弱。
2)伍德合金組織細(xì)化的效果與孕育處理時(shí)間密切相關(guān),一定時(shí)間范圍內(nèi),隨處理時(shí)間的延長伍德合金凝固組織細(xì)化程度愈明顯,40 s時(shí)Cd相平均尺寸最小,為29.86 μm,之后細(xì)化程度減弱。
3)脈沖電場(chǎng)頻率對(duì)伍德合金凝固組織的細(xì)化也有較大影響,隨著脈沖頻率的增大,脈沖孕育處理細(xì)化伍德合金凝固組織的效果先增強(qiáng)后減弱,脈沖頻率為50 Hz時(shí),細(xì)化效果最明顯,凝固組織中Cd相的平均尺寸為24.15 μm。
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責(zé)任編輯:何莉
Effect of Electric Pulse Modification on Solidification Structure of WoodAlloy
LI Hang,LI Jie,XIAYunjin,LI Hao
(School of Metallurgical Engineering,Anhui University of Technology,Ma′anshan 243002,China)
Taking molten Wood alloy as the research object,pulsed electric field madipication was carried out.The effect of pulse voltage,treatment time and pulse frequency on the solidification structure of Wood alloy during solidification was investigated.Experimental results show that the solidification structure of Wood alloy can be refined by electric pulse modification,and the average size of Cd phase becomes smaller.In the given range pulse voltage,with pulse voltage increasing,microstructure refining effect gets better,when the voltage is bigger than 6 V,the function of refining grains weakens;Modification effect is closely related to treatment time,in a certain time range,longer time leads to better refining effect when treatment time is 40 s,the minimum average size of Cd phase is 29.86 μm,by contrast,the size decreases to 63.60%of the untreated sample.With increasing the pulse frequency,refining effect first increases,and then decreases,when the pulse frequency is 50 Hz,the best effect is obtained,the average size of Cd phase in the solidification structure is 24.15 μm.
pulsed electric field;modification;Wood alloy;solidification structure
TG113.12
A
10.3969/j.issn.1671-7872.2016.01.003
1671-7872(2016)-01-0010-04
2015-10-21
國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51374008);安徽省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(AH201410360129);安徽工業(yè)大學(xué)研究生創(chuàng)新研究基金項(xiàng)目(2014140)
李航(1990-),男,安徽阜陽人,碩士生,主要研究方向?yàn)殇撹F冶金。
李杰(1975-),男,山東沂水人,博士,教授,主要研究方向?yàn)殇撹F冶金新工藝、新技術(shù)。
安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2016年1期