工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，尤其是美國(guó)和德國(guó)，早在20世紀(jì)70年代末就開(kāi)展了高溫合金細(xì)晶鑄造技術(shù)的研究和應(yīng)用，在20世紀(jì)80年代中后期該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展趨于成熟，目前正在航空、航天工業(yè)領(lǐng)域中擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，如美國(guó)Howmet公司利用細(xì)晶鑄造技術(shù)成功地制造了Mod5A、Mar-M247、IN713C、1N718等高溫合金整體渦輪，使渦輪的低周疲勞壽命提高了2~3倍。德國(guó)、法國(guó)在新型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)上也采用了細(xì)晶整體渦輪鑄件。國(guó)內(nèi)對(duì)高溫合金細(xì)晶鑄造技術(shù)的研究從20世紀(jì)80年代末開(kāi)始起步，經(jīng)過(guò)“八五”和“九五”期間的研究和應(yīng)用，我國(guó)航空制造業(yè)建立了專門的細(xì)晶鑄造設(shè)備，對(duì)高溫合金細(xì)晶鑄造工藝進(jìn)行了較系統(tǒng)的試驗(yàn)，研制了一批鎳基高溫合金細(xì)晶鑄件，并已應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，在細(xì)晶鑄造研究領(lǐng)域內(nèi)取得了重要的進(jìn)展。
1 細(xì)晶鑄造的特點(diǎn)和工藝方法
1.1 細(xì)晶鑄造的特點(diǎn)
細(xì)晶鑄造技術(shù)或工藝(FGCP)的原理是通過(guò)控制普通熔模鑄造工藝，強(qiáng)化合金的形核機(jī)制，在鑄造過(guò)程中使合金形成大量結(jié)晶核心，并阻止晶粒長(zhǎng)大，從而獲得平均晶粒尺寸小于1.6mm的均勻、細(xì)小、各向同性的等軸晶鑄件，較典型的細(xì)晶鑄件晶粒度為美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM0~2級(jí)。細(xì)晶鑄造在使鑄件晶粒細(xì)化的同時(shí)，還使高溫合金中的初生碳化物和強(qiáng)化相γ'尺寸減小，形態(tài)改善。因此，細(xì)晶鑄造的突出優(yōu)點(diǎn)是大幅度地提高鑄件在中低溫(≤760℃)條件下的低周疲勞壽命，并顯著減小鑄件力學(xué)性能數(shù)據(jù)的分散度，從而提高鑄造零件的設(shè)計(jì)容限。同時(shí)該技術(shù)還在一定程度上改善鑄件抗拉性能和持久性能，并使鑄件具有良好的熱處理性能。
細(xì)晶鑄造技術(shù)還可改善高溫合金鑄件的機(jī)加工性能，減小螺孔和刀刃形銳利邊緣等處產(chǎn)生加工裂紋的潛在危險(xiǎn)。因此該技術(shù)可使熔模鑄件的應(yīng)用范圍擴(kuò)大到原先使用鍛件、厚板機(jī)加工零件和鍛鑄組合件等領(lǐng)域。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件的精鑄生產(chǎn)中，使用細(xì)晶鑄件代替某些鍛件或用細(xì)晶鑄造的錠料來(lái)做鍛坯已很常見(jiàn)。
1.2 細(xì)晶鑄造的工藝方法
細(xì)晶鑄造晶核的增殖來(lái)源于合金液中已存在的或外加的固體形核基底成形核心作用，因此，細(xì)化晶粒的關(guān)鍵是增加合金液中的形核基底的數(shù)量。目前增加形核基底的數(shù)量的基本方法大致可分為三大類：熱控法或改變鑄造參數(shù)法(VCP法)、動(dòng)力學(xué)法(或機(jī)械法)和化學(xué)法。這也是細(xì)晶鑄造的三類基本工藝方法，如表1所示。
表1 細(xì)晶鑄造的工藝方法
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類 別 |
熱控法 |
動(dòng)力學(xué)法 |
化學(xué)法 |
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工藝原理 |
在靜態(tài)鑄型條件下，通過(guò)控制鑄型溫度，降低合金精煉溫度和時(shí)間，使分散于熔液中作為形核基底的碳化物保留下來(lái)，并較大幅度地降低澆注過(guò)熱度，增大鑄件冷卻速度，以達(dá)到限制晶粒長(zhǎng)大和細(xì)化晶粒的目的 |
在澆注和凝固過(guò)程中施加外力迫使合金液產(chǎn)生振動(dòng)、攪動(dòng)等運(yùn)動(dòng)，已凝固的枝晶被破碎并使之遍布于整個(gè)熔液中，從而形成更多的有效晶核，并限制了晶粒的長(zhǎng)大。常見(jiàn)的方法有：（1）一般方法：旋轉(zhuǎn)鑄型法、機(jī)械振動(dòng)法、超聲波振動(dòng)法、電磁攪動(dòng)法等；（2）Grainex法、Mould-Agitation法；（3）Microcast-X法 |
通過(guò)向熔液中加入有效形核劑，形成大量的非均勻質(zhì)核心而使晶粒細(xì)化。典型的如添加元素B、稀土元素、Ni-Al中間化合物等 |
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工藝參數(shù) |
鑄型溫度(t型)、澆注溫度)t澆)及精煉溫度(t精)等 |
澆注溫度(t鑄)和鑄型旋轉(zhuǎn)振動(dòng)參數(shù)(速度、頻率)以及鑄型冷卻速率等 |
精煉溫度(t精)、形核劑加入量及其加入制度等 |
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晶粒細(xì)化典型尺寸范圍 |
1.60～0.18mm |
0.36～0.07mm |
1.25～0.12mm |
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優(yōu)缺點(diǎn) |
工藝簡(jiǎn)單，但鑄件容易欠鑄、晶粒度不均勻 |
晶粒度均勻、合金純凈度高、成形能力好，但需要建立專用的細(xì)晶鑄造設(shè)備 |
工藝簡(jiǎn)單，但容易引進(jìn)雜質(zhì)、改變合金成分 |
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適用范圍 |
形狀簡(jiǎn)單的小尺寸鑄件 |
回轉(zhuǎn)體和厚大截面鑄件 |
形狀簡(jiǎn)單的小尺寸鑄件 |
近年來(lái)美國(guó)Howmet公司研制和發(fā)展的Grainex(簡(jiǎn)稱GX法)和Microcast-X(簡(jiǎn)稱MX法)細(xì)晶工藝代表著國(guó)際先進(jìn)水平的細(xì)晶鑄造工藝方法，目前已投入生產(chǎn)應(yīng)用。圖1為GX、MX法的晶粒細(xì)化典型尺寸范圍。
其中GX法以動(dòng)力學(xué)法為基礎(chǔ)，是高溫合金細(xì)晶鑄造第一代動(dòng)力學(xué)法工藝，它采用較高的過(guò)熱溫度，在合金凝固過(guò)程中打碎已凝固的枝晶骨架成為結(jié)晶核心，從而細(xì)化鑄件晶粒。與熱控法相比，GX法澆注過(guò)熱度較大，因而使鑄件薄壁部分容易成形，所獲得的鑄件純凈度高，晶粒度細(xì)小而均勻，通常能達(dá)到ASTM0～2級(jí)。但晶粒形態(tài)仍保留著輕微的樹(shù)枝狀，其缺點(diǎn)是不能全面改善鑄件的晶粒形態(tài)，僅使厚截面部位晶粒細(xì)化。這種方法適用于鑄造葉盤和其他一些回轉(zhuǎn)體鑄件以及截面厚大的細(xì)晶鑄件。MX法是Howmet公司開(kāi)發(fā)的第二代動(dòng)力學(xué)法細(xì)晶鑄造工藝，其特點(diǎn)是將機(jī)械擾動(dòng)與快速凝固相結(jié)合以獲得晶粒更加細(xì)小的晶胞組織，用此法鑄造的鑄件晶粒度能達(dá)ASTM3~5級(jí)或更細(xì)，可與變形高溫合金零件的晶粒度相媲美，因而能以比GX法更大的幅度提高鑄件的力學(xué)性能。直到目前為止，該工藝仍屬不公開(kāi)的專利。但從有關(guān)資料分析，其工藝要點(diǎn)主要包括：①合金精煉后靜止降溫，使?jié)沧⑦^(guò)熱度保持在20℃以內(nèi)。②澆注時(shí)對(duì)合金液進(jìn)行機(jī)械或電磁感應(yīng)擾動(dòng)，使合金液成細(xì)小的液滴流注入預(yù)熱鑄型的型腔。③在鑄型內(nèi)擾動(dòng)合金液并提高鑄型對(duì)合金液的冷卻強(qiáng)度，使鑄件在整個(gè)截面上都能生成均勻、細(xì)小、非枝晶的晶胞組織。MX法現(xiàn)主要用于生產(chǎn)鎳基高溫合金的熔模鑄件、鑄錠和可鍛坯件。
在20世紀(jì)90年代中期國(guó)內(nèi)研究和開(kāi)發(fā)了屬于動(dòng)力學(xué)法范疇的細(xì)晶鑄造工藝——鑄型攪動(dòng)法(Mould-Agitation法)，簡(jiǎn)稱MA法，并建立了ZGX-25型細(xì)晶鑄造真空感應(yīng)爐。利用該設(shè)備可鑄造出外形尺寸達(dá)300mm、重量達(dá)50kg的細(xì)晶鑄件。在該設(shè)備上不但能用化學(xué)法和熱控法鑄造細(xì)晶葉片、細(xì)晶整體結(jié)構(gòu)件，而且還可用鑄型攪動(dòng)法生產(chǎn)出純凈度較高的細(xì)晶整體葉盤、渦輪等回轉(zhuǎn)體鑄件。其工藝原理與GX法相近，如圖2所示。
ZGX-25型細(xì)晶鑄造爐具有預(yù)熱鑄型的加熱器，并有能使鑄型單向/雙向旋轉(zhuǎn)功能的機(jī)構(gòu)。鑄型攪動(dòng)法(MA法)細(xì)化鑄件晶粒基于在凝固過(guò)程中對(duì)枝晶破碎、增殖形核質(zhì)點(diǎn)的原理。具體工藝步驟為：將模殼裝卡在專用的鑄型系統(tǒng)中，并預(yù)熱至規(guī)定的型殼溫度。在對(duì)合金熔液精煉干凈后，調(diào)整好澆注溫度，然后澆入型殼中，靜止一段時(shí)間后，鑄型雙向攪動(dòng)，直到凝固完畢。
在金屬液凝固過(guò)程中，通過(guò)鑄型攪動(dòng)使鑄型壁上最初形成的枝晶被破碎，破碎的枝晶分布于整個(gè)合金液中，因而創(chuàng)造了有效的形核核心，導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生細(xì)小、均勻和等軸的晶粒。此外，鑄型中心到鑄型壁的熱梯度得到降低，因此不管鑄件截面厚度如何變化，都能獲得較均勻的等軸晶。
鑄型攪動(dòng)法主要控制的攪動(dòng)參數(shù)為：澆注后合金液在鑄型內(nèi)的靜止時(shí)間τ靜;正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)的時(shí)間τ正反;正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)之間換向時(shí)間τ換;正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速v正反;雙向轉(zhuǎn)動(dòng)的總時(shí)間為τ總。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)變化合金的澆注過(guò)熱溫度Δt澆及攪動(dòng)參數(shù)來(lái)得到不同的晶粒度。
鑄型攪動(dòng)工藝的優(yōu)點(diǎn)在于采用比熱控法細(xì)晶工藝高得多的澆注溫度，因而鑄件純凈度高，薄壁部位容易成形。相比之下，傳統(tǒng)的熱控法細(xì)晶鑄造工藝和硼化物沉淀工藝主要依賴于很低的澆注溫度，因而導(dǎo)致了非金屬夾雜物的誘入。
2 細(xì)晶鑄造舉例
采用鑄型攪動(dòng)法細(xì)晶鑄造生產(chǎn)了某航空發(fā)動(dòng)機(jī)上在中溫條件(470~750℃)下使用的整體渦輪。該整體渦輪直徑為147mm，鑄件毛重10.5kg，用K418B鎳基高溫合金鑄造，其主要化學(xué)成分見(jiàn)表2。
熔模型殼用硅酸乙酯-剛玉砂制殼工藝制成。合金的熔煉和澆注在自制的ZGX-25型細(xì)晶鑄造真空感應(yīng)爐內(nèi)進(jìn)行。鑄型在爐內(nèi)可雙向旋轉(zhuǎn)，對(duì)注入型腔內(nèi)的合金液體施加雙向攪動(dòng)作用。細(xì)晶鑄造的工藝參數(shù)見(jiàn)表3。
表2 K418B合金主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)
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C |
Cr |
Mo |
Ti |
Al |
Zr |
B |
Ni |
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0.045 |
12.34 |
4.37 |
0.79 |
5.83 |
0.060 |
0.011 |
余量 |
表3 K418B合金整體渦輪的細(xì)晶鑄造工藝參數(shù)
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鑄型溫度t型 /℃ |
澆注過(guò)熱度Δt澆 /℃ |
攪動(dòng)參數(shù) | ||||
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τ靜 / s |
τ正反 / s |
τ換 / s |
v正反 / r﹒min-1 |
τ總 / min | ||
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900~1000 |
60~80 |
45 |
3~5 |
2 |
100 |
5 |
細(xì)晶渦輪經(jīng)過(guò)熱等靜壓(HIP)和熱處理。熱等靜壓工藝為：1200℃/150MPa/4h;熱處理工藝為:1180℃，2h，空冷+930℃，16h，空冷。在熱處理后渦輪的輪轂部位沿軸向切取性能試棒，測(cè)定室溫和高溫抗拉性能、高溫持久性能和低周疲勞性能。低周疲勞試驗(yàn)在美國(guó)MTS-809電液伺服閉環(huán)回路疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。為了便于比較，從K418B合金普通鑄造渦輪上切取試棒，其處理工藝、測(cè)試條件與細(xì)晶渦輪相同。
1.細(xì)晶鑄造對(duì)鑄件晶粒度形態(tài)及顯微組織的改善 在上述細(xì)晶鑄造工藝條件下，所獲得的K418B合金細(xì)晶渦輪各部位晶粒度列于表4。它與普通鑄造條件下的渦輪晶粒度對(duì)比示于圖3。
表4 細(xì)晶渦輪各部位的晶粒度等級(jí)
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部位 |
輪轂 |
輪輻 |
輪葉 |
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ASTM晶粒度級(jí)別 |
ASTM0~3 |
ASTM2~ASTM M9 |
ASTM2~4 |
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晶粒平均直徑/mm |
0.125~0.36 |
0.18~1.6 |
0.09~0.18 |
a) 細(xì)晶鑄造 b) 普通鑄造
觀察結(jié)果表明，普通鑄造渦輪的初生碳化物(MC)呈現(xiàn)塊狀、條狀分布，尺寸較大;而細(xì)晶鑄造的初生碳化物(MC)呈顆粒狀彌散分布，尺寸小。這說(shuō)明該細(xì)晶鑄造工藝對(duì)初生碳化物(MC)有一定的破碎和細(xì)化作用。
細(xì)晶渦輪γ'相分布均勻，形態(tài)規(guī)則，主要呈方塊狀，尺寸很小。而普通鑄造渦輪的γ'相則較粗大，形狀也不規(guī)則。因此細(xì)晶鑄造的凝固條件改善了γ'相的分布形態(tài)。
|||
2.細(xì)晶鑄造對(duì)鑄件力學(xué)性能的影響
(1)室溫和高溫抗拉性能：K418B合金細(xì)晶鑄造和普通鑄造渦輪兩者抗拉性能之間的差距見(jiàn)圖7。
————K418B合金細(xì)晶鑄造 ----K418B合金普通鑄造
從圖7可知，在不同試驗(yàn)溫度下，細(xì)晶鑄造(FG)的抗拉性能均優(yōu)于普通鑄造(CC)。在20~750℃范圍內(nèi)，前者的抗拉強(qiáng)度σb比后者平均提高了20%;屈服強(qiáng)度σ0.2前者比后者平均提高了12.5%。
當(dāng)試驗(yàn)溫度再提高時(shí)，兩者差距縮小。在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的伸長(zhǎng)率，除20℃和650℃時(shí)，細(xì)晶鑄造比普通鑄造平均提高約20%外，其他溫度下提高均超過(guò)30%。至于在不同溫度下的彈性模量E，細(xì)晶鑄造與普通鑄造基本相同。
(2)持久性能：K418B合金細(xì)晶鑄造渦輪不同溫度的持久試驗(yàn)數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)指標(biāo)見(jiàn)表10-5。可見(jiàn)，細(xì)晶鑄造渦輪的持久性能遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)指標(biāo)，從而使鑄件工作性能更可靠。
表5 細(xì)晶渦輪持久性能及設(shè)計(jì)指標(biāo)
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試驗(yàn)溫度/℃ |
760 |
980 |
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試驗(yàn)應(yīng)力/Mpa |
530 |
150 |
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試驗(yàn)值壽命/h |
162.8 |
71.5 |
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設(shè)計(jì)值壽命/h |
≥50 |
≥30 |
(3)低周疲勞性能：450℃和650℃的低周疲勞試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖10-8(圖中的R為應(yīng)力比)。試驗(yàn)溫度為450℃和650℃時(shí)，在整個(gè)應(yīng)變范圍內(nèi)，細(xì)晶鑄造(FG)較普通鑄造(CC)的低周疲勞壽命改善的幅度較為穩(wěn)定。其中細(xì)晶鑄造渦輪在450℃的低周疲勞壽命，當(dāng)應(yīng)變幅Δε/2=3×10-3和6×10-3時(shí)，分別為普通鑄造的7.41的7.76倍。而在650℃時(shí)的細(xì)晶鑄造渦輪的低周疲勞壽命，當(dāng)應(yīng)變幅Δε/2=3×10-3和6×10-3時(shí)，分別為普通鑄造的12.12倍和4.44倍。
a) 450℃ b) 650℃
因此，細(xì)晶鑄造使K418B合金整體渦輪的低周疲勞壽命得到大幅度提高，在450~650℃范圍內(nèi)至少為普通鑄造的4倍。
細(xì)晶鑄造改善材料低周疲勞的原因在于，當(dāng)循環(huán)外力作用時(shí)，滑移在細(xì)小、均勻、各向同性的等軸晶粒組織中得以均勻地進(jìn)行，這便緩和了應(yīng)力集中，從而使疲勞裂紋形成期延長(zhǎng)。
在相同的循環(huán)外力作用下，普通鑄造的疲勞波紋間距較寬，即裂紋擴(kuò)展速率da/dN較大，而細(xì)晶鑄造的疲勞波紋間距細(xì)小而均勻。斷口的觀察結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)，如圖9所示。
a) 細(xì)晶鑄造 b) 普通鑄造
裂紋在晶內(nèi)向前推進(jìn)時(shí)，一方面受到阻力，另一方面被迫采用不同方向并使疲勞波紋間距減小。所以晶界是疲勞裂紋擴(kuò)展的一種障礙，晶粒越細(xì)小，這種障礙作用越強(qiáng)烈。
總之，細(xì)晶粒通過(guò)控制滑移的均勻性，約束形變帶，降低疲勞裂紋的擴(kuò)展速率來(lái)改善材料的低周疲勞性能。
細(xì)晶鑄造使合金的初生MC型碳化物和γ'相尺寸減小，形態(tài)改善，這同樣有利于低周疲勞性能的提高。
20世紀(jì)60年代，前蘇聯(lián)學(xué)者Getselev等依據(jù)電磁感應(yīng)原理發(fā)明了電磁鑄造(Electromagnetic Casting，簡(jiǎn)稱EMC)技術(shù)。這一技術(shù)一經(jīng)產(chǎn)生就得到了迅速發(fā)展。1969年前蘇聯(lián)已將此技術(shù)工程化，用EMC技術(shù)制造了ф200-ф500mm的鋁合金圓錠，20世紀(jì)70年代EMC技術(shù)在前捷克斯洛伐克、匈牙利、前民主德國(guó)等東歐國(guó)家首先得到普及，之后，瑞士、美國(guó)等歐美國(guó)家相繼引進(jìn)此項(xiàng)技術(shù)并將它進(jìn)一步提高為用計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化生產(chǎn)的水平。我國(guó)于20世紀(jì)70年代也試生產(chǎn)過(guò)鋁合金圓錠，80年代也掌握了工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)技術(shù)。電磁鑄造首先是在鋁合金中取得成功，然后擴(kuò)展到銅合金，開(kāi)始只能生產(chǎn)鑄錠，現(xiàn)在能夠生產(chǎn)具有一定形狀的異型件。目前世界許多國(guó)家，包括我國(guó)，為開(kāi)發(fā)鋼的電磁鑄造技術(shù)投入了大量的人力和財(cái)力。
1 原理
電磁鑄造的原理示于圖11-1a。當(dāng)感應(yīng)器線圈中通過(guò)電流密度為J0的交變電流時(shí)，產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)H，電磁場(chǎng)作用于金屬液形成與感應(yīng)器電流反向的密度為J的感生電流，感生電流與勵(lì)磁電流相互作用產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度B和指向感應(yīng)線圈內(nèi)的電磁力
，這樣，金屬液在電磁力的側(cè)向約束下呈半懸浮狀態(tài)。感應(yīng)器下面的冷卻水噴向鑄錠，金屬液在保持自由表面的狀態(tài)下凝固，同時(shí)，鑄造機(jī)拖動(dòng)底模和鑄錠向下運(yùn)動(dòng)，從而形成連續(xù)鑄造過(guò)程。為了獲得側(cè)面垂直的半懸浮金屬液柱，增設(shè)屏蔽罩使液柱側(cè)面的電磁壓力分布接近液柱上的靜壓力分布，如圖11-1b所示。另外，屏蔽罩還可以抑制電磁力對(duì)金屬液的過(guò)度攪拌，達(dá)到穩(wěn)定液柱的目的。
a) 電磁鑄造原理 b) 電磁壓力分布
從上述簡(jiǎn)單分析可知，在電磁鑄造中電磁場(chǎng)通過(guò)電磁力使導(dǎo)電金屬液形成一定外輪廓形狀，同時(shí)引起流動(dòng)。另一方面，在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體即金屬液，反過(guò)來(lái)又引發(fā)電場(chǎng)。因此，電磁鑄造是電場(chǎng)、磁場(chǎng)和速度場(chǎng)相互耦合作用的過(guò)程。因此，要從理論上分析EMC技術(shù)，需要聯(lián)立求解描述電磁場(chǎng)規(guī)律的Maxwell 方程和描述流速場(chǎng)規(guī)律的Navier-Stokes方程。但是在多數(shù)情況下，忽略流速場(chǎng)來(lái)求解電磁場(chǎng)，再以所得電磁力來(lái)推測(cè)金屬液流速場(chǎng)。Maxwell的基本方程為：
| #FormatImgID_2# | (1) |
|---|---|
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#FormatImgID_3# |
(2) |
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#FormatImgID_4# |
(3) |
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#FormatImgID_5# |
(4) |
| 式中E —— 電場(chǎng)強(qiáng)度 (V/m)；H —— 磁場(chǎng)強(qiáng)度 (A/m)；J —— 電流密度 (A/m2)；B —— 磁感應(yīng)強(qiáng)度 (T)；t —— 時(shí)間 (s)。 | |
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忽略金屬液流動(dòng)時(shí)的歐姆定律為： |
#FormatImgID_6# (5) |
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||| 式中 σ—— 金屬液的電導(dǎo)率(1/Ωm)。 | |
| 在EMC邊界條件下聯(lián)立求解式(1)～式(5)，求得電流密度J和磁感應(yīng)強(qiáng)度。單位體積內(nèi)的電磁力可由下式計(jì)算： | |
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#FormatImgID_7# |
(6) |
| 將式(7-107)帶入式(7-111)，μ為磁導(dǎo)率，通過(guò)矢量運(yùn)算，得如下電磁力的表達(dá)式： | |
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#FormatImgID_8# |
(7) |
| 式中右端第一項(xiàng)為旋轉(zhuǎn)力，對(duì)熔體起攪拌作用；第二項(xiàng)為非旋轉(zhuǎn)力，起因于電磁壓力： | |
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#FormatImgID_9# |
(8) |
| 其中pm 為液柱表面的磁壓力，#FormatImgID_10# 為通過(guò)液柱表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度的有效值。式(7)右端第一項(xiàng)為單位體積旋轉(zhuǎn)力，大小為F1，第二項(xiàng)為單位體積非旋轉(zhuǎn)力，大小為F2，它們之間滿足如下關(guān)系： | |
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#FormatImgID_11# |
(9) |
| 式中 L—— 鑄錠橫截面尺寸；δ—— 電流趨膚深度。#FormatImgID_12# | |
| 可知電流頻率#FormatImgID_13# 越大電磁攪拌作用就越小。電磁鑄造中一般要求L/δ≥10。在電磁鑄造中忽略液柱內(nèi)的流動(dòng)造成的動(dòng)壓力時(shí)，液柱中存在如下力的平衡關(guān)系： | |
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#FormatImgID_14# |
(10) |
| 式中 #FormatImgID_15# —— 金屬液密度(g/cm)；g—— 重力加速度(cm/s2)；h —— 金屬液柱高度(cm)；#FormatImgID_16# —— 金屬液柱表面張力(N/cm)；r —— 金屬液柱曲率半徑(cm)。 | |
在電磁鑄造中鑄錠尺寸都較大，式(10)右端第二項(xiàng)可以忽略。估算形成一定的金屬液柱高度所需要的磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，式(10)是很有用的。
從上可知，金屬液具有導(dǎo)電性是實(shí)現(xiàn)電磁鑄造的必要條件，在此基礎(chǔ)上金屬密度越小越容易實(shí)現(xiàn)電磁鑄造過(guò)程。
2 電磁鑄造工藝
圖2為電磁鑄造裝置示意圖，它是由中頻電源，感應(yīng)線圈，屏蔽罩，冷卻水箱，底模，澆注系統(tǒng)和鑄造機(jī)組成。鑄造機(jī)實(shí)際是可調(diào)速的向上和向下運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，澆注系統(tǒng)一般由中間包和可控澆口塞組成。感應(yīng)器是用截面為長(zhǎng)方形的中空的純銅繞制而成，中空是為通水冷卻所必需。感應(yīng)器一般做成上下傾斜的。這是為了使金屬液柱上方受的磁壓力小于下方，與屏蔽罩協(xié)調(diào)改善金屬液柱形狀和使其穩(wěn)定。屏蔽罩用不銹鋼繞制而成，因鑄造過(guò)程中屏蔽罩也需要散熱，設(shè)法在其表面流水冷卻。
鑄造過(guò)程如下：首先將底模邊緣的上平面移動(dòng)到感應(yīng)器半高處，然后啟動(dòng)中頻電源;澆注;當(dāng)液面高度達(dá)一定值時(shí)固定輸出功率，噴水冷卻，底模以一定速度向下移動(dòng)。
電磁鑄造成敗的關(guān)鍵，是使金屬液柱穩(wěn)定并使其高度保持一定。為達(dá)此目的，合理選擇工藝參數(shù)是十分重要的。最重要的參數(shù)有：電流頻率，電流強(qiáng)度，鑄造速度，噴水冷卻強(qiáng)度。提高電流頻率可降低金屬液柱中電磁攪拌引起的流動(dòng)，但隨著電流頻率的增大感應(yīng)加熱作用迅速增大，不利于提高鑄造速度，無(wú)謂地浪費(fèi)電能。在鋁合金的電磁鑄造中，電流頻率一般取2000～3000Hz。電流強(qiáng)度是根據(jù)所需要的金屬液柱高度而定，金屬液柱高度過(guò)低，金屬液柱頂面的邊緣向內(nèi)收縮，鑄造過(guò)程不易控制;金屬液柱過(guò)高，也造成電能的浪費(fèi)。金屬液柱高度一般控制在30～50mm是適當(dāng)?shù)模@時(shí)所需要的電流強(qiáng)度為3500～5000A。鑄造速度隨噴水冷卻強(qiáng)度而變，目前一般采用循環(huán)水噴水冷卻，冷卻強(qiáng)度的提高受到制約，因此鋁合金的電磁鑄造速度一般只能達(dá)到60～100mm/min。
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電磁鑄造成敗的另一個(gè)關(guān)鍵，是澆注速度和鑄造速度(拉坯速度)相協(xié)調(diào)，使金屬液柱高度保持不變。為達(dá)此目的一般采用以液面高度傳感器反饋控制澆注速度的辦法。
澆注溫度和冷卻水溫度的變化，電源的波動(dòng)以及中間包中的金屬液量的變化，也都引起鑄造過(guò)程的不穩(wěn)定，因此大規(guī)模先進(jìn)的電磁鑄造生產(chǎn)，已實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)控制的全自動(dòng)化生產(chǎn)，并且一機(jī)同時(shí)拉多錠(3～5錠)。表11-1是一組典型的電磁鑄造工藝參數(shù)。
表1 典型的鋁合金電磁鑄造工藝參數(shù)
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鑄錠尺寸/mm |
感應(yīng)圈電流/A |
感應(yīng)圈電壓/V |
頻率 / Hz |
功率 / kW |
金屬液柱高度/mm |
|
300×1100 |
5000 |
55 |
2000 |
40-50 |
55 |
|
φ340 |
4970 |
29 |
2000 |
35 |
29 |
|
482×1143 |
— |
40-50 |
2400-3000 |
— |
38 |
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φ345 |
3400-3800 |
— |
2500 |
— |
— |
3 鑄造組織和性能
在電磁鑄造中，鑄錠是在保持液態(tài)金屬自由表面的情況下凝固，因此鑄錠表面光滑，幾乎接近鏡面。由于凝固前沿始終存在電磁攪拌作用，凝固又是在直接噴水冷卻的條件下快速完成，所以凝固組織致密，幾乎無(wú)偏析。另外，噴水冷卻部位在金屬液柱底部，宏觀上看凝固是自下而上進(jìn)行，因此凝固組織接近定向凝固的組織，橫截面易形成等軸晶。圖3是電磁鑄造和金屬型中鑄造的鋁合金凝固組織的比較。
a) 電磁鑄造 b) 金屬型鑄造
材料的力學(xué)性能也得到明顯的改善，特別是材料的壓力加工性能得到大幅度的提高。表2和表3是上述兩種鑄造方法所得材料力學(xué)性能的比較。
表2 金屬型鑄造的鋁合金力學(xué)性能
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模 鑄 |
方 向 |
位 置 |
抗拉強(qiáng)度σb/ |
斷后伸長(zhǎng)率δ(%) |
|
MPa | ||||
|
縱 向 |
1 |
109.18 |
7.75 | |
|
2 |
116.98 |
11.38 | ||
|
3 |
122.25 |
7.5 | ||
|
平 均 |
116.24 |
8.88 | ||
|
橫 向 |
表 面 |
128.60 |
9.80 | |
|
中 心 |
125.40 |
10.70 | ||
|
平 均 |
127.00 |
10.25 |
表3 電磁鑄造的鋁合金力學(xué)性能
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電磁鑄造 |
方 向 |
位 置 |
抗拉強(qiáng)度σb/ |
斷后伸長(zhǎng)率δ(%) |
斷面收縮率ψ(%) | ||
|
MPa | |||||||
|
縱 向 |
1 |
162.8 |
16.2 |
32.4 | |||
|
2 |
166.7 |
19.0 |
34.9 | ||||
|
3 |
162.1 |
25.0 |
38.9 | ||||
|
4 |
159.9 |
17.5 |
34.9 | ||||
|
5 |
165.8 |
18.7 |
32.4 | ||||
|
6 |
158.0 |
18.5 |
25.4 | ||||
|
橫 向 |
表 面 |
159.8 |
18.0 |
35.5 | |||
|
中 心 |
164.8 |
17.5 |
25.4 | ||||
|
平 均 值 |
162.49 |
18.8 |
32.48 | ||||
4 生產(chǎn)應(yīng)用實(shí)例
圖4為我國(guó)某實(shí)驗(yàn)室試生產(chǎn)的鋁合金扁錠和圓錠，其生產(chǎn)條件如下：
合金種類：3004, 2024
尺寸：0.52 m×0.13m;φ0.18m
金屬液柱高度：0.038~0.04m
鑄造速度：0.08 m/min
電流頻率：2.5 kHz
電流：4200 A
電壓：26 V
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